EP3221901A1 - Verfahren zur erzeugung von dotierten, polykristallinen halbleiterschichten - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von dotierten, polykristallinen halbleiterschichten

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EP3221901A1
EP3221901A1 EP15794943.9A EP15794943A EP3221901A1 EP 3221901 A1 EP3221901 A1 EP 3221901A1 EP 15794943 A EP15794943 A EP 15794943A EP 3221901 A1 EP3221901 A1 EP 3221901A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
precursor
composition
semiconductor substrate
sime
silicon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15794943.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Mader
Odo Wunnicke
Susanne Martens
Jasmin Lehmkuhl
Christian Guenther
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Evonik Degussa GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evonik Degussa GmbH filed Critical Evonik Degussa GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing doped polycrystalline semiconductor layers on a semiconductor substrate, the semiconductor obtainable by the method and their use, in particular in solar cells.
  • Photovoltaics is based on the generation of free charge carriers in one
  • This recombination can be achieved, for example, by the use of amorphous
  • amorphous silicon is the low temperature stability, which does not allow the use of standard processes for the production of solar cells. Therefore, special customized, costly alternative methods must be used, thereby increasing the manufacturing cost of the solar cells.
  • Silicon layers are then formed by means of a high-temperature step in polysilicon transformed. Subsequently, the polysilicon is doped in a further high-temperature step with phosphorus or boron and thereby converted into n-type or p-type silicon.
  • the deposition of the amorphous silicon is usually carried out by means of chemical vapor deposition (CVD).
  • CVD chemical vapor deposition
  • the disadvantage here is the full-surface, two-sided deposition and therefore high process complexity for the production of structured or single-sided layers. Thus, even with a one-sided deposition, the simultaneous deposition at the substrate edge, for example, lead to short circuits in the solar cell. Further disadvantages are the high plant costs for the CVD plant as well as the high process complexity with several steps and long process times.
  • the present object is achieved by the liquid phase method according to the invention for producing doped, polycrystalline semiconductor layers on a semiconductor substrate, in particular a silicon wafer, in which
  • a first precursor composition comprising:
  • Precursor or at least one solvent and at least one in SATP conditions liquid or solid silicon-containing precursor is applied to one or more areas of the surface of the semiconductor substrate to form one or more layers coated with the first precursor composition.
  • Conditions liquid or solid silicon-containing precursor is applied to one or more areas of the surface of the semiconductor substrate to produce one or more areas of the surface of the semiconductor substrate coated with the second precursor composition, one or more of the areas of the surface of the semiconductor substrate a plurality of regions (e) coated with the first precursor composition, and the one or more regions (e) with the second
  • Precursor composition are coated, are different and not or not substantially overlap and wherein the first dopant is an n-type dopant and the second dopant is a p-type dopant, or vice versa; and
  • the silicon-containing precursor is converted into polycrystalline silicon.
  • a liquid-phase process is to be understood as meaning a process in which liquid silicon-containing precursors (acting as solvents for the dopants or optionally further additives) or liquid solutions containing the (even liquid or solid) silicon-containing precursors and dopants (and if necessary further additives), are applied as a wet film on the semiconductor.
  • the silicon-containing precursors are then below
  • conversion in the context of the present invention therefore means the conversion of a precursor composition into said elemental polycrystalline silicon layer.This conversion can take place in one stage, ie from the wet film to polycrystalline silicon, but also in two stages via an intermediate amorphous silicon
  • the p-type or n-type dopants can be used in particular in the form of
  • the at least one n-type dopant may consist of phosphorus-containing dopants, in particular PH 3 , P 4 , P (SiMe 3 ) 3 ,
  • antimony-containing dopants especially Sb (SiMe 3 ) 3 , PhSb (SiMe 3 ) 2 , Cl 2 Sb (SiMe 3 ), SbPh 3 , SbMePh 2, and Sb (t-Bu ) 3 , and mixtures of the foregoing can be selected.
  • the at least one p-type dopant may be selected from boron-containing dopants, in particular B 2 H 6 , BH 3 * THF, BEt 3 , BMe 3 , B (SiMe 3 ) 3 , PhB (SiMe 3 ) 2 , CI 2 B (SiMe 3), BPh 3, BMePh 2, B (t-Bu) 3, and mixtures thereof.
  • At least one means 1 or more, ie 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or more.
  • the indication refers to the kind of the ingredient and not
  • at least one dopant means at least one type of dopant, ie, one type of dopant a mixture of several different dopants can be used.
  • the term, together with the amounts, refers to all compounds of the type indicated, which are contained in the composition / mixture, ie that the composition does not contain any further compounds of this type beyond the stated amount of the corresponding compounds.
  • compositions are, unless explicitly stated otherwise, by weight, in each case based on the corresponding composition.
  • the converted semiconductor layers which can be produced by the process according to the invention contain or consist of elemental silicon in polycrystalline form in combination with the respective dopant.
  • the layers produced by the process according to the invention may be layers which, in addition to elemental polycrystalline silicon and the respective dopant, also contain other constituents or elements. In this case, however, it is preferred that these additional constituents of the layer constitute not more than 30% by weight, preferably not more than 15% by weight, based on the total weight of the layer.
  • the coatings can be treated with the first
  • structured coating is to be understood as meaning a coating which does not completely or substantially completely cover the substrate but which partially covers the substrate to form a structuring
  • structured layers are printed conductors (eg for contacts), finger structures or point-like structures (eg for emitter and base regions in back-contact solar cells) and selective emitter structures in solar cells.
  • the first composition containing at least a first dopant and the second composition containing at least one second dopant "Not substantially overlapping" means that the areas do not overlap with each other by more than 5% of their respective area It is preferred that the areas do not overlap at all, but can it is process-related to such
  • the application can be structured in each case, so that the first composition and the second
  • composition for example, one-sided in an interlocking structure
  • the precursor compositions according to the present invention i. the first and optional second precursor compositions are particularly useful in SATP
  • the precursors generally include all suitable polysilanes, polysilazanes and
  • silicon-containing precursors are (in the case of SATP conditions in particular liquid or solid) silicon-containing compounds of the formula Si n X c where X is H, F, Cl, Br, I, C 1 -C 4 -alkyl-, C 1 -C 0 - Alkenyl, C 5 -C 2 o-aryl, n> 4 and 2n ⁇ c ⁇ 2n + 2.
  • silicon-containing precursors are silicon-containing nanoparticles.
  • compositions containing only hydridosilane oligomer (s) may also be used.
  • Corresponding formulations are particularly suitable for the production of high-quality layers from the liquid phase, wet common substrates in the coating process and have sharp edges after structuring.
  • the formulation is liquid, since it is so easy to handle.
  • the isomers of these compounds can be linear or branched.
  • Preferred non-cyclic hydridosilanes are trisilane, iso-tetrasilane, n-pentasilane, 2-silyl-tetrasilane and neopentasilane and octasilane (ie n-octasilane, 2-silyl-heptasilane, 3-silyl-heptasilane, 4-silyl-heptasilane, 2 , 2-disilyl-hexasilane, 2,3-disilyl-hexasilane, 2,4-disilyl-hexasilane, 2,5-disilyl-hexasilane, 3,4-disilyl-hexasilane, 2,2,
  • the hydridosilane of said generic formula is a branched hydridosilane, which leads to more stable solutions and better layers than a linear hydridosilane.
  • hydridosilane isotetrasilane, 2-silyltetra-silane, neopentasilane or a mixture of nonasilane isomers which can be prepared by thermal treatment of neopentasilane or by a method described by Holthausen et al. described regulation (Poster presentation: A. Nadj, 6th European Silicon Days, 2012).
  • the hydridosilane oligomer is the oligomer of a hydridosilane compound, and preferably the oligomer of a hydridosilane.
  • the formulation of the invention is particularly suitable when the hydridosilane oligomer has a weight-average molecular weight of 600 to 10,000 g / mol. Methods for their preparation are known in the art. Corresponding molecular weights can be determined via gel permeation
  • Chromatography can be determined using a linear polystyrene column with cyclooctane as eluent against polybutadiene as a reference, for example according to DIN 55672-1: 2007-08.
  • the hydridosilane oligomer is preferably obtained by oligomerization of non-cyclic hydridosilanes. Unlike hydridosilane oligomers of cyclic hydridosilanes, these oligomers exhibit dissociative dissociation due to the different nature of the reaction
  • Crosslinking component Corresponding oligomers prepared from non-cyclic hydridosilanes, unlike oligomers of cyclic hydridosilanes in solution, readily wet the substrate surface and lead to homogeneous and smooth surfaces. Even better results are shown by oligomers of noncyclic, branched hydridosilanes.
  • a particularly preferred hydridosilane oligomer is an oligomer obtainable by thermal reaction of a composition comprising at least one non-cyclic hydridosilane having a maximum of 20 silicon atoms in the absence of a catalyst at temperatures of ⁇ 235 ° C.
  • Corresponding hydridosilane oligomers and their preparation are described in WO
  • This oligomer has even better properties than the other hydridosilane oligomers of non-cyclic, branched hydridosilanes.
  • the Hydridosilan- oligomer may have other radicals in addition to hydrogen and silicon.
  • advantages of the layers made with the formulations can result when the oligomer is carbonaceous.
  • Corresponding carbon-containing hydridosilane oligomers can be prepared by co-oligomerizing hydridosilanes with hydrocarbons.
  • the hydridosilane oligomer is an exclusively hydrogen- and silicon-containing compound, which therefore has no halogen or alkyl radicals.
  • hydridosilane oligomers that are already doped.
  • the hydridosilane oligomers are preferably boron- or phosphorus-doped.
  • Corresponding hydridosilane oligomers can be produced by adding the corresponding dopants already during their preparation.
  • non-doped hydridosilane oligomers already prepared can also be p-doped or n-doped with the abovementioned p-type or n-type dopants by means of an energetic process (eg UV irradiation or thermal treatment).
  • the proportion of the hydridosilane (s) is preferably from 0.1 to 100% by weight, more preferably from 1 to 50% by weight, very preferably from 1 to 30% by weight, based on the total weight of the particular precursor composition.
  • the hydridosilane may be one of the hydridosilanes described above, in particular it is neopentasilane.
  • the rest of the formulation is composed of other ingredients, i. in particular solvents, hydridosilane oligomers, etc. together.
  • the proportion of the or the hydridosilane oligomers is preferably 0.1 to 100 wt .-%, more preferably 1 to 50 wt .-%, most preferably 10 to 35 wt .-% based on the total mass of the respective precursor composition.
  • the rest of the formulation is composed of other ingredients, i. in particular solvents, hydridosilane monomers, etc. together.
  • the precursor composition contains both hydridosilanes in proportions of 0.01% to 90.00% by weight and hydridosilane oligomers in proportions of 0.1% to 99.99% by weight, based in each case on the total mass of hydridosilanes and hydridosilane - Oligomers.
  • the precursor composition contains only hydridosilane oligomer (s) and no monomeric hydridosilanes, ie, 100 weight percent hydridosilane oligomer based on the total weight of the hydridosilanes and hydridosilane oligomers.
  • the hydridosilane oligomers or, if appropriate, also hydridosilanes which have already been described as particularly suitable are preferably used.
  • the compositions used in the process according to the invention need not contain a solvent. However, they preferably have at least one solvent. If they contain a solvent, the proportion thereof is preferably 0.1 to 99% by weight, more preferably 25 to 95% by weight, very preferably 60 to 95% by weight, based on the total mass of the particular precursor formulation. The proportion of dopants in the composition may be up to about 15% by weight, typical proportions being between 1 and 5% by weight.
  • Solvents which may preferably be used for the compositions described herein are those selected from the group consisting of linear, branched or cyclic saturated, unsaturated or aromatic hydrocarbons having 1 to 12 carbon atoms (optionally partially or completely halogenated), alcohols, ethers, carboxylic acids, Esters, nitriles, amines, amides, sulfoxides and water. Particular preference is given to n-pentane, n-hexane, n-heptane, n-octane, n-decane, dodecane, cyclohexane, cyclooctane, cyclodecane,
  • Ethylene glycol diethyl ether ethylene glycol methyl ethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether, tetrahydrofuran, p-dioxane, acetonitrile, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, dichloromethane and chloroform.
  • a particularly preferred solvent is a mixture of toluene and cyclooctane.
  • the at least one dopant In addition to the at least one dopant, the at least one hydridosilane and the at least one
  • Hydridosilane oligomer and the one or more solvents optionally present further substances, in particular various additives.
  • Corresponding substances are known to the person skilled in the art.
  • silicon wafers are used as the semiconductor substrate. These may, for example, be polycrystalline or monocrystalline and possibly already ground-doped. This base doping may be a doping with an n- or p-type dopant, as already defined above.
  • compositions are preferably carried out by a liquid phase method selected from printing processes (in particular flexographic / gravure printing, nanoimaging or microimprinting, inkjet printing, offset printing, reverse offset printing, digital offset printing and screen printing) and spraying processes (pneumatic Spraying, ultrasonic spraying, electrospray method).
  • printing processes in particular flexographic / gravure printing, nanoimaging or microimprinting, inkjet printing, offset printing, reverse offset printing, digital offset printing and screen printing
  • spraying processes pneumatic Spraying, ultrasonic spraying, electrospray method
  • compositions can in principle be flat (ie unstructured) or structured.
  • An areal plot may be made, in particular, in cases where the first and second compositions are applied to different sides of the wafer.
  • Particularly fine structures can with the invention
  • a corresponding structured application can e.g. be realized by the use of printing processes. It is also possible structuring via surface pretreatment of the substrate, in particular via a modification of the
  • Coating composition by a local plasma or corona treatment and thus a local removal of chemical bonds at the substrate surface or a local conversion of the surface (for example Si-H termination), by chemical
  • Etching or applying chemical compounds in particular by self-assembled monolayers. This structuring is achieved in particular by the fact that the precursor-containing coating composition adheres only to the predefined areas with favorable surface tension and / or that the dried or converted layer adheres only at predefined areas with favorable surface tension.
  • the process according to the invention can preferably be carried out by printing processes.
  • the process according to the invention is particularly preferably carried out in such a way that the first and the second composition are simultaneously or sequentially structured without any overlap on different areas of the wafer or applied in a planar manner and the
  • pre-crosslinking can be carried out by UV irradiation of the liquid film on the substrate, after which the still liquid film has crosslinked precursor portions.
  • the coated substrate can furthermore preferably be dried before the conversion in order to remove any solvent present.
  • Appropriate measures and conditions for this are the expert known.
  • the heating temperature should be less than 200 ° C. in the case of thermal drying.
  • the coating composition located on the substrate is completely converted.
  • the conversion step of the process according to the invention can in principle be carried out by means of various processes known as such in the prior art.
  • Conversion takes place under inert atmosphere, in particular nitrogen atmosphere, to avoid conversion into SiO x .
  • (a) first, a conversion of the wet film into amorphous silicon (a-Si) and then a conversion of the amorphous silicon into (poly) crystalline silicon (c-Si) or (b) directly in one step a conversion of the wet film into c -Si done.
  • the conversion or conversion is carried out thermally and / or using electromagnetic radiation and / or by electron or ion bombardment. Thermal conversion of the wet film to a-Si is preferred
  • the thermal conversion times are preferably between 0.01 ms and 360 min.
  • the conversion time is more preferably between 1 and 30 minutes, in particular at a temperature of about 500 ° C.
  • the conversion of the a-Si to c-Si can likewise be effected thermally, specifically at temperatures of 300 ° to 1200 ° C., preferably 500 ° to 100 ° C., more preferably 750 ° to 1050 ° C.
  • the thermal conversion times are preferably between 30 s and 360 min.
  • the conversion time is more preferably between 5 and 60 minutes, more preferably between 10 and 30 minutes.
  • the conditions given above for the conversion from a-Si to c-Si are also suitable for the conversion of the wet film to c-Si in one step. Then the conversion is carried out directly at correspondingly higher temperatures or over longer periods of time.
  • Corresponding fast energetic process guides can be achieved, for example, by the use of an IR radiator, a laser, a hot plate, a heating punch, a furnace, a flashlamp, a plasma (in particular a hydrogen plasma) or a corona with a suitable gas composition, an RTP system, a Microwave system or electron beam treatment (if necessary, in the preheated or warmed up state) done.
  • a conversion by irradiation with electromagnetic radiation, in particular with UV light take place.
  • the conversion time can preferably be between 1 s and 360 min.
  • the ions can be generated in different ways. Often come impact ionization, in particular
  • MALDI Desorption / Ionization
  • ESI electrospray ionization
  • thermo conversion which takes place thermally, for example in an oven.
  • a conversion is understood as meaning a conversion of the deposited precursors of the coating film (formed from the wet film) into polycrystalline semiconductor layers, either directly or via a coating film
  • the conversion is performed in such a way that structured polycrystalline silicon layers result after the conversion.
  • Semiconductor substrates such as silicon wafers
  • semiconductor substrates can continue to be carried out several times simultaneously or chronologically one after the other with respect to a wafer, although corresponding areas of the wafer surface are either multiply with the first
  • compositions or multiple times with the second composition but not coated with both compositions Composition or multiple times with the second composition but not coated with both compositions.
  • the conversion of different coatings can be done simultaneously or sequentially. That is, the invention encompasses both
  • the methods described herein may further comprise a step in which the surface of the semiconductor substrate is provided with a dielectric layer, in particular an oxide layer, very particularly preferably a silicon or aluminum oxide layer, prior to the application of the precursor composition.
  • the precursor compositions are then subsequently applied to the surface of the semiconductor substrate provided with the dielectric layer.
  • the layers are typically only a few nm thick, layer thicknesses in the range of 1-10, in particular 1 -4, more preferably about 2 nm are usual.
  • the dielectric layer is in this case sufficiently thin to allow a tunnel effect or is locally broken and to the R.
  • oxide layers are deposited wet-chemically, thermally or else by means of atomic layer deposition (see also the wet-chemical oxide: F. Feldmann et al., “Passivated Rear Contacts for High-efficiency Solar Cells", Solar Energy Materials and Solar Cells (2014) and to ALD layers: B. Hoex et al., "Ultralow surface recombination by atomic layer deposited Al 2 O 3 ", Applied Physic Letters (2006)).
  • the inventive method is directed to the production of highly doped
  • polycrystalline semiconductor layers on a semiconductor substrate in particular a silicon wafer, for the production of back-contact solar cells, comprising the steps
  • Precursor composition in the form of a wet film linear, in finger structure or punctiform on one side of the silicon wafer;
  • Step 3 can be done in one step as described above or in two stages via the conversion of the wet film to amorphous silicon and then the conversion of the amorphous silicon to polycrystalline silicon.
  • the method may also comprise the preceding step of depositing an approximately 2 nm-thick SiO x film on the back side (light-away) of a silicon wafer, onto which side the liquid precursor compositions are then applied in the following steps.
  • the first composition may be n-doped, for example with 2% phosphorus based on the polysilane used
  • the second composition may be p-doped, for example with 2% boron based on the polysilane used.
  • the conversion is carried out, for example, in one step at 1000 ° C for 20 minutes. Alternatively, the conversion can also take place in two stages, as described above.
  • the method may additionally comprise the step of applying a further (third) composition to the opposite side of the semiconductor substrate, i. in particular of the wafer.
  • This composition may also be liquid and printed, for example, in the form of a wet film.
  • This composition may contain either n- or p-type dopants, especially n-type dopants.
  • this third composition is also a precursor composition and defined as the first or second composition described above.
  • the application, conversion, etc. can also be done as described above for the first and second compositions. In particular, the corresponding conversion steps together with the
  • the first and second compositions (containing n- or p-type dopants, respectively) are deposited on the backside of the wafer and the third composition, which contains an n-type dopant, and in particular is also a precursor composition, becomes the front deposited.
  • the formulations may differ, for example, in layer thickness and / or concentration of the dopant.
  • the inventive method is directed to the production of highly doped polycrystalline semiconductor layers on a semiconductor substrate, in particular a silicon wafer, for the production of bifacial solar cells, comprising the steps
  • the method may also comprise the preceding step of depositing an approximately 2 nm thick SiO x film on both sides of a silicon wafer, wherein the liquid precursor compositions are then applied to these oxide layers in the following steps.
  • the first composition may be n-doped, for example with 2% phosphorus based on the polysilane used
  • the second composition may be p-doped, for example with 2% boron based on the polysilane used.
  • the conversion takes place, for example, in one stage at 1000 ° C. for 20 minutes.
  • step 4 may be done in one step as described above or in two stages via the conversion of the wet film to amorphous silicon and then the conversion of the amorphous silicon to polycrystalline silicon.
  • the methods of the invention have the advantage that highly doped layers are directly and patterned, i. in desired geometry, can be deposited.
  • the one-sided coating and / or coatings with and without overlap are possible and overcome the disadvantages that may result from the known CVD method.
  • the direct deposition further has the advantage that the doped silicon layers are produced in one step, while in the previously used
  • the direct incorporation of the dopants in the silicon precursor compositions also has the advantage that comparatively high concentrations of dopants (up to 10% in polysilane, which corresponds to about 10 22 cm -3 in polycrystalline Si layers) can be used and none Furthermore, the layers produced hereby are distinguished by a high degree of purity, because pure polysilicon is deposited and is not worked with possibly contaminated doped oxides, Finally, a subsequent removal of, for example, doped oxides is not required is that polysilanes contain no carbon and therefore no reaction of the Si wafer with carbon and thereby no formation of SiC occurs.
  • the present invention furthermore also relates to the semiconductor substrates produced by the process according to the invention and to their use, in particular for the production of electronic or optoelectronic components, preferably solar cells.
  • the solar cells can be, for example, back-contact solar cells.
  • the semiconductor substrate produced according to the invention can be coated in a further step with a silicon nitride layer (flat, especially over the entire surface), after which a metal-containing composition for the production of metallic contacts, for example a silver paste, on certain areas of
  • Silicon nitride layer is applied and fired by heating to make contact with the underlying highly doped layer.
  • the present invention also covers solar cells and solar modules which contain the semiconductor substrates produced according to the invention.
  • the conversion was carried out at 500 ° C for 60 s in a 50 nm thick amorphous silicon layer.
  • the temperature treatment of the phosphorus atoms for 30 min at 1000 ° C. the deposited a-Si layer crystallized into crystalline silicon, as can be seen from the diffraction pattern after outdiffusion in FIG.
  • boron-doped formulations consisting of 30% neopentasilane with 1 .5% boron doping and 70% solvent toluene and cyclooctane were deposited on both sides of an n-type silicon wafer with an impedance of 5 ohm cm. The conversion was carried out at 500 ° C for 60 s in a 50 nm thick amorphous silicon layer.
  • Liquid Phase Crystallization (Liquid Phase Crystallization).
  • FIG. 2A shows an "electron backscatter diffraction map" by means of FIG.
  • FIG. 2B shows samples of one
  • a back-contact solar cell was manufactured as follows:
  • a p-type dopant containing, Si-based composition in the form of a wet film in finger structure on the planar side of the silicon wafer, which has the 2 nm thick SiO layer.
  • the composition contains 30% neopentasilane with 1-10% boron doping and 70% solvent toluene and cyclooctane.
  • the fingers typically have widths of 200 ⁇ - 1000 ⁇ .
  • the composition contains 30% neopentasilane with 1-10% phosphorus doping and 70% solvent toluene and cyclooctane.
  • the fingers typically have widths of 200 ⁇ - 1000 ⁇ .
  • Conversion of the wet films into elemental silicon, in particular amorphous silicon by conversion takes place under nitrogen atmosphere at temperatures of 400-600 ° C. Duration 1 s - 2 minutes. Preferably 60 s at 500 ° C.
  • the layer thickness of the amorphous silicon is 50-200 nm.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von hochdotierten polykristallinen Halbleiterschichten auf einem Halbleitersubstrat, wobei eine erste Si-Precursorzusammensetzung enthaltend mindestens ein erstes Dotiermittel auf einen oder mehrere Bereiche der Oberfläche des Halbleitersubstrats aufgebracht wird; optional eine zweite Si-Precursorzusammensetzung enthaltend mindestens ein zweites Dotiermittel auf einen oder mehrere andere Bereiche der Oberfläche des Halbleitersubstrats aufgebracht wird, wobei das erste Dotiermittel ein Dotiermittel vom n-Typ ist und das zweite Dotiermittel ein Dotiermittel vom p-Typ ist oder umgekehrt; und die beschichteten Bereiche der Oberfläche des Halbleitersubstrats jeweils konvertiert werden, so dass aus dem Si-Precursor polykristallines Silizium entsteht. Die Erfindung betrifft ferner die nach dem Verfahren erhältlichen Halbleiter und ihre Verwendung, insbesondere bei der Herstellung von Solarzellen.

Description

Verfahren zur Erzeugung von dotierten, polykristallinen Halbleiterschichten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von dotierten polykristallinen Halbleiterschichten auf einem Halbleitersubstrat, die nach dem Verfahren erhältlichen Halbleiter und ihre Verwendung, insbesondere in Solarzellen.
Für verschiedene Anwendungen werden dotierte Halbleiterschichten benötigt, z.B. in der Photovoltaik. Die Photovoltaik basiert auf der Erzeugung freier Ladungsträger in einem
Halbleiter durch einfallendes Licht. Zur elektrischen Nutzung dieser Ladungsträger (Trennung von Elektronen und Löchern) wird ein p-n Übergang im Halbleiter benötigt. Typischerweise wird Silizium als Halbleiter verwendet. Der dabei verwendete Silizium-Wafer weist üblicherweise eine Grunddotierung, z.B. mit Bor (p-Typ), auf. Typischerweise wird der p-n Übergang durch
Eindiffusion von Phosphor (n-Typ Dotiermittel) aus der Gasphase bei Temperaturen um 900°C erzeugt. Beide Halbleitertypen (p und n) werden zur Extraktion der entsprechenden
Ladungsträger mit Metallkontakten kontaktiert.
Der Wirkungsgrad von Solarzellen auf Basis solcher Silizium-Wafer ist allerdings häufig durch die Rekombination von Ladungsträgern am Kontakt zwischen Metall und Halbleiter limitiert.
Diese Rekombination kann beispielsweise durch die Verwendung von amorphen
Siliziumschichten verhindert werden. Nachteilig an amorphem Silizium ist aber die geringe Temperaturstabilität, die die Verwendung der Standardprozesse zur Herstellung von Solarzellen nicht zulässt. Daher müssen spezielle angepasste, kostenintensive Alternativverfahren verwendet werden, wodurch die Herstellungskosten der Solarzellen steigen.
Im Stand der Technik ist es daher bekannt alternativ eine ultradünne Oxidschicht zu verwenden auf die eine hochdotierte Polysiliziumschicht abgeschieden wird. Diese Strategie hat den Vorteil, dass hierdurch ebenfalls die Rekombination am Metall-Halbleiter-Kontakt signifikant reduziert und selbst bei Temperaturen von 1050°C die Funktionalität dieser Schicht nicht verändert wird. Typischerweise werden in solchen Verfahren 1 -4 nm dicke Oxide, meistens Siliziumoxid, auf die Silizium-Wafer abgeschieden bzw. gewachsen. Auf diese Oxide werden dann wiederum intrinsische amorphe Siliziumschichten abgeschieden. Die amorphen
Siliziumschichten werden anschließend mittels eines Hochtemperaturschritts in Polysilizium umgewandelt. Anschließend wird das Polysilizium in einem weiteren Hochtemperaturschritt mit Phosphor bzw. Bor dotiert und hierdurch in n-Typ bzw. p-Typ Silizium umgewandelt. Die Abscheidung des amorphen Siliziums erfolgt üblicherweise mittels Chemical Vapor Deposition (CVD). Nachteilig ist dabei die ganzflächige, beidseitige Abscheidung und dadurch bedingt hoher Prozessaufwand zur Herstellung von strukturierten oder einseitigen Schichten. So kann selbst bei einer einseitigen Abscheidung die gleichzeitige Abscheidung an der Substratkante beispielsweise zu Kurzschlüssen in der Solarzelle führen. Weitere Nachteile sind die hohen Anlagenkosten für die CVD Anlage sowie die hohe Prozesskomplexität mit mehreren Schritten und langen Prozesszeiten.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von dotierten, polykristallinen Halbleiterschichten auf einem Halbleitersubstrat, insbesondere einem Silizium-Wafer, bereitzustellen, das es ermöglicht, die Nachteile bekannter Verfahren zumindest teilweise zu überwinden.
Die vorliegende Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Flüssigphasenverfahren zur Herstellung von dotierten, polykristallinen Halbleiterschichten auf einem Halbleitersubstrat, insbesondere einem Silizium-Wafer, bei dem
- eine erste Precursorzusammensetzung enthaltend:
(i) ein erstes Dotiermittel; und
(ii) mindestens einen bei SATP-Bedingungen flüssigen Silizium-haltigen
Precursor oder mindestens ein Lösemittel und mindestens einen bei SATP- Bedingungen flüssigen oder festen Silizium-haltigen Precursor; auf einen oder mehrere Bereiche der Oberfläche des Halbleitersubstrats aufgebracht wird, um einen oder mehrere mit der ersten Precursorzusammensetzung beschichtete(n)
Bereich(e) der Oberfläche des Halbleitersubstrats zu erzeugen;
- optional eine zweite Precursorzusammensetzung enthaltend:
(i) ein zweites Dotiermittel; und
(ii) mindestens einen bei SATP-Bedingungen flüssigen Silizium-haltigen Precursor oder mindestens ein Lösemittel und mindestens einen bei SATP-
Bedingungen flüssigen oder festen Silizium-haltigen Precursor; auf einen oder mehrere Bereiche der Oberfläche des Halbleitersubstrats aufgebracht wird, um einen oder mehrere mit der zweiten Precursorzusammensetzung beschichtete(n) Bereich(e) der Oberfläche des Halbleitersubstrats zu erzeugen, wobei der eine oder die mehreren Bereich(e), die mit der ersten Precursorzusammensetzung beschichtet sind, und der eine oder die mehreren Bereich(e), die mit der zweiten
Precursorzusammensetzung beschichtet sind, verschieden sind und nicht oder nicht wesentlich überlappen und wobei das erste Dotiermittel ein Dotiermittel vom n-Typ ist und das zweite Dotiermittel ein Dotiermittel vom p-Typ ist oder umgekehrt; und
- der Silizium-haltige Precursor in polykristallines Silizium konvertiert wird.
Unter einem Flüssigphasenverfahren ist vorliegend ein Verfahren zu verstehen, bei dem flüssige Silizium-haltige Precursoren (fungierend als Lösemittel für die Dotierstoffe bzw. ggf. weitere Additive) oder flüssige Lösungen enthaltend die (selbst flüssigen oder festen) Silizium- haltigen Precursoren und Dotierstoffe (und ggf. weitere Additive), als Nassfilm auf den Halbleiter aufgebracht werden. Die Silizium-haltigen Precursoren werden dann nachfolgend
beispielsweise thermisch oder mit elektromagnetischer Strahlung in eine im Wesentlichen elementare polykristalline Silizium-Beschichtung umgewandelt. Unter einer„Konvertierung" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist daher die Umwandlung einer Precursorzusammensetzung in die genannte elementare, polykristalline Silizium-Schicht zu verstehen. Diese Konvertierung kann einstufig, d.h. vom Nassfilm in polykristallines Silizium, aber auch zweistufig über eine Zwischenstufe aus amorphem Silizium erfolgen. Die Dotiermittel vom p-Typ bzw. vom n-Typ können insbesondere in Form von
Elementverbindungen der III. bzw. V. Hauptgruppe vorliegen. Das mindestens eine Dotiermittel vom n-Typ kann aus phosphor-haltigen Dotiermitteln, insbesondere PH3, P4, P(SiMe3)3,
PhP(SiMe3)2, CI2P(SiMe3), PPh3, PMePh2 und P(t-Bu)3, arsen-haltigen Dotiermitteln,
insbesondere As(SiMe3)3, PhAs(SiMe3)2, CI2As(SiMe3), AsPh3, AsMePh2,
As(t-Bu)3 und AsH3, antimon-haltigen Dotiermitteln, insbesondere Sb(SiMe3)3, PhSb(SiMe3)2, CI2Sb(SiMe3), SbPh3, SbMePh2 und Sb(t-Bu)3, und Mischungen der vorgenannten ausgewählt werden. Das mindestens eine Dotiermittel vom p-Typ kann ausgewählt werden aus bor-haltigen Dotiermitteln, insbesondere B2H6, BH3 *THF, BEt3, BMe3, B(SiMe3)3, PhB(SiMe3)2, CI2B(SiMe3), BPh3, BMePh2, B(t-Bu)3 und Mischungen davon.
„Mindestens ein", wie hierin verwendet, bedeutet 1 oder mehr, d.h. 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder mehr. Bezogen auf einen Inhaltsstoff bezieht sich die Angabe auf die Art des Inhaltsstoffs und nicht auf die absolute Zahl der Moleküle.„Mindestens ein Dotiermittel" bedeutet somit beispielsweise mindestens eine Art von Dotiermittel, d.h. dass eine Art von Dotiermittel oder eine Mischung mehrerer verschiedener Dotiermittel verwendet werden kann. Zusammen mit Mengenangaben bezieht sich die Angabe auf alle Verbindungen der angegebenen Art, die in der Zusammensetzung/Mischung enthalten sind, d.h. dass die Zusammensetzung über die angegebene Menge der entsprechenden Verbindungen hinaus keine weiteren Verbindungen dieser Art enthält.
Alle Prozentangaben, die im Zusammenhang mit den hierin beschriebenen
Zusammensetzungen gemacht werden, beziehen sich, sofern nicht explizit anders angegeben auf Gew.-%, jeweils bezogen auf die entsprechende Zusammensetzung.
„Ungefähr" oder„ca.", wie hierin im Zusammenhang mit einem Zahlenwert verwendet bezieht sich auf den Zahlenwert ±10 %, vorzugsweise ±5%.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren, konvertierten Halbleiterschichten enthalten elementares Silizium in polykristalliner Form in Kombination mit dem jeweiligen Dotiermittel oder bestehen daraus. In besonderen Ausführungsformen kann es sich bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schichten um Schichten handeln, die neben elementarem polykristallinem Silizium und dem jeweiligen Dotiermittel auch andere Bestandteile oder Elemente enthalten. In diesem Fall ist es aber bevorzugt, dass diese zusätzlichen Bestandteile der Schicht nicht mehr als 30 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr als 15 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht ausmachen.
In den Verfahren gemäß der Erfindung können die Beschichtungen mit der ersten
Zusammensetzung bzw. mit der zweiten Zusammensetzung strukturiert sein, wobei unter einer „strukturierten" Beschichtung hierin eine Beschichtung zu verstehen ist, die das Substrat nicht vollständig oder im Wesentlichen vollständig bedeckt, sondern die das Substrat partiell unter Erzeugung einer Strukturierung bedeckt. Entsprechende Strukturierungen können insbesondere in der Halbleitertechnik die Lösung technischer Aufgaben übernehmen. Typische Beispiele für strukturierte Schichten sind Leiterbahnen (z.B. für Kontaktierungen), Fingerstrukturen oder punktförmige Strukturen (z.B. für Emitter- und Basisbereiche bei Back-Contact-Solarzellen) und selektive Emitter-Strukturen bei Solarzellen.
In den Verfahren der Erfindung werden die erste Zusammensetzung, die mindestens ein erstes Dotiermittel enthält, und die zweite Zusammensetzung, die mindestens ein zweites Dotiermittel enthält, auf unterschiedliche, nicht oder nicht wesentlich überlappende Bereiche der Substratoberfläche aufgetragen.„Nicht wesentlich überlappend" bedeutet hierbei, dass die Bereiche mit nicht mehr als 5% ihrer jeweiligen Fläche überlappen. Es ist bevorzugt, dass die Bereiche überhaupt nicht überlappen, allerdings kann es prozessbedingt zu derartigen
Überlappungen kommen. Diese sind dann allerdings häufig unerwünscht. Die Auftragung kann dabei jeweils strukturiert erfolgen, so dass die erste Zusammensetzung und die zweite
Zusammensetzung beispielsweise einseitig in einer ineinandergreifenden Struktur
(interdigitated) auf die Oberfläche des Silizium-Wafers aufgebracht werden oder die erste Zusammensetzung und die zweite Zusammensetzung auf die jeweils gegenüberliegenden Seiten des Silizium-Wafers aufgebracht werden.
Unter den Precursorzusammensetzungen im Sinne der vorliegenden Erfindung, d.h. der ersten und der optionalen zweiten Precursorzusammensetzung, sind insbesondere bei SATP
Bedingungen (25 °C, 1 ,013 bar) flüssige Zusammensetzungen zu verstehen, die entweder mindestens einen bei SATP-Bedingungen flüssigen Silizium-haltigen Precursor enthalten oder mindestens ein Lösemittel und mindestens einen bei SATP-Bedingungen flüssigen oder festen Silizium-haltigen Precursor jeweils in Kombination mit dem jeweiligen Dotierstoff enthalten oder daraus bestehen. Besonders gute Ergebnisse können mit Zusammensetzungen umfassend mindestens ein Lösemittel und mindestens einen bei SATP-Bedingungen flüssigen oder festen Silizium-haltigen Precursor in Kombination mit dem jeweiligen Dotiermittel erzielt werden, da sich diese besonders gut verdrucken lassen.
Die Precursoren schließen allgemein alle geeigneten Polysilane, Polysilazane und
Polysiloxane, insbesondere Polysilane, ein. Bevorzugte Silizium-haltige Precursoren sind (bei SATP-Bedingungen insbesondere flüssige oder feste) Silizium-haltige Verbindungen der Formel SinXc mit X = H, F, Cl, Br, I, C Ci0-Alkyl-, C Ci0-Alkenyl, C5-C2o-Aryl, n > 4 und 2n < c < 2n+2. Ebenfalls bevorzugte Silizium-haltige Precursoren sind Silizium-haltige Nanopartikel.
Besonders gute Ergebnisse lassen sich erhalten, wenn eine Zusammensetzung eingesetzt wird, die mindestens zwei Precursoren aufweist, von denen mindestens einer ein Hydridosilan, insbesondere der generischen Formel SinH2n+2 mit n = 3 bis 20, insbesondere 3 bis 10, und mindestens einer ein Hydridosilan-Oligomer ist. Alternativ können auch Zusammensetzungen eingesetzt werden, die nur Hydridosilan-Oligomer(e) enthalten. Entsprechende Formulierungen eignen sich insbesondere zur Herstellung hochqualitativer Schichten aus der flüssigen Phase, benetzen im Beschichtungsprozess gängige Substrate gut und weisen scharfe Kanten nach der Strukturierung auf. Bevorzugt ist die Formulierung flüssig, da sie so besonders gut handhabbar ist. Hydridosilane der Formel SinH2n+2 mit n = 3 bis 20 sind nicht-cyclische Hydridosilane. Die Isomere dieser Verbindungen können linear oder verzweigt sein. Bevorzugte nicht-cyclische Hydridosilane sind Trisilan, iso-Tetrasilan, n-Pentasilan, 2-Silyl-Tetrasilan und Neopentasilan sowie Octasilan (d.h. n-Octasilan, 2-Silyl-Heptasilan, 3-Silyl-Heptasilan, 4-Silyl-Heptasilan, 2,2- Disilyl-Hexasilan, 2,3-Disilyl-Hexasilan, 2,4-Disilyl-Hexasilan, 2,5-Disilyl-Hexasilan, 3,4-Disilyl- Hexasilan, 2,2,3- Trisilal-Pentasilan, 2,3,4-Trisilyl-Pentasilan, 2,3,3-Trisilyl-Pentasilan, 2,2,4- Trisilal-Pentasilan, 2,2,3,3-Tetrasilyl-Tetrasilan, 3-Disilyl-Hexasilan, 2-Silyl-3-disilyl-Pentasilan und 3-Silyl-3-disilyl-Pentasilan) und Nonasilan (d.h. n-Nonasilan, 2-Silyl-Oktasilan, 3-Silyl- Oktasilan, 4-Silyl-Oktasilan, 2,2-Disilyl-Heptasilan, 2,3-Disilyl-Heptasilan, 2,4-Disilyl-Heptasilan, 2,5-Disilyl-Heptasilan, 2,6-Disilyl-Heptasilan, 3,3-Disilyl-Heptasilan, 3,4-Disilyl-Heptasilan, 3,5- Disilyl-Heptasilan, 4,4-Disilyl-Heptasilan, 3-Disilyl-Heptasilan, 4-Disilyl-Heptasilan, 2,2,3-Trisilyl- Hexasilan, 2,2,4-Trisilyl-Hexasilan, 2,2,5-Trisilyl-Hexasilan, 2,3,3-Trisilyl-Hexasilan, 2,3,4- Trisilyl-Hexasilan, 2,3,5-Trisilyl-Hexasilan, 3,3,4-Trisilyl-Hexasilan, 3,3,5-Trisilyl-Hexasilan, 3- Disilyl-2-Silyl-Hexasilan, 4-Disilyl-2-Silyl-Hexasilan, 3-Disilyl-3-Silyl-Hexasilan, 4-Disilyl-3-Silyl- Hexasilan, 2,2,3,3-Tetrasilyl-Pentasilan, 2,2,3,4-Tetrasilyl-Pentasilan, 2,2,4,4-Tetrasilyl- Pentasilan, 2,3,3,4-Tetrasilyl-Pentasilan, 3-Disilyl-2,2-Disilyl-Pentasilan, 3-Disilyl-2,3-Disilyl-
Pentasilan, 3-Disilyl-2,4-Disilyl-Pentasilan und 3,3-Disilyl-Pentasilan), deren Formulierungen zu besonders guten Ergebnissen führen.
Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei dem Hydridosilan der genannten generischen Formel um ein verzweigtes Hydridosilan, das zu stabileren Lösungen und besseren Schichten führt als ein lineares Hydridosilan.
Ganz besonders bevorzugt ist das Hydridosilan iso-Tetrasilan, 2-Silyl-Tetrasilan, Neopentasilan oder ein Gemisch von Nonasilan-Isomeren, das hergestellt werden kann über thermische Behandlung von Neopentasilan oder nach einer durch Holthausen et al. beschrieben Vorschrift (Posterpräsentation: A. Nadj, 6th European Silicon Days, 2012). Mit entsprechenden
Formulierungen können die besten Ergebnisse erzielt werden. Bei dem Hydridosilan-Oligomer handelt es sich um das Oligomerisat einer Hydridosilan- Verbindung und bevorzugt um das Oligomerisat eines Hydridosilans. Besonders gut eignet sich die erfindungsgemäße Formulierung, wenn das Hydridosilan-Oligomer ein gewichtsmittleres Molekulargewicht von 600 bis 10.000 g/mol aufweist. Verfahren zur ihrer Herstellung sind dem Fachmann bekannt. Entsprechende Molekulargewichte können über Gelpermeations-
Chromatographie unter Verwendung einer linearen Polystyrolsäule mit Cyclooktan als Eluent gegen Polybutadien als Referenz bestimmt werden, beispielsweise nach DIN 55672-1 :2007-08.
Das Hydridosilan-Oligomer wird bevorzugt durch Oligomerisation nicht-cyclischer Hydridosilane erhalten. Anders als Hydridosilan-Oligomere aus cyclischen Hydridosilanen weisen diese Oligomere aufgrund des unterschiedlich ablaufenden, dissoziativen
Polymerisationsmechanismus einen hohen Quervernetzungsanteil auf. Oligomere aus cylischen Hydridosilanen haben stattdessen aufgrund des ringöffnenden Reaktionsmechanismus, dem cyclische Hydridosilane unterworfen sind, wenn überhaupt, nur einen sehr geringen
Quervernetzungsanteil. Entsprechende aus nicht-cyclischen Hydridosilanen hergestellte Oligomere benetzen anders als Oligomere aus cyclischen Hydridosilanen in Lösung die Substratoberfläche gut und führen zu homogenen und glatten Oberflächen. Noch bessere Ergebnisse zeigen Oligomere aus nichtcyclischen, verzweigten Hydridosilanen. Ein besonders bevorzugtes Hydridosilan-Oligomer ist ein durch thermische Umsetzung einer Zusammensetzung umfassend mindestens ein nicht-cyclisches Hydridosilan mit maximal 20 Siliziumatomen in Abwesenheit eines Katalysators bei Temperaturen von < 235 °C erhältliches Oligomer. Entsprechende Hydridosilan-Oligomere und ihre Herstellung werden in WO
201 1/104147 A1 beschrieben, worauf im Hinblick auf die Verbindungen und ihre Herstellung Bezug genommen wird und das hierin durch diese Bezugnahme in seiner Gesamtheit eingeschlossen ist. Dieses Oligomer weist noch bessere Eigenschaften auf als die weiteren Hydridosilan-Oligomere aus nicht-cyclischen, verzweigten Hydridosilanen. Das Hydridosilan- Oligomer kann neben Wasserstoff und Silizium noch andere Reste aufweisen. So können Vorteile der mit den Formulierungen hergestellten Schichten resultieren, wenn das Oligomer kohlenstoffhaltig ist. Entsprechende kohlenstoffhaltige Hydridosilan-Oligomere können durch Co-Oligomerisation von Hydridosilanen mit Kohlenwasserstoffen hergestellt werden. Bevorzugt handelt es sich jedoch bei dem Hydridosilan-Oligomer um eine ausschließlich Wasserstoff- und Silizium-aufweisende Verbindung, die also keine Halogen- oder Alkylreste aufweist. Bevorzugt sind weiterhin Hydridosilan-Oligomere, die bereits dotiert sind. Bevorzugt sind die Hydridosilan-Oligomere bor- oder phosphordotiert. Entsprechende Hydridosilan-Oligomere können durch Zugabe der entsprechenden Dotierstoffe bereits bei ihrer Herstellung erzeugt werden. Alternativ können auch bereits hergestellte, nicht dotierte Hydridosilan-Oligomere mit den oben genannten Dotierungsmitteln vom p-Typ bzw. n-Typ mittels eines energetischen Prozesses (z.B. UV-Bestrahlung oder thermische Behandlung) p-dotiert oder n-dotiert werden.
Der Anteil des bzw. der Hydridosilane beträgt bevorzugt 0,1 bis 100 Gew.-%, weiter bevorzugt 1 bis 50 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 1 bis 30 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der jeweiligen Precursorzusammensetzung. Das Hydridosilan kann eines der oben beschriebenen Hydridosilane sein, insbesondere ist es Neopentasilan. Der Rest der Formulierung setzt sich aus weiteren Bestandteilen, d.h. insbesondere Lösungsmitteln, Hydridosilan-Oligomeren, etc. zusammen.
Der Anteil des bzw. der Hydridosilan-Oligomere beträgt bevorzugt 0,1 bis 100 Gew.-%, weiter bevorzugt 1 bis 50 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 10 bis 35 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der jeweiligen Precursorzusammensetzung. Der Rest der Formulierung setzt sich aus weiteren Bestandteilen, d.h. insbesondere Lösungsmitteln, Hydridosilan-Monomeren, etc. zusammen.
In anderen Ausführungsformen enthält die Precursorzusammensetzung sowohl Hydridosilane in Anteilen von 0,01 bis 90,00 Gew.-% als auch Hydridosilan-Oligomere in Anteilen von 0,1 bis 99,99 Gew.-% jeweils bezogen auf die Gesamtmasse an Hydridosilanen und Hydridosilan- Oligomeren. In verschiedenen Ausführungsformen, enthält die Precursorzusammensetzung nur Hydridosilan-Oligomer(e) und keine monomeren Hydridosilane, d.h. 100 Gew.-% Hydridosilan- Oligomer bezogen auf die Gesamtmasse der Hydridosilane und Hydridosilan-Oligomere. In diesen Ausführungsformen werden vorzugsweise die bereits oben als besonders geeignet beschriebenen Hydridosilan-Oligomere bzw. ggf. auch Hydridosilane verwendet. Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Zusammensetzungen müssen kein Lösemittel enthalten. Bevorzugt weisen sie jedoch mindestens ein Lösemittel auf. Enthalten sie ein Lösemittel, beträgt dessen Anteil bevorzugt 0,1 bis 99 Gew.-%, weiter bevorzugt 25 bis 95 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 60 bis 95 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der jeweiligen Precursorformulierung. Der Anteil der Dotiermittel an der Zusammensetzung kann bis zu ungefähr 15 Gew.-% betragen, typische Anteile betragen zwischen 1 und 5 Gew.-%. Für die hierin beschriebenen Zusammensetzungen bevorzugt einsetzbare Lösemittel sind solche, die ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus linearen, verzweigten oder cyclischen gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen (ggf. partiell oder vollständig halogeniert), Alkoholen, Ethern, Carbonsäuren, Estern, Nitrilen, Aminen, Amiden, Sulfoxiden und Wasser. Besonders bevorzugt sind n-Pentan, n-Hexan, n-Heptan, n-Oktan, n-Dekan, Dodekan, Cyclohexan, Cyclooctan, Cyclodekan,
Dicyclopentan, Benzol, Toluol, m-Xylol, p-Xylol, Mesitylen, Indan, Inden, Tetrahydronaphtalin, Decahydronaphtalin, Diethylether, Dipropylether, Ethylenglycoldimethylether,
Ethylenglycoldiethylether, Ethylenglycol-methylethylether, Diethylenglycoldimethylether, Diethylenglycol-diethylether, Diethylenglycolmethylethylether, Tetrahydrofuran, p-Dioxan, Acetonitril, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Dichlormethan und Chloroform. Ein besonders bevorzugtes Lösungsmittel ist eine Mischung aus Toluol und Cyclooctan.
Die erfindungsgemäß verwendeten Formulierungen können weiterhin neben dem mindestens einen Dotiermittel, dem mindestens einen Hydridosilan und dem mindestens einen
Hydridosilan-Oligomer und dem oder den ggf. anwesenden Lösemitteln noch weitere Stoffe, insbesondere verschiedene Additive enthalten. Entsprechende Stoffe sind dem Fachmann bekannt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren werden als Halbleitersubstrat insbesondere Silizium- Wafer eingesetzt. Diese können beispielsweise polykristallin oder monokristallin und ggf. bereits grunddotiert sein. Diese Basisdotierung kann eine Dotierung mit einem Dotierstoff vom n- oder p-Typ sein, wie bereits oben definiert.
Das Aufbringen der Zusammensetzungen erfolgt bevorzugt über ein Flüssigphasenverfahren ausgewählt aus Druckverfahren (insbesondere Flexo/Gravur-Druck, Nano- bzw. Mikroimprint, Inkjet-Druck, Offset-Druck, reverse Offset-Druck, digitalem Offset-Druck und Siebdruck) und Sprühverfahren (pneumatisches Sprühen, Ultraschallsprühen, Electrospray-Verfahren).
Generell sind alle bekannten Auftragsverfahren geeignet, die eine strukturierte Beschichtung mit zwei unterschiedlichen Zusammensetzungen ohne substantiellen Überlapp ermöglichen. Das Aufbringen der Zusammensetzungen kann prinzipiell flächig (d.h. unstrukturiert) oder strukturiert erfolgen. Eine flächige Auftragung kann insbesondere in den Fällen erfolgen, in denen die erste und die zweite Zusammensetzungen auf unterschiedliche Seiten des Wafers aufgetragen werden. Besonders feine Strukturen können mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren erzielt werden, wenn auch bereits das Aufbringen der Zusammensetzungen auf das Substrat strukturiert erfolgt. Ein entsprechendes strukturiertes Aufbringen kann z.B. durch den Einsatz von Druckprozessen realisiert werden. Möglich ist auch eine Strukturierung über Oberflächenvorbehandlung des Substrates, insbesondere über eine Modifizierung der
Oberflächenspannung zwischen Substrat und der precursorhaltigen
Beschichtungszusammensetzung durch eine lokale Plasma- bzw. Corona-Behandlung und somit einer lokalen Entfernung von chemischen Bindungen an der Substratoberfläche oder einer lokalen Konvertierung der Oberfläche (z.B. Si-H Terminierung), durch chemische
Ätzungen oder Aufbringen chemischer Verbindungen (insbesondere durch self-assembled monolayers). Damit wird eine Strukturierung insbesondere dadurch erreicht, dass die precursorhaltige Beschichtungszusammensetzung nur an den vordefinierten Bereichen mit günstiger Oberflächenspannung haftet und/oder dass die getrocknete oder konvertierte Schicht nur an vordefinierten Bereichen mit günstiger Oberflächenspannung haftet. Bevorzugt lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch mit Druckverfahren durchführen.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, dass die erste und die zweite Zusammensetzung gleichzeitig oder nacheinander ohne Überlapp auf unterschiedliche Bereiche des Wafers strukturiert oder flächig aufgebracht und die
resultierenden Beschichtungen konvertiert werden. Bei der strukturierten Auftragung können hiermit besonders feine Strukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden.
Nach dem Aufbringen der Formulierungen (Zusammensetzungen) kann eine Vorvernetzung über eine UV-Bestrahlung des flüssigen Filmes auf dem Substrat durchgeführt werden, nach der der noch flüssige Film quervernetzte Precursoranteile aufweist.
Nach Aufbringen und ggf. Vorvernetzen der Formulierung kann das beschichtete Substrat weiterhin bevorzugt vor der Konvertierung getrocknet werden, um ggf. anwesendes Lösemittel zu entfernen. Entsprechende Maßnahmen und Bedingungen hierfür sind dem Fachmann bekannt. Um ausschließlich leicht flüchtige Formulierungsbestandteile zu entfernen, sollte im Falle einer thermischen Trocknung die Heiztemperatur weniger als 200 °C betragen. Im
Anschluss an das Aufbringen auf das Substrat und eine ggf. anschließende Vorvernetzung und/oder Trocknung wird die auf dem Substrat befindliche Beschichtungszusammensetzung vollständig konvertiert.
Der Konvertierungsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann prinzipiell mittels verschiedener, als solche im Stand der Technik bekannter Verfahren, erfolgen. Die
Konvertierung erfolgt unter inerter Atmosphäre, insbesondere Stickstoffatmosphäre, um eine Umwandlung in SiOx zu vermeiden. Generell kann (a) zuerst eine Konvertierung des Nassfilms in amorphes Silizium (a-Si) und anschließend eine Konvertierung des amorphen Siliziums in (poly)kristallines Silizium (c-Si) oder (b) direkt in einem Schritt eine Konvertierung des Nassfilms in c-Si erfolgen. Bevorzugt wird die Konvertierung bzw. Konvertierung thermisch und/oder unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung und/oder durch Elektronen- oder lonenbeschuss durchgeführt. Die thermische Konvertierung des Nassfilms zu a-Si wird bevorzugt bei
Temperaturen von 200 - 1000 °C, vorzugsweise 300 - 750 °C, insbesondere bevorzugt 400 - 600 °C durchgeführt. Die thermischen Konvertierungszeiten betragen dabei bevorzugt zwischen 0,01 ms und 360 min. Die Konvertierungszeit beträgt weiter bevorzugt zwischen 1 und 30 min, insbesondere bei einer Temperatur von etwa 500 °C. Die Konvertierung des a-Si zu c-Si kann ebenfalls thermisch erfolgen und zwar beispielsweise bei Temperaturen von 300 - 1200 °C, vorzugsweise 500 - 1 100 °C, insbesondere bevorzugt 750 - 1050 °C durchgeführt. Die thermischen Konvertierungszeiten betragen dabei bevorzugt zwischen 30 s und 360 min. Die Konvertierungszeit beträgt weiter bevorzugt zwischen 5 und 60 min, besonders bevorzugt zwischen 10 und 30 min. Die für die Konvertierung von a-Si zu c-Si vorstehend angegebenen Bedingungen sind auch für die Konvertierung des Nassfilms zu c-Si in einem Schritt geeignet. Dann wird die Konvertierung direkt bei entsprechend höheren Temperaturen bzw. über längere Zeiträume durchgeführt.
Entsprechende schnelle energetische Prozessführungen können zum Beispiel durch den Einsatz eines IR-Strahlers, eines Lasers, einer Heizplatte, eines Heizstempels, eines Ofens, einer Blitzlampe, eines Plasmas (insbesondere eines Wasserstoffplasmas) oder einer Corona mit geeigneter Gaszusammensetzung, einer RTP-Anlage, einer Mikrowellenanlage oder einer Elektronenstrahlbehandlung (wenn erforderlich, im jeweils vorgeheizten bzw. warmgelaufenen Zustand) erfolgen. Alternativ bzw. ergänzend kann eine Konvertierung durch Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mit UV-Licht, erfolgen. Die Konvertierungszeit kann dabei bevorzugt zwischen 1 s und 360 min betragen.
Ebenfalls möglich ist eine Konvertierung unter lonenbeschuss. Die Ionen können dabei auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Häufig kommen Stoßionisation, insbesondere
Elektronenstoßionisation (El) oder chemische Ionisation (Cl), Photoionisation (PI),
Feldionisation (Fl), Fast Atom Bombardment (FAB), Matrix-unterstützte Laser
Desorption/Ionisation (MALDI) und Elektrospray-Ionisation (ESI) zum Einsatz.
Besonders bevorzugt ist eine vollständige Konvertierung die thermisch, beispielsweise in einem Ofen, erfolgt. Die Bedingungen für eine solche thermische Konvertierung, insbesondere in einem Ofen, wurden bereits oben beschrieben.
Unter einer Konvertierung wird vorliegend, wie bereits oben beschrieben, eine Umwandlung der abgeschiedenen Precursoren des (aus dem Nassfilm) entstandenen Beschichtungsfilms in polykristalline Halbleiterschichten verstanden und zwar entweder direkt oder über eine
Zwischenstufe aus amorphem Silizium. Die Konvertierung wird in jedem Fall so durchgeführt, dass nach der Konvertierung strukturierte polykristalline, Siliziumschichten resultieren.
Das beschriebene Verfahren zur Erzeugung dotierter Halbleiterschichten auf
Halbleitersubstraten, wie Silizium-W afern, kann weiterhin - bezogen auf einen Wafer - gleichzeitig oder zeitlich hintereinander mehrfach durchgeführt werden, wobei allerdings entsprechende Bereiche der Wafer-Oberfläche entweder mehrfach mit der ersten
Zusammensetzung oder mehrfach mit der zweiten Zusammensetzung aber nicht mit beiden Zusammensetzungen beschichtet werden. Die Konvertierung unterschiedlicher Beschichtungen kann gleichzeitig oder nacheinander erfolgen. Das heißt, die Erfindung erfasst sowohl
Verfahren in denen die erste und die zweite Zusammensetzung gleichzeitig oder nacheinander aufgetragen werden und nachfolgend die vollständige Konvertierung sowohl der mit der ersten als auch der mit der zweiten Zusammensetzung beschichteten Bereiche erfolgt, als auch Verfahren in denen erst die erste Zusammensetzung aufgetragen, vollständig aktiviert wird und anschließend die zweite Zusammensetzung aufgetragen und vollständig aktiviert wird. Die hierin beschriebenen Verfahren können ferner in verschiedenen Ausführungsformen einen Schritt umfassen, in welchem die Oberfläche des Halbleitersubstrats vor der Aufbringung der Precursorzusammensetzung mit einer dielektrischen Schicht, insbesondere einer Oxidschicht, ganz besonders bevorzugt einer Silizium- oder Aluminiumoxidschicht, versehen wird. Die Precursorzusammensetzungen werden dann nachfolgend auf die mit der dielektrischen Schicht versehene Oberfläche des Halbleitersubstrats aufgebracht. Verfahren zur Erzeugung derartiger dielektrischer Schichten, insbesondere Oxidschichten wie beispielsweise SiOx Schichten, auf einem Silizium-Wafer, sind im Stand der Technik bekannt. Die Schichten sind typischerweise nur wenige nm dick, üblich sind Schichtdicken im Bereich von 1 -10, insbesondere 1 -4, besonders bevorzugt ungefähr 2 nm. Die dielektrische Schicht ist hierbei ausreichend dünn, um einen Tunneleffekt zu erlauben oder wird lokal aufgebrochen und an den entsprechenden Stellen Kontakte erzeugt (s.a. R. Peibst et al., "A simple model describing the Symmetrie IV- characteristics of p poly-crystalline Si / n mono-crystalline Si and n poly-crystalline Si / p mono- crystalline Si junetions", IEEE Journal of Photovoltaics (2014)).
Typischerweise werden Oxidschichten nasschemisch, thermisch oder auch mittels atomic- layer-deposition abgeschieden (s.a. zum nasschemischen Oxid: F. Feldmann et al.,„Passivated Rear Contacts for high-efficiency solar cells", Solar Energy Materials and Solar Cells (2014) und zu ALD- Schichten: B. Hoex et al.,„Ultralow surface recombination by atomic layer deposited Al203", Applied Physic Letters (2006)). In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung richtet sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die Erzeugung von hochdotierten
polykristallinen Halbleiterschichten auf einem Halbleitersubstrat, insbesondere einem Silizium- Wafer, für die Herstellung von Back-Contact-Solarzellen, umfassend die Schritte
Drucken einer flüssigen, ein Dotiermittel vom p-Typ enthaltenden, Si-basierten
Precursorzusammensetzung in Form eines Nassfilmes linienförmig, in Fingerstruktur oder punktförmig auf eine Seite des Siliziumwafers;
Drucken einer flüssigen, ein Dotiermittel vom n-Typ enthaltenden, Si-basierten
Precursorzusammensetzung in Form eines Nassfilmes in zu der gemäß 1.
abgeschiedenen Form komplementärer Form auf dieselbe Seite des Siliziumwafers; Umwandlung der Nassfilme in elementares, polykristallines Silizium. Schritt 3 kann in einem Schritt wie oben beschrieben oder zweistufig über die Konvertierung des Nassfilms in amorphes Silizium und dann die Konvertierung des amorphen Siliziums in polykristallines Silizium erfolgen. In diesen Ausführungsformen kann das Verfahren noch den vorangehenden Schritt der Abscheidung eines ca. 2 nm dicken SiOx Films auf der Rückseite (lichtabgewandt) eines Silizium-Wafers umfassen, wobei auf diese Seite dann in den folgenden Schritten die flüssigen Precursorzusammensetzungen aufgebracht werden. Ferner kann die erste Zusammensetzung n-dotiert, beispielsweise mit 2% Phosphor bezogen auf das eingesetzte Polysilan, und die zweite Zusammensetzung p-dotiert, beispielsweise mit 2% Bor bezogen auf das eingesetzte Polysilan, sein. Die Umwandlung erfolgt beispielsweise in einem Schritt bei 1000°C für 20 Minuten. Die Umwandlung kann alternativ auch zweistufig, wie oben beschrieben, erfolgen.
Während der Umwandlung wird zudem der SiO Film lokal aufgebrochen (siehe R. Peibst et al., supra) Der genaue Mechanismus des Stromflusses vom Si Wafer in den Polysiliziumfilm ist noch nicht bekannt. Neben der genannten Theorie von Peibst et al. wird in der Literatur auch beschrieben, dass der Strom die SiO Schicht durchtunnelt.
In allen hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, in denen die beiden
Zusammensetzungen auf dieselbe Seite des Wafers aufgetragen werden, kann das Verfahren zusätzlich den Schritt des Aufbringens einer weiteren (dritten) Zusammensetzung auf die gegenüberliegende Seite des Halbleitersubstrats, d.h. insbesondere des Wafers, umfassen. Diese Zusammensetzung kann ebenfalls flüssig sein und beispielsweise in Form eines Nassfilms aufgedruckt werden. Diese Zusammensetzung kann entweder Dotiermittel vom n- oder p-Typ, insbesondere vom n-Typ enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen ist diese dritte Zusammensetzung ebenfalls eine Precursorzusammensetzung und so definiert wie die oben beschriebene erste bzw. zweite Zusammensetzung. Die Auftragung, Konvertierung, etc. können ebenfalls wie oben für die erste und zweite Zusammensetzung beschrieben erfolgen. Insbesondere können die entsprechenden Konvertierungsschritte zusammen mit der
Konvertierung der mit der ersten und/oder zweiten Zusammensetzung beschichteten Bereiche oder separat erfolgen. In verschiedenen Ausführungsformen werden die erste und die zweite Zusammensetzung (die n- bzw. p-Typ Dotiermittel enthalten) auf der Rückseite des Wafers abgeschieden und die dritte Zusammensetzung, die ein Dotiermittel vom n-Typ enthält und insbesondere ebenfalls eine Precursorzusammensetzung ist, wird auf der Vorderseite abgeschieden. Die Formulierungen können sich z.B. in Schichtdicke und/oder Konzentration des Dotiermittels unterscheiden.
In verschiedenen anderen Ausführungsformen der Erfindung richtet sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die Erzeugung von hochdotierten, polykristallinen Halbleiterschichten auf einem Halbleitersubstrat, insbesondere einem Silizium-Wafer, für die Herstellung von bifacialen Solarzellen, umfassend die Schritte
1 . Drucken einer flüssigen, ein Dotiermittel vom p-Typ enthaltenden, Si-basierten
Precursorzusammensetzung in Form eines Nassfilmes auf eine Seite des Siliziumwafers
2. Umwandlung des Nassfilms in elementares polykristallines Silizium
3. Drucken einer flüssigen, ein Dotiermittel vom n-Typ enthaltenden, Si-basierten
Precursorzusammensetzung in Form eines Nassfilmes auf die andere Seite des Siliziumwafers
4. Umwandlung des Nassfilms in elementares polykristallines Silizium
Auch in diesen Ausführungsformen kann das Verfahren noch den vorangehenden Schritt der Abscheidung eines ca. 2 nm dicken SiOx Films auf beide Seiten eines Silizium-Wafers umfassen, wobei auf diese Oxidschichten dann in den folgenden Schritten die flüssigen Precursorzusammensetzungen aufgebracht werden. Ferner kann die erste Zusammensetzung n-dotiert, beispielsweise mit 2% Phosphor bezogen auf das eingesetzte Polysilan, und die zweite Zusammensetzung p-dotiert, beispielsweise mit 2% Bor bezogen auf das eingesetzte Polysilan, sein. Die Umwandlung erfolgt beispielsweise einstufig bei 1000°C für 20 Minuten. Auch hier kann Schritt 4 in einem Schritt, wie oben beschrieben, oder zweistufig über die Konvertierung des Nassfilms in amorphes Silizium und dann die Konvertierung des amorphen Siliziums in polykristallines Silizium erfolgen.
Die erfindungsgemäßen Verfahren haben den Vorteil, dass hochdotierte Schichten direkt und strukturiert, d.h. in gewünschter Geometrie, abgeschieden werden können. Dabei sind beispielsweise die einseitige Beschichtung und/oder Beschichtungen mit und ohne Überlapp möglich und die Nachteile, die sich durch die bekannten CVD Verfahren ergeben können überwunden werden. Die direkte Abscheidung hat des Weiteren den Vorteil, das dotierte Siliziumschichten in einem Schritt erzeugt werden, während in den bisher eingesetzten
Verfahren mehrere Schritte, nämlich die Erzeugung einer Silizium-Schicht und nachfolgende Dotierung durch einen Diffusionsschritt, erforderlich sind. Somit können mit den hierin beschriebenen Verfahren gegenüber den bekannten Verfahren Zeit und Kosten gespart werden. Die direkte Inkorporation der Dotierstoffe in die Silizium-Precursorzusammensetzungen hat ferner den Vorteil, dass vergleichsweise hohe Konzentrationen an Dotiermitteln (bis zu 10% in Polysilan, was ca. 1022 cm"3 in polykristallinen Si-Schichten entspricht) eingesetzt werden können und es keine Limitation durch die Diffusion gibt. Die hiermit erzeugten Schichten zeichnen sich ferner durch eine hohe Reinheit aus, da reines Polysilizium abgeschieden wird und nicht mit eventuell verunreinigten dotierten Oxiden gearbeitet wird. Schließlich ist auch eine nachträgliche Entfernung von beispielsweise dotierten Oxiden nicht erforderlich. Ein weiterer Vorteil ist, dass Polysilane keinen Kohlenstoff enthalten und dass deshalb keine Reaktion des Si Wafers mit Kohlenstoff und dadurch keine Bildung von SiC auftritt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind weiterhin auch die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleitersubstrate sowie deren Verwendung, insbesondere für die Herstellung elektronischer oder optoelektronischer Bauteile, vorzugsweise Solarzellen. Die Solarzellen können beispielsweise Back-Contact-Solarzellen sein.
Bei der Herstellung von Solarzellen, kann das erfindungsgemäß hergestellte Halbleitersubstrat in einem weiteren Schritt mit einer Siliziumnitridschicht (flächig, insbesondere ganzflächig) beschichtet werden, wonach eine metallhaltige Zusammensetzung für die Herstellung metallischer Kontakte, beispielsweise eine Silberpaste, auf bestimmte Bereiche der
Siliziumnitridschicht aufgebracht und durch Erhitzen durchgefeuert wird, um den Kontakt mit der darunter liegenden hochdotierten Schicht herzustellen. Schließlich erfasst die vorliegende Erfindung auch Solarzellen und Solarmodule, die die erfindungsgemäß hergestellten Halbleitersubstrate enthalten.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ohne selbst beschränkend zu wirken. Beispiele
Beispiel 1:
Mittels Spin-Coating wurden Phosphor-dotierte Formulierungen, bestehend aus 30 %
Neopentasilan mit 1 .5 % Phosphor-Dotierung und 70% Lösemittel Toluol und Cyclooctan auf beide Seiten eines n-Typ Siliciumwafers einer Ohmigkeit von 5 Ohmcm abgeschieden. Die Konvertierung erfolgte bei 500 °C für 60 s in eine 50 nm-dicke amorphe Siliziumschicht. Bei der Temperaturbehandlung der Phosphor-Atome für 30 min bei 1000°C kristallisierte die abgeschiedene a-Si Schicht in kristallines Silizium, wie dem Beugungsbild nach Ausdiffusion in Figur 1 zu entnehmen ist.
Mittels Spin-Coating wurden Bor-dotierte Formulierungen, bestehend aus 30 % Neopentasilan mit 1 .5 % Bor-Dotierung und 70% Lösemittel Toluol und Cyclooctan auf beide Seiten eines n- Typ Siliciumwafers einer Ohmigkeit von 5 Ohm cm abgeschieden. Die Konvertierung erfolgte bei 500 °C für 60 s in eine 50 nm-dicke amorphe Siliziumschicht. Bei der
Temperaturbehandlung der Bor-Atome für 60 min bei 1050 °C kristallisierte die abgeschiedene a-Si Schicht in kristallines Silizium. Beispiel 2:
Nach der Abscheidung von Polysilanen und der Konvertierung in amorphes Silizium konnte dieses mittels zweier unterschiedlicher Verfahren kristallisiert werden:
1 . Festphasenkristallisation (Solid-Phase-Crystallization) und
2. Flüssigphasenkristallisation (Liquid- Phase- Crystallization).
Zu 1 . Thermisches Annealing in Stickstoffatmosphäre bei Temperaturen über 600°C.
Zu 2. Aufschmelzen des a-Si und anschließende Liquid-Phase-Crystallization mittels E-beam oder Laser. Figur 2A zeigt eine„Electron backscatter diffraction map" von mittels
Festphasenkristallisation prozessierten Proben. Figur 2B zeigt Proben einer
Flüssigphasenkristallisation. Beispiel 3: Herstellung einer Back-Contact Solarzelle
Eine Back-Contact Solarzelle wurde wie folgt hergestellt:
a. Einseitige Texturierung eines Silizium Wafers.
b. Abscheiden eines 2 nm dicken SiO Films auf die planare Seite des Silizium Wafers.
c. Mittels Inkjet Drucken einer flüssigen, ein Dotiermittel vom p-Typ enthaltenden, Si-basierten Zusammensetzung in Form eines Nassfilmes in Fingerstruktur auf die planare Seite des Silizium Wafers, welche die 2 nm-dicke SiO Schicht aufweist. Die Zusammensetzung enthält 30 % Neopentasilan mit 1 - 10 % Bor-Dotierung und 70 % Lösemittel Toluol und Cyclooctan. Die Finger haben typischerweise Breiten von 200 μηη - 1000 μηη.
d. Gleichzeitiges Drucken einer flüssigen, ein Dotiermittel vom n-Typ enthaltenden, Si- basierten Zusammensetzung in Form eines Nassfilmes in zu der gemäß (a)
abgeschiedenen Struktur komplementärer Form auf dieselbe Seite des Silizium Wafers. Die Zusammensetzung enthält 30 % Neopentasilan mit 1 - 10 % Phosphor- Dotierung und 70 % Lösemittel Toluol und Cyclooctan. Die Finger haben typischerweise Breiten von 200 μηη - 1000 μηη.
e. Umwandlung der Nassfilme in elementares Silicium, insbesondere amorphes Silizium durch Konversion. Die Konvertierung findet unter Stickstoffatmosphäre bei Temperaturen von 400 - 600 °C statt. Dauer 1 s - 2 Minuten. Bevorzugt 60 s bei 500 °C. Die Schichtdicke des amorphen Siliciums beträgt 50 - 200 nm.
f. Abscheiden eines SiN Films auf die planare Rückseite
g. Umwandlung der dotierten a-Si Schichten in polykristallines Silizium bei 850 °C für eine Dauer von 30 Minuten unter Zugabe von POCI3. Hierdurch Formierung eines n+ Gebietes auf der texturierten Silizium Wafer-Seite.
h. Entfernen des Phosphorsilikatglases (PSG) von der Vorderseite und des SiN von der
Rückseite mittels HF.
i. Abscheiden einer Antireflexschicht auf die Vorderseite und
j. Kontaktierung der p+ und n+ Gebiete auf der Rückseite mittels eines Metalls.

Claims

Flüssigphasenverfahren zur Erzeugung von dotierten, polykristallinen Halbleiterschichten auf einem Halbleitersubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass
eine erste Precursorzusammensetzung enthaltend:
(i) ein erstes Dotiermittel; und
(ii) mindestens einen bei SATP-Bedingungen flüssigen Silizium-haltigen Precursor oder mindestens ein Lösemittel und mindestens einen bei SATP-Bedingungen flüssigen oder festen Silizium-haltigen Precursor;
auf einen oder mehrere Bereiche der Oberfläche des Halbleitersubstrats aufgebracht wird, um einen oder mehrere mit der ersten Precursorzusammensetzung beschichtete(n) Bereich(e) der Oberfläche des Halbleitersubstrats zu erzeugen;
optional eine zweite Precursorzusammensetzung enthaltend:
(i) ein zweites Dotiermittel; und
(ii) mindestens einen bei SATP-Bedingungen flüssigen Silizium-haltigen Precursor oder mindestens ein Lösemittel und mindestens einen bei SATP-Bedingungen flüssigen oder festen Silizium-haltigen Precursor;
auf einen oder mehrere Bereiche der Oberfläche des Halbleitersubstrats aufgebracht wird, um einen oder mehrere mit der zweiten Precursorzusammensetzung beschichtete(n) Bereich(e) der Oberfläche des Halbleitersubstrats zu erzeugen, wobei der eine oder die mehreren Bereich(e), die mit der ersten Precursorzusammensetzung beschichtet sind, und der eine oder die mehreren Bereich(e), die mit der zweiten
Precursorzusammensetzung beschichtet sind, verschieden sind und nicht oder nicht wesentlich überlappen und wobei das erste Dotiermittel ein Dotiermittel vom n-Typ ist und das zweite Dotiermittel ein Dotiermittel vom p-Typ ist oder umgekehrt; und
der Silizium-haltige Precursor in polykristallines Silizium konvertiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zusammensetzung und/oder optional die zweite Zusammensetzung mittels eines Druck- oder
Sprühverfahrens auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) das mindestens eine Dotiermittel vom n-Typ ausgewählt wird aus phosphor-haltigen Dotiermitteln, insbesondere PH3, P4, P(SiMe3)3, PhP(SiMe3)2, CI2P(SiMe3), PPh3, PMePh2 und P(t-Bu)3, arsen-haltigen Dotiermitteln, insbesondere As(SiMe3)3, PhAs(SiMe3)2, CI2As(SiMe3), AsPh3, AsMePh2, As(t-Bu)3 und AsH3, antimon-haltigen Dotiermitteln, insbesondere Sb(SiMe3)3, PhSb(SiMe3)2, CI2Sb(SiMe3), SbPh3, SbMePh2 und Sb(t-Bu)3, und Mischungen der vorgenannten; und/oder
(b) das mindestens eine Dotiermittel vom p-Typ ausgewählt wird aus bor-haltigen
Dotiermitteln, insbesondere B2H6, BH3 *THF, BEt3, BMe3, B(SiMe3)3, PhB(SiMe3)2, CI2B(SiMe3), BPh3, BMePh2, B(t-Bu)3 und Mischungen davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Precursor ein Polysilan ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Precursor die generische Formel SinXc mit X = H, F, Cl, Br, I, C Ci0-Alkyl-, C Ci0-Alkenyl, C5-C20-Aryl, n > 4 und 2n < c < 2n+2 hat.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Precursor ein Silizium-haltiges Nanopartikel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Precursorzusammensetzung mindestens zwei Precursoren aufweist, von denen mindestens einer ein Hydridosilan-Oligomer und mindestens einer ein, optional verzweigtes, Hydridosilan der generischen Formel SinH2n+2 mit n = 3 bis 20 ist, insbesondere ausgewählt aus iso-Tetrasilan, 2-Silyl-Tetrasilan, Neopentasilan oder einem Gemisch von Nonasilan-Isomeren.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydridosilan-Oligomer
(a) ein gewichtsmittleres Molekulargewicht von 200 bis 10.000 g/mol aufweist; und/oder
(b) durch Oligomerisation nicht-cyclischer Hydridosilane erhalten wurde; und/oder
(c) durch thermische Umsetzung einer Zusammensetzung umfassend mindestens ein nicht-cyclisches Hydridosilan mit maximal 20 Siliziumatomen in Abwesenheit eines Katalysators bei Temperaturen von kleiner 235 °C erhältlich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Konvertierung des Precursors zu polykristallinen Silizium unter Verwendung
elektromagnetischer Strahlung und/oder Elektronen- oder lonenbeschuss und/oder thermisch erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvertierung in polykristallines Silizium thermisch bei einer Temperatur im Bereich von 300 - 1200 °C, vorzugsweise 500 - 1 100 °C, insbesondere bevorzugt 750 - 1050 °C, insbesondere für einen Zeitraum von 5 bis 60 Minuten, erfolgt.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das
Verfahren ferner den Schritt des Erzeugens einer dielektrischen Schicht auf dem
Halbleitersubstrat umfasst, wobei die erste und/oder zweite Precursorzusammensetzung in einem nachfolgenden Schritt auf die dielektrische Schicht aufgebracht wird.
12. Verfahren nach 1 1 , wobei dielektrische Schicht SiOx oder AlxOy ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das
Halbleitersubstrat ein Silizium-Wafer ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zusammensetzung und die zweite Zusammensetzung auf dieselbe Seite des
Halbleitersubstrats aufgebracht werden, insbesondere in einer ineinandergreifenden Struktur (interdigitated).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zusammensetzung und die zweite Zusammensetzung auf die jeweils gegenüberliegenden Seiten des Halbleitersubstrats aufgebracht werden.
16. Halbleitersubstrat, insbesondere Silizium-Wafer, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
17. Verwendung des Halbleitersubstrats nach Anspruch 16 für die Herstellung von
Solarzellen.
18. Solarzelle oder Solarmodul enthaltend das Halbleitersubstrat nach Anspruch 16.
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