EP4088323A1 - Method and system for the production of a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts - Google Patents

Method and system for the production of a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts

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Publication number
EP4088323A1
EP4088323A1 EP21715539.9A EP21715539A EP4088323A1 EP 4088323 A1 EP4088323 A1 EP 4088323A1 EP 21715539 A EP21715539 A EP 21715539A EP 4088323 A1 EP4088323 A1 EP 4088323A1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
silicon
tunnel oxide
dopant
doped
Prior art date
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Pending
Application number
EP21715539.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Benjamin MANDLMEIER
Simon HÜBNER
Peter Wohlfart
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.)
Singulus Technologies AG
Original Assignee
Singulus Technologies AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention is directed to a method and a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts.
  • Crystalline silicon solar cells with so-called “passivated contacts” require the formation of a highly doped polycrystalline silicon layer on a thin oxide layer (the so-called “tunnel oxide layer”) on at least one side of the solar cell.
  • the silicon layer can be deposited in an amorphous state.
  • the amorphous silicon can be converted into the polycrystalline state by a subsequent tempering process.
  • a high level of doping of this silicon layer with an element from the 3rd main group (p-type) or the 5th main group (n-type) is necessary for the functionality of the solar cell.
  • the aim for some cell concepts is also to dop the area of the silicon base material directly under the tunnel oxide layer through stronger diffusion.
  • the so-called front or rear field achieved in this way additionally reduces the recombination of charge carriers at the silicon tunnel oxide interface.
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • WO 2018/102852 A1 describes a method for the production of silicon solar cells in which a doped, amorphous silicon layer is deposited on the oxide-covered silicon substrate using cathode atomization (so-called "sputtering"), which is then converted into the desired polycrystalline silicon in a tempering process is converted.
  • a-Si: H intrinsic amorphous silicon film
  • a-Si: H intrinsic amorphous silicon film
  • sputtering with doped silicon targets, this layer being used in particular for heterojunction solar cells (see, for example, X. Zhang et al., Characterization of Sputtering Deposited Amorphous Silicon Films for Silicon Heterojunction Solar Cells, 2016 IEEE 43rd Photovoltaic Specialists Conference, Portland, OR, 2016, pages 73-76). If the amorphous silicon layer is deposited in this way by sputtering, then the dopant concentration of the layer depends on the dopant concentration of the target material.
  • Silicon as the target material is usually produced by melt metallurgy and, due to the segregation during crystallization from the melt, allows only a limited dopant concentration of a maximum of 5 x 10 20 cm 3 in the case of boron or a maximum of 5 x 10 19 cm 3 in the case of phosphorus .
  • sputtered layers can be achieved, for example, by co-sputtering silicon and a dopant, as is described, for example, in WO 2018/102852 A1.
  • silicon can also be sputtered in an atmosphere containing the dopant as a gas (so-called reactive sputtering).
  • reactive sputtering both variants are not ideal for industrial use, especially for n-doping (phosphorus), because on the one hand there is no highly doped material for co-sputtering phosphorus and on the other hand P- or B-containing gases (monophosphane, diborane) for a reactive process are highly toxic.
  • This object is achieved by a method according to claim 1 or by a system according to claim 21.
  • the present invention is directed to a method for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts, in which first a silicon wafer with a tunnel oxide layer is provided.
  • the tunnel oxide layer is then coated with at least one first layer made of amorphous silicon.
  • This coating is preferably carried out by means of cathode sputtering.
  • This first layer of amorphous silicon is then coated with at least one second layer which has a dopant.
  • the second layer is also preferably applied by means of cathode sputtering.
  • the coated silicon wafer or layer stack is then tempered at a temperature of at least 700 ° C.
  • the method according to the invention enables the desired high doping via the additional application of a layer which contains the dopant in sufficient concentration.
  • the highly concentrated dopant can diffuse from the dopant layer into the first layer of amorphous silicon and / or the underlying interface area of the silicon base material below the tunnel oxide layer. A sufficiently high p or n conductivity is generated there in both areas.
  • the method according to the invention has the following advantages:
  • the invention makes it possible, with the aid of the easily controllable and industrially widespread sputtering process, to apply a layer system that is individually adapted to the cell properties and contains a sufficient amount of dopant.
  • a subsequent tempering step both the amorphously deposited silicon layer can be converted into the desired polycrystalline state and the dopant profile in the Silicon layer and in the silicon substrate below the oxide layer can be adjusted without additional processing steps being required.
  • the silicon wafer with the tunnel oxide layer can be provided in the usual way.
  • the provision of a silicon wafer with a tunnel oxide layer can include the wet-chemical production of the tunnel oxide layer or its production by means of a plasma process on the silicon wafer.
  • the tunnel oxide layer preferably has an Si0 2 layer or consists of an Si0 2 layer.
  • a region of the silicon wafer close to the surface is preferably oxidized by the wet chemical process or the plasma process, which leads to the formation of the tunnel oxide layer from S1O2.
  • the thickness of the tunnel oxide layer is preferably 0.5 nm to 10 nm and more preferably 1.0 nm to 2.0 nm.
  • the same wet-chemical system can also be used to clean the surface of the silicon wafer before production wet chemical cleaning of the tunnel oxide layer. If a plasma process is used, this step can be integrated into the sputtering system.
  • the first layer of amorphous silicon preferably consists of intrinsic silicon and / or doped silicon, the dopant concentration in the first layer should be smaller than that of the second layer in order to effect diffusion of the dopant with the help of the gradient achieved thereby.
  • the intrinsic silicon and / or doped silicon can be applied to the tunnel oxide layer in a known manner by means of cathode sputtering.
  • the layer thickness is preferably between 1 nm and 100 nm.
  • the first layer requires a high degree of purity, and the concentration of foreign atoms in the first layer should therefore be significantly smaller than the dopant concentration in the second layer.
  • the second layer having a dopant preferably has one or a combination of the following materials: silicon or silicon oxide doped with an element from the 3rd or 5th main group or mixed in a higher concentration, preferably phosphorosilicate glass or borosilicate glass, an element from the 3rd or 5th main group 5.
  • Main group as a pure substance or in the form of an oxide.
  • the proportion of the element from main group 3 or 5 is preferably at least 0.5 mol%, more preferably at least 1 mol%, even more preferably at least 5 mol% and particularly preferably at least 10 mol% of the total second Layer.
  • the second layer does not have to be made homogeneous perpendicular to the surface, but can also, for example have a concentration gradient of the dopant.
  • the second layer can also consist of two or more sub-layers which, for example, have more or less (or no) dopant.
  • the thickness of the second layer is preferably between 10 nm and 1 gm, more preferably between 50 nm and 200 nm.
  • a heavily p- or n-doped silicon-containing layer can be deposited as a dopant source, which in turn is applied to a silicon substrate covered with an oxide layer.
  • the doped layer can consist of one or more undoped and one or more highly doped individual layers. All silicon layers can be deposited by cathode sputtering. In a subsequent tempering process, sufficient dopant can thus be diffused into an undoped silicon layer and also into the base material below the oxide layer. In this way, passivated contacts for crystalline silicon solar cells with a high dopant content or high charge carrier selectivity can be produced.
  • the additional dopant layer is, for example, in the form of a pure substance (for example boron), a dopant oxide (for example boron oxide), a doped silicon (for example Si: B or Si: P) or a doped silicon oxide (for example doped quartz, boron glass or Phosphor glass) applied.
  • the lightly or undoped (intrinsic) silicon-based layer can be arranged both above and below the highly doped layer.
  • the first and second layers can also be interchanged according to the invention.
  • a multiple stack can also be produced from first and second layers.
  • silicon or silicon oxide doped with an element from main group 3 or 5 are particularly preferred materials for the second layer.
  • Phosphosilicate glass or borosilicate glass are particularly suitable for this, since these glasses can contain the dopants in concentrations of up to 40%.
  • targets can be produced by melting, sintering or spraying.
  • the phosphorus or borosilicate glass layer can, depending on whether it is deposited below or above the amorphous or polycrystalline silicon layer, in addition to its function as a dopant source, also assume other functions at the same time.
  • a highly doped glass layer can reinforce the tunnel oxide between the tunnel oxide layer and the silicon layer and thus make it temperature-stable.
  • the desired dopant profile can be tailored through the thickness, density and dopant concentration of the glass layer.
  • the doped oxide layer can also take on the additional function of a passivation layer and / or a layer to control the diffusion properties of a metal paste applied later, for example by means of screen printing, for contacting the doped second or third layer.
  • oxide, silicon and doped layers By combining oxide, silicon and doped layers, by adapting dopant concentrations and diffusion properties (thickness and density of the layers), it is possible to achieve not only a highly doped polycrystalline layer in just one subsequent thermal process step, but also a desired dopant profile independently is set above or below the tunnel oxide. In this way, a passivated contact with an adjustable dopant profile can be produced in just three process steps. In the ideal case, this thermal process step can also be used at the same time to contact the doped Si layers (second or third layer) by means of metal paste.
  • the first layer and the second layer are preferably applied in the same cathode sputtering system, which makes the production process particularly simple and inexpensive.
  • the tunnel oxide is also deposited in the same system with the help of a plasma process.
  • the tempering preferably causes - in addition to the generation of a highly doped silicon layer by diffusion of the dopant and the electronic activation of the dopant in the silicon crystal lattice - that the first layer of amorphous silicon is converted into a doped polycrystalline silicon layer, and optionally that in the Silicon wafer, a silicon layer doped with the dopant of the second layer is formed directly below the tunnel oxide layer, over which the dopant concentration preferably drops by at least two orders of magnitude compared to the polycrystalline silicon layer, ie the dopant concentration at the lower end of the doped silicon layer (into the silicon wafer) is preferably a maximum of 1% of the dopant concentration of the polycrystalline silicon layer.
  • This dopant gradient is preferably formed below the tunnel oxide in a region which extends from the tunnel oxide layer to a maximum of 50 nm below the tunnel oxide layer, preferably to a maximum of 30 nm below the tunnel oxide layer.
  • the size of this area and the drop in the dopant concentration are set via the temperature and time of the annealing. Too much doping through thermal diffusion increases the number of defects, too little doping increases the recombination at the interface of the tunnel oxide.
  • the electrically active dopant concentration in the doped polycrystalline silicon layer and / or in the area of the doped silicon layer near the tunnel oxide is then at least 1 ⁇ 10 20 cm 3 in the case of p-doping and at least 5 ⁇ 10 19 cm 3 in the case of n-doping.
  • the method according to the invention can have further method steps for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts or for producing such a silicon solar cell.
  • a classic diffused emitter can be created on the opposite side.
  • the method according to the invention preferably has the following steps: Coating the side of the silicon wafer opposite the tunnel oxide layer with at least one third layer, which has a dopant, by means of cathode sputtering.
  • the third layer preferably has one or a combination of the following materials: silicon or silicon oxide doped with an element from the 3rd or 5th main group, preferably phosphorus silicate glass or borosilicate glass, an element from the 3rd or 5th main group.
  • Main group as a pure substance or in the form of an oxide.
  • the second and third layers are preferably oppositely doped, so that, for example, the material of the second layer is doped with an element from the 3rd main group and the material of the third layer is doped with an element from the 5th main group, or vice versa, so that one doped layer in connection with the likewise doped silicon wafer forms a pn junction (emitter) and the other, oppositely doped layer forms a surface field for field passivation of the wafer side opposite the emitter.
  • pn junction emitter
  • the doped layers can form emitters or field passivation either directly on a wafer surface (eg as a diffused emitter) or on a tunnel oxide layer as a passivated contact.
  • the formation of a doped emitter also takes place through tempering.
  • the annealing preferably has the effect that a silicon layer doped with the dopant of the third layer is formed in the silicon wafer below the third layer.
  • the term “below” does not mean a spatial arrangement from top to bottom (which would depend on the orientation of the stack of layers). Rather, it denotes that region of the silicon wafer that directly adjoins the third layer.
  • the starting material or the silicon solar cell can also be provided with passivated contacts on both sides.
  • the silicon wafer is provided on both sides with a tunnel oxide layer and that the method further comprises: coating the two tunnel oxide layers each with at least one first layer of amorphous silicon by means of cathode sputtering and coating the two first layers with at least one second layer each, which having a dopant, by means of cathode sputtering.
  • the above-mentioned preferred features for the tunnel oxide layer, the first layer and the second layer in the present case each apply to the layers on both sides.
  • the annealing preferably brings about a simultaneous conversion of the first layers of amorphous silicon on both sides into a doped polycrystalline silicon layer and / or a simultaneous formation of a doped silicon layer in the silicon wafer below the tunnel oxide layer.
  • the second and / or third layer can preferably be coated with a hydrogen-enriched cover layer which has a nitride and / or an oxide, preferably silicon nitride enriched with hydrogen.
  • Typical layers contain 4-40 at.% Hydrogen. Through the total thermal budget of all processes, this percentage is reduced in the course of the thermal treatment by diffusion and the diffusing hydrogen is made available for the chemical passivation of crystal defects.
  • the method according to the invention can be applied to the doping of the opposite surfaces of solar cells with opposite polarity with the aid of layer systems made up of different combinations of diffusion barriers, oxides, dopant and silicon layers. So you can go through suitable layer systems on the opposite surfaces of the silicon substrate also cells with either bilateral passivated contacts of different polarity with specifically adjustable dopant profiles or with one-sided passivated contact and opposite diffused emitter. By adapting the dopant concentrations and the diffusion properties of the layer stacks, it is possible to form the desired structures both on the front side and on the rear side of the solar cell in a single tempering step.
  • the cell production process can be significantly simplified by using two or three of the process steps mentioned on both sides as well as the subsequent application of passivation layers compared to the methods commonly used today, because, on the one hand, several layer deposition processes can be combined in one machine, and on the other hand, a purely one-sided process using the sputtering process Coating is possible and therefore additional masking or cleaning steps can be dispensed with and the temperature process necessary for the formation of polycrystalline silicon layers can be carried out in a simplified manner without toxic dopants.
  • WO 2018/102852 A1 also enables the production of a correspondingly doped layer in a single production step, but is disadvantageous for the reasons described above.
  • the method according to the invention allows much better control and adjustment of the dopant concentration and in particular a dopant gradient than is possible by means of co-sputtering.
  • WO 2018/102852 A1 also mentions the possibility of pulsed deposition, in which the deposition of the dopant is interrupted. However, this is only possible with a static coating, which is not feasible in the context of industrial mass production.
  • the method of the present invention allows coating in a continuous process, in which the silicon wafers to be coated are moved at a, preferably constant, speed relative to the sputtering cathodes (or vice versa).
  • This relative movement is preferably a linear movement of the wafers.
  • other forms of movement for example rotation or movements along curved paths, are also possible.
  • Coating with the first and second layers takes place in such a continuous process by means of separate, spaced-apart sputter cathodes amorphous silicon is applied and then (at a second position of the wafer in the system) the dopant is applied.
  • the two layers are applied in separate process steps, locally separated from one another, which on the one hand allows continuous production in a continuous process and on the other hand allows better control of each individual process step. It is therefore preferred that the silicon wafer is moved during the two coatings with the first and second layers and between the two coatings, preferably at a constant speed. This speed can be, for example, between 1 and 3 m / min.
  • a continuous train is preferably formed from several substrate carriers (so-called “carriers”), preferably in part of the process space.
  • This train of essentially directly adjoining substrate carriers on which the wafers are stored is passed at a constant speed under the sputtering cathodes, whereby the coating can be used efficiently, since no coating material is lost, for example, between subsequent wafers.
  • the train is preferably dissolved again or separated into individual substrate carriers (or substrate carrier groups), since this simplifies the discharge.
  • the present invention is also directed to a method for producing a silicon solar cell which is based on the above-described method for producing a starting material for a silicon solar cell.
  • This method for producing a silicon solar cell with passivated contacts also has the step of applying a metal contact to a rear side and applying metal contacts to a front side of the starting material. As is known to the person skilled in the art, this may require further steps such as cleaning and / or etching the surface after coating the second or third layer in order to create the conditions for applying the metal contacts.
  • the application of the metal contacts takes place as standard by means of screen printing and usually also requires a temperature or fire step.
  • transparent conductive oxides or metals applied by means of PVD can also serve as contact layers.
  • the present invention is also directed to a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts.
  • the plant has a first cathode sputtering unit which is suitable for coating a substrate with at least one first layer of amorphous silicon.
  • the system has a second cathode sputtering unit which is suitable for coating the first layer with at least one second layer which has a dopant.
  • the first and second cathode sputtering devices are integrated in a common vacuum process section of the system.
  • a tempering unit is also provided which is suitable for tempering the substrate coated with the first and second layers at a temperature of at least 700 ° C.
  • This annealing unit can be an integral part of the system according to the invention or, alternatively, be provided as a separate unit which can be connected to the rest of the system via a process section or can also be completely separated from it.
  • the first and second cathode sputtering units can be conventional cathode sputtering units.
  • the cathode sputtering units have, for example, planar or tubular magnetrons into which the sputtering targets made of suitable materials are installed and removed in the plasma during the cathode sputtering process.
  • the suitability for coating with the specific first or second layer results primarily from the respective target of the cathode sputtering unit.
  • the cathode sputtering unit is also preferably designed in such a way that the sputtering damage, that is to say the amount of defects in or under the deposited material, is low.
  • the target of the second cathode sputtering unit preferably has one or a combination of the following materials: silicon or silicon oxide doped with an element from the 3rd or 5th main group, preferably phosphosilicate glass or borosilicate glass, an element from the 3rd or 5th main group as a pure substance or in the form of an oxide.
  • the proportion of the element from main group 3 or 5 is preferably at least 0.5 mol%, more preferably at least 1 mol%, even more preferably at least 5 mol% and particularly preferably at least 10 mol%.
  • the target of the first cathode sputtering unit is preferably made of silicon, the degree of purity of the first target being significantly better than the degree of doping of the target of the second or third layer.
  • the first and second cathode sputtering devices are preferably spaced apart from one another along the process path, so that there is no line of sight between the two cathodes. This can be achieved with the help of spatial spacing and diaphragms.
  • planar sputter cathodes have a width between 8 and 20 cm in the direction of movement of the substrate and tubular sputter cathodes have an outer diameter of 8 to 20 cm.
  • At least the dark space distance ie a discharge-free space
  • a spatial distance of at least 10 cm between the cathode outer sides is therefore preferred, particularly preferably of at least 30 cm.
  • a third cathode sputtering unit can also be provided which is suitable for coating the substrate on the side opposite the first layer with at least one third layer which has a dopant.
  • the first, second and third cathode sputtering devices are preferably integrated in a common vacuum process section of the system.
  • the system preferably has a mechanism for conveying the substrates, wherein the first and second cathode sputtering units are preferably arranged on one side of the substrate conveying unit and the third cathode sputtering unit is arranged on the opposite side of the conveying unit.
  • the target of the third sputtering unit preferably has one or a combination of the following materials: silicon or silicon oxide doped with an element from the 3rd or 5th main group, preferably phosphorus silicate glass or borosilicate glass, an element from the 3rd or 5th main group as a pure substance or in the form of an oxide.
  • the materials of the second and third target are preferably doped in opposite directions.
  • the system according to the invention can also have a third cathode sputtering unit which is suitable for coating the substrate on the side opposite the first layer with at least one first layer of amorphous silicon.
  • a fourth cathode sputtering unit can be provided which is suitable for coating the first layer with at least one second layer which has a dopant.
  • the first, second and third are preferred and fourth cathode sputtering device integrated in a common vacuum process line of the system.
  • the targets of the third and fourth cathode sputtering units preferably have the above-mentioned materials of the targets of the first and second cathode sputtering units.
  • first and second cathode sputtering units are preferably arranged on a first side of the substrate conveying device and the third and fourth cathode sputtering units are arranged on the opposite side of the substrate conveying device.
  • the system preferably has a further, upstream cathode sputtering unit with which the tunnel oxide layer is applied by a silicon-containing sputtering target with the aid of oxygen-containing process gas (eg O 2 , CO 2). Because of the oxygen-containing gases, this is then preferably separated from the first and second cathode sputtering units via gas separation.
  • the system can have a plasma unit which is suitable for cleaning a silicon wafer using a plasma process and / or for providing it with a tunnel oxide layer.
  • the system can also have an upstream wet-chemical unit which is suitable for providing a silicon wafer with a tunnel oxide layer using a wet-chemical process.
  • the present invention allows the combined production of polycrystalline passivated contacts and the targeted setting of doping profiles and thus a greatly shortened process sequence for the production of cells with passivated contacts.
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • the method according to the invention is suitable for both by means of suitable layer systems Pages of the solar cells with different polarities and diffusion speeds applicable.
  • the method according to the invention makes it possible to apply both the silicon layer and an additional doping source in a single installation in two successive processes. It is thus possible to achieve one-sided doping of the applied silicon layer in a subsequent thermal step.
  • Both the silicon layer and, for example, a phosphor or borosilicate glass layer can be applied on one side by the sputtering process.
  • the dopant concentration can be set precisely.
  • Typical diffusion temperatures range from 700 ° C to 1100 ° C.
  • the choice of the interface oxide determines, for example, the temperature stability, with a smaller oxide thickness leading to a lower stability during annealing.
  • a thermally unstable, wet chemical tunnel oxide can also be stabilized by combining it with further oxide layers.
  • the setting of the doping profiles can take place on the opposite sides of the solar cell with the help of suitable layer systems of different polarity in a common annealing step.
  • Increasing the doping layer thickness or a further covering layer deposited by sputtering can support the directed diffusion of the dopant into the silicon layer or reduce diffusion out into the environment.
  • a (further) source of hydrogen can be applied in this way to passivate the interfaces.
  • the phosphorus or borosilicate glass dopant layer if it is applied as the last layer, can optionally also be used as a passivation layer.
  • All sputtering processes, both on the front and on the back of the solar cell, can take place in a single sputtering system.
  • the diffusion properties on both sides of the cell can be adjusted in such a way that a thermal profile achieves the desired dopant profiles on both sides.
  • the dopant layer can be provided above or below the silicon layer.
  • the position of the first and second layers can be interchanged.
  • the silicon wafer can be provided with a p-doped layer on one side and with an n-doped layer on the opposite side.
  • the cell can be provided with passivated contacts on both sides or else with a passivated contact on one side and with a classic diffused emitter on the other side.
  • FIG. 1 shows a cross section through a solar cell with charge carrier-selective, polycrystalline silicon contacts according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a cross section through a solar cell with charge carrier-selective, polycrystalline silicon contacts according to a further preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a cross section through a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts prior to tempering according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows the starting material according to FIG. 3 after tempering
  • FIG. 5 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts prior to tempering according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows the starting material according to FIG. 5 after tempering according to a first variant
  • FIG. 7 shows the starting material according to FIG. 5 after tempering according to a second variant
  • 8 shows the starting material for a silicon solar cell with passivated contacts prior to tempering according to a further preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 10 shows the starting material according to FIG. 8 after tempering according to a second variant
  • FIG. 11 shows the starting material according to FIG. 8 after tempering according to a third variant
  • FIG. 13 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 16 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 17 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention.
  • 19 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention
  • 20 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 21 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 shows a schematic illustration of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 24 shows a schematic illustration of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention
  • 25 shows a schematic illustration of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention
  • 26 shows a schematic illustration of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 27 shows a schematic illustration of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention
  • 28 shows a schematic illustration of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention
  • 29 shows a schematic representation of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 30 shows a schematic representation of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 and 2 show cross-sections through silicon solar cells with passivated contacts analogous to those according to FIG. 1 of WO 2018/102852 A1.
  • a p-doped silicon wafer 5a is provided with an n + diffusion layer 8a and a SiN x layer 9. The latter penetrate the metal contacts 21 on the front.
  • a SiO x tunnel oxide layer 6 On the back of the wafer 5a there is a SiO x tunnel oxide layer 6 and a p + -doped polycrystalline silicon layer 101a on which the metal contact 20 of the back is attached.
  • FIG. 2 shows an analog cell with an n-doped silicon wafer 5b, a p + - diffusion layer 8b and an n + -doped polycrystalline silicon layer 101b.
  • a silicon wafer 5 (cf. FIG. 3) with a tunnel oxide layer 6 is provided for this purpose and the tunnel oxide layer 6 is coated with at least one first layer 1 made of amorphous silicon by means of cathode sputtering.
  • the first layer 1 is then coated with at least one second layer 2, which has a dopant, by means of cathode sputtering.
  • the tunnel oxide layer 6 preferably consists of S1O2 and preferably has a thickness between 0.5 nm and 10 nm.
  • the first layer 1 made of amorphous silicon preferably consists of intrinsic silicon and / or doped silicon and preferably has a thickness between 1 and 100 nm.
  • the second layer 2 preferably has one or a combination of the following materials: with an element from the third or 5.
  • the coated silicon wafer 5 (including the layers 1, 2 and 6 and optionally further layers) is tempered at a temperature of at least 700 ° C.
  • This tempering step preferably causes diffusion of the dopant contained in the second layer 2 into the adjoining first layer 1 of amorphous silicon and optionally through the tunnel oxide layer 6 into the region of the silicon wafer 5 directly adjacent to the tunnel oxide layer 6 that the first layer 1 of amorphous silicon is converted into a doped polycrystalline silicon layer 101 (cf. FIG. 4) and that optionally a silicon layer 7 doped with the dopant of the second layer 2 is formed in the silicon wafer 5 below the tunnel oxide layer 6.
  • FIG. 4 An example of the result of such a tempering step, in which a silicon layer 7 doped with the dopant of the second layer 2 is also formed in the silicon wafer 5 below the tunnel oxide layer 6, is shown schematically in FIG. 4.
  • the dopant concentration in the doped polycrystalline silicon layer 101 is preferably at least 1 ⁇ 10 20 cm 3 in the case of p-doping and at least 5 ⁇ 10 19 cm 3 in the case of n-doping.
  • the second layer 2 (see. Fig. 3) is provided with the reference numeral 102 after the tempering (see. Fig. 4), since its dopant concentration due to the diffusion of the dopant into the layers 101 and 7 compared to their state before the tempering can be reduced.
  • the thicknesses of layers 6, 101 and 102 after tempering correspond essentially to the thicknesses of layers 6, 1 and 2 before tempering.
  • the silicon layer 7 doped with the dopant of the second layer 2 preferably has a thickness between 50 and 200 nm.
  • the side of the silicon wafer 5 opposite the tunnel oxide layer 6 can furthermore be coated with at least one third layer 3 which has a dopant.
  • This coating with the third layer 3 also preferably takes place before the tempering step described above.
  • the result of the coating can be seen schematically in FIG. 5.
  • the third layer 3 can have one or a combination of the following materials: silicon or silicon oxide doped with an element from the 3rd or 5th main group, preferably phosphorus silicate glass or borosilicate glass, an element from the 3rd or 5th main group 5.
  • Main group as a pure substance or in the form of an oxide, the second layer 2 and the third layer 3 preferably being doped in opposite directions. Analogously to FIGS. 1 and 2, this leads to corresponding n- and p-doped layers.
  • the annealing of the layer sequence according to FIG. 5 can lead to a starting material according to FIG. 6 or to an alternative starting material according to FIG. 7.
  • the annealing has the effect that a silicon layer 8 doped with the dopant of the third layer 3 is formed in the silicon wafer 5 below the third layer 3, 103.
  • the annealing leads to the fact that the first layer 1 made of amorphous silicon is converted into a doped polycrystalline silicon layer 101.
  • the annealing can additionally cause a silicon layer doped with the dopant of the second layer 2 in the silicon wafer 5 below the tunnel oxide layer 6 7 is formed.
  • the latter alternative is shown in FIG.
  • the layer sequence according to FIGS. 5 to 7 can be used, for example, as a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts on the one hand and a classic diffused emitter on the other.
  • the method according to the invention can also be used to produce a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts on both sides.
  • a silicon wafer 5 is preferably provided with corresponding tunnel oxide layers 6 on both sides (cf. FIG. 8).
  • both tunnel oxide layers 6 are each coated with at least one first layer 1 made of amorphous silicon and the two first layers 1 are each coated with at least one second layer 2, which has a dopant.
  • the result of these coating processes can be seen schematically in FIG. 8.
  • This stack of layers is then tempered at a temperature of at least 700 ° C., which, analogously to the explanations above, has the effect that the first layers 1 made of amorphous silicon are converted into doped polycrystalline silicon layers 101 on both sides. This conversion takes place essentially simultaneously in the course of a common tempering step.
  • the second layer 2 and / or the third layer 3 is coated with a hydrogen-enriched cover layer 9 which has a nitride and / or an oxide, preferably silicon nitride enriched with hydrogen.
  • a hydrogen-enriched cover layer 9 which has a nitride and / or an oxide, preferably silicon nitride enriched with hydrogen.
  • FIGS. 12 to 22 the preferred embodiments of the starting material according to the invention already discussed above are shown schematically, each with one or two such cover layers 9. 12 to 22 each show the starting material after the tempering step, so that the cover layer 9 is in each case on the second layer 102 or the third layer 103 after the tempering.
  • FIGS. 23 to 30 preferred embodiments of the system according to the invention for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts are shown schematically.
  • a system has a first cathode sputtering unit 11 which is suitable for coating at least one substrate 10 with at least one first layer of amorphous silicon.
  • the system has a second cathode sputtering unit 12 which is suitable for coating the first layer with at least one second layer which has a dopant.
  • the first cathode sputtering device 11 and the second cathode sputtering device 12 are integrated in a common vacuum process section of the system, which is intended to be symbolized by the double arrow.
  • a tempering unit 15 can be provided (cf. FIG. 24) which is suitable for tempering the substrate coated with the first and second layers at a temperature of at least 700 ° C.
  • the annealing unit 15 can be integrated into the same vacuum process path, as is shown schematically in FIG. 24, or it can represent a separate module (cf. FIG. 25).
  • the system can also have an upstream wet-chemical unit 16 (cf. FIG. 26), which is suitable for providing a silicon wafer with a tunnel oxide layer using a wet-chemical process.
  • This wet chemical unit 16 can be a separate module, which is connected to the vacuum process line according to FIG. 27 via a process section, or it forms a completely separate unit.
  • a plasma unit 17 can be provided (cf. FIG. 28) which is suitable for providing a silicon wafer with a tunnel oxide layer by means of a plasma process.
  • the plasma unit 17 can be integrated together with the first cathode sputtering device 11 and the second cathode sputtering device 12 in a common vacuum process section of the system, which is also to be symbolized in FIG. 28 by the double arrow.
  • the plasma unit 17 can also form a separate module.
  • the system can have a third cathode sputtering unit 13 which is suitable for coating the substrate on the side opposite the first layer with at least one third layer which has a dopant.
  • the first cathode sputtering device 11, the second cathode sputtering device 12 and the third cathode sputtering device 13 are preferably integrated in a common vacuum process section of the system, as is sketched in FIG. 29.
  • the system can have a third cathode sputtering unit 13, which is suitable for coating the substrate on the opposite side of the first layer with at least one first layer of amorphous silicon, as well as a fourth cathode sputtering unit 14, which is suitable for coating the first layer with at least a second layer comprising a dopant to coat.
  • the first sputtering device 11 is the second
  • Cathode sputtering device 12 the third cathode sputtering device 13 and the fourth cathode sputtering device 14 preferably integrated in a common vacuum process section of the system, which is again symbolically represented here by the double arrow.
  • the starting point was a silicon wafer with the following properties: p-type monocrystalline wafer material with a typical conductivity of 10 ohm * cm.
  • p-type monocrystalline wafer material with a typical conductivity of 10 ohm * cm.
  • acidic or alkaline media e.g. KOH / H2O2
  • at least the front side of the wafer was wet-chemically alkaline textured (e.g. using KOH and an additive, e.g. CellTex). Thereafter, a tunnel oxide approximately 1.4 nm thick was produced on one side of the back of the wafer in a bath with an ozone-containing solution at an elevated temperature.
  • the tunnel oxide layer of the silicon wafer was then coated with a first layer of amorphous silicon.
  • a horizontal sputtering system of the GENERIS type from SINGULUS TECHNOLOGIES AG was used for this, in which up to 64 wafers per substrate carrier are transported at a constant linear speed of approx. 1 to 3 m / min through the evacuated process area, which is one or more linear Has coating sources, for example, with planar or cylindrical magnetrons.
  • Typical process conditions were: sputtering pressure / gas: 8 ⁇ 10 3 mbar / argon, wafer temperature: 200 ° C., sputtering targets: planar Si sputtering targets with a purity of 5N, electrical excitation: DC with a power density of 3W / cm 2 .
  • the first layer of amorphous silicon formed in this way has a thickness of 20 nm.
  • a second layer with a layer thickness of 100 nm was then applied to the first layer in the same sputtering system.
  • the sputter target was a planar phosphosilicate glass with a phosphorus doping of> 1%.
  • the electrical activation and diffusion of the doping and, at the same time, the conversion of the amorphous into a polycrystalline silicon layer took place in an oven under N2 protective gas at 800 ° C - 850 ° C for ⁇ 30 min.
  • the front side was then optionally re-cleaned (HF dip), then coated with approx. 10 nm AlOx and then both sides, the front side and the annealed layer on the back, each covered with an 80 nm thick SiN: H layer.
  • These coatings were carried out according to the usual PERC solar cell recipes at a substrate temperature of approx. 400 ° C in a PECVD system, also of the GENERIS type from SINGULUS TECHNOLOGIES AG.
  • the A10x + SiN: H layer system is applied on the back, here on the textured front. For this, adjustments had to be made in the layer thickness and in the gas ratio SiH4: NH3 for SiN: H and TMAL + Ar + N 2 0 for AlOx.
  • the plasma sources used for this CVD process were driven inductively at 13.56 MHz and arranged linearly.
  • the present invention enables production in the context of a continuous process, for example with the aid of the above-mentioned GENERIS type sputtering system from SINGULUS TECHNOLOGIES AG.
  • the wafers are located on a substrate carrier ("carrier”) in pockets, typically 30 to 80 wafers per carrier, depending on the size of the wafer (typical square wafer sizes: M0-G12 (156 mm - 210 mm), typical round wafer sizes: 1 "- 300 mm).
  • substrate carriers are usually loaded in air (dust-free housing) with low-contact / non-contact grippers.
  • the wafers are then cleaned by excited gas in the plasma (DC glow or HF bias indirectly at the chamber or atom / ion sources directed at the wafer).
  • excited gas in the plasma DC glow or HF bias indirectly at the chamber or atom / ion sources directed at the wafer.
  • a continuous train is then formed from several substrate carriers, as already explained above. This train formation takes place in the so-called extension chamber (which is part of the process space). This train of essentially directly adjoining substrate carriers on which the wafers are stored is guided at a constant speed under the sputtering cathodes, whereby the coating can be used efficiently since no coating material is lost, for example, between subsequent wafers.
  • the cathodes used in sputtering can have planar or tubular targets as sputtering targets.
  • the following parameters are preferably used for sputtering:
  • Coating width > 600 mm, better> 1,000 mm
  • Planar target > 3 W / cm 2 , preferably> 5 W / cm 2
  • Pipe target > 6 kW / m, preferably> 10 kW / m
  • Base pressure process ⁇ 5xl0 5 mbar, better ⁇ 10 6 mbar
  • Heated process area heaters enable substrate temperatures of at least 200 ° C, better of> 400 ° C
  • the coating sequence if the tunnel oxide layer is also applied by means of sputtering (top and / or bottom of the wafer):
  • Sputter source (s) for the deposition of the tunnel oxide e.g. S1O2
  • Sputter source (s) for the deposition of the intrinsic material e.g. a-Si: H
  • Sputter source (s) for the deposition of the highly doped material e.g. a-Si: P
  • the tunnel oxide is preferably first applied above and below, then gas separation takes place, then the other layers are applied above and below.
  • the carriers are fed in a continuous train in the throughfeed system. After coating with the layers according to the invention, the train is dissolved again or separated into individual substrate carriers (or substrate carrier groups), since this simplifies the discharge.
  • the outward transfer then takes place analogously or inversely to the inward transfer, the unloading either before or after the return transport of the carrier.

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Abstract

The present invention relates to a method and to a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts.

Description

Verfahren und Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten Method and system for the production of a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren sowie auf eine Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten. The present invention is directed to a method and a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts.
Kristalline Siliziumsolarzellen mit sogenannten „passivierten Kontakten“ erfordern die Ausbildung einer hochdotierten polykristallinen Siliziumschicht auf einer dünnen Oxidschicht (der sogenannten „Tunneloxidschicht“) auf mindestens einer Seite der Solarzelle. Die Abscheidung der Siliziumschicht kann in amorphem Zustand erfolgen. Durch einen anschließenden Temperprozess kann das amorphe Silizium in den polykristallinen Zustand umgewandelt werden. Für die Funktionalität der Solarzelle ist eine hohe Dotierung dieser Siliziumschicht mit einem Element aus der 3. Hauptgruppe (p-Typ) oder der 5. Hauptgruppe (n-Typ) notwendig. Darüber hinaus wird für manche Zellkonzepte angestrebt, durch stärkere Diffusion auch den direkt unter der Tunneloxidschicht liegenden Bereich des Siliziumbasismaterials zu dotieren. Das hierdurch erzielte sogenannte Front- bzw. Rückseitenfeld reduziert zusätzlich die Rekombination von Ladungsträgern an der Silizium- Tunneloxid-Grenzfläche. Crystalline silicon solar cells with so-called “passivated contacts” require the formation of a highly doped polycrystalline silicon layer on a thin oxide layer (the so-called “tunnel oxide layer”) on at least one side of the solar cell. The silicon layer can be deposited in an amorphous state. The amorphous silicon can be converted into the polycrystalline state by a subsequent tempering process. A high level of doping of this silicon layer with an element from the 3rd main group (p-type) or the 5th main group (n-type) is necessary for the functionality of the solar cell. In addition, the aim for some cell concepts is also to dop the area of the silicon base material directly under the tunnel oxide layer through stronger diffusion. The so-called front or rear field achieved in this way additionally reduces the recombination of charge carriers at the silicon tunnel oxide interface.
Bisher war es zur Erzeugung hochdotierter passivierter Kontakte erforderlich, die dotierte Siliziumschicht zum Beispiel mittels LPCVD (engl.: low pressure Chemical vapour deposition) abzuscheiden. Da LPCVD nicht erlaubt, Substrate ausschließlich auf einer Seite zu beschichten, wird damit im Allgemeinen auch die gegenüberliegende Seite der Solarzelle mit der falschen Polarität dotiert. Dies ist unerwünscht und muss entweder von vornherein durch das Aufbringen einer Schutzmaske unterbunden werden, oder die Dotierung auf der Vorderseite muss nachträglich wieder entfernt werden. Durch das gezielte, einseitige Aufbringen der ersten und zweiten Schicht mithilfe des einseitig anwendbaren Sputterverfahrens und durch das gezielte Einstellen der Konzentration der Dotierstoffquelle und der Diffusionseigenschaften von Diffusionsbarrieren kann das Problem der zu niedrigen Dotierung und das Problem des während des thermischen Schrittes nicht unabhängig einstellbaren Dotierprofils gelöst werden. In der WO 2018/102852 Al wird ein Verfahren für die Herstellung von Siliziumsolarzellen beschrieben, in dem eine dotierte, amorphe Siliziumschicht mithilfe der Kathodenzerstäubung (sogenanntes „Sputtering“) auf dem oxidbedeckten Siliziumsubstrat abgeschieden wird, die anschließend in einem Temperprozess in das gewünschte polykristalline Silizium umgewandelt wird. Up to now, in order to produce highly doped passivated contacts, it was necessary to deposit the doped silicon layer, for example by means of LPCVD (low pressure chemical vapor deposition). Since LPCVD does not allow substrates to be coated exclusively on one side, the opposite side of the solar cell is generally doped with the wrong polarity. This is undesirable and either has to be prevented from the outset by applying a protective mask, or the doping on the front side has to be removed again afterwards. The problem of too low doping and the problem of the doping profile that cannot be set independently during the thermal step can be solved through the targeted, one-sided application of the first and second layers with the aid of the one-sided applicable sputtering process and through the targeted setting of the concentration of the dopant source and the diffusion properties of diffusion barriers will. WO 2018/102852 A1 describes a method for the production of silicon solar cells in which a doped, amorphous silicon layer is deposited on the oxide-covered silicon substrate using cathode atomization (so-called "sputtering"), which is then converted into the desired polycrystalline silicon in a tempering process is converted.
Die Dotierung eines intrinsischen amorphen Siliziumfilms (a-Si:H) ist bekannt und kann beispielsweise durch Sputtern mit dotierten Silizium-Targets realisiert werden, wobei diese Schicht insbesondere für Heterojunction-Solarzellen Anwendung findet (vgl. beispielsweise X. Zhang et al., Characterization of Sputtering Deposited Amorphous Silicon Films for Silicon Heterojunction Solar Cells, 2016 IEEE 43rd Photovoltaic Specialists Conference, Portland, OR, 2016, Seiten 73-76). Wird die amorphe Siliziumschicht so durch Sputtern abgeschieden, dann ist die Dotierstoffkonzentration der Schicht von der Dotierstoffkonzentration des Targetmaterials abhängig. Silizium als Targetmaterial wird in der Regel schmelzmetallurgisch hergestellt und erlaubt durch die Segregation bei der Kristallisation aus der Schmelze nur eine begrenzte Dotierstoffkonzentration von maximal 5 x IO20 cm3 im Fall von Bor bzw. von maximal 5 x 1019 cm3 im Fall von Phosphor. The doping of an intrinsic amorphous silicon film (a-Si: H) is known and can be implemented, for example, by sputtering with doped silicon targets, this layer being used in particular for heterojunction solar cells (see, for example, X. Zhang et al., Characterization of Sputtering Deposited Amorphous Silicon Films for Silicon Heterojunction Solar Cells, 2016 IEEE 43rd Photovoltaic Specialists Conference, Portland, OR, 2016, pages 73-76). If the amorphous silicon layer is deposited in this way by sputtering, then the dopant concentration of the layer depends on the dopant concentration of the target material. Silicon as the target material is usually produced by melt metallurgy and, due to the segregation during crystallization from the melt, allows only a limited dopant concentration of a maximum of 5 x 10 20 cm 3 in the case of boron or a maximum of 5 x 10 19 cm 3 in the case of phosphorus .
Höhere Dotierstoffkonzentrationen in Sputterschichten können zum Beispiel durch Co- Sputtem von Silizium und einem Dotierstoff erreicht werden, wie dies beispielsweise in der WO 2018/102852 Al beschrieben ist. Alternativ lässt sich Silizium auch in einer den Dotierstof als Gas enthaltenen Atmosphäre sputtem (sogenanntes reaktives Sputtern). Beide Varianten sind aber für eine industrielle Anwendung insbesondere für n-Dotierung (Phosphor) nicht ideal, da zum einen ein hochdotiertes Material zum Co-Sputtem von Phosphor fehlt und zum anderen P- oder B-haltige Gase (Monophosphan, Diboran) für einen Reaktivprozess hochtoxisch sind. Higher dopant concentrations in sputtered layers can be achieved, for example, by co-sputtering silicon and a dopant, as is described, for example, in WO 2018/102852 A1. Alternatively, silicon can also be sputtered in an atmosphere containing the dopant as a gas (so-called reactive sputtering). However, both variants are not ideal for industrial use, especially for n-doping (phosphorus), because on the one hand there is no highly doped material for co-sputtering phosphorus and on the other hand P- or B-containing gases (monophosphane, diborane) for a reactive process are highly toxic.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten bereitzustellen, mit dem bzw. mit der die notwendige Ausgangskonzentration des Dotierstoffs auf effiziente und für eine industrielle Anwendung geeignete Art und Weise erzielt werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch eine Anlage gemäß Anspruch 21 gelöst. It is therefore an object of the present invention to provide a method and a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts, with which the necessary starting concentration of the dopant can be achieved in an efficient manner suitable for industrial use can. This object is achieved by a method according to claim 1 or by a system according to claim 21.
Dementsprechend richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten, bei welchem zunächst ein Siliziumwafer mit einer Tunneloxidschicht bereitgestellt wird. Anschließend wird die Tunneloxidschicht mit mindestens einer ersten Schicht aus amorphem Silizium beschichtet. Diese Beschichtung erfolgt bevorzugt mittels Kathodenzerstäubung. Anschließend wird diese erste Schicht aus amorphem Silizium mit mindestens einer zweiten Schicht beschichtet, die einen Dotierstoff aufweist. Auch das Aufbringen der zweiten Schicht erfolgt bevorzugt mittels Kathodenzerstäubung. Der beschichtete Siliziumwafer bzw. Schichtenstapel wird dann bei einer Temperatur von mindestens 700 °C getempert. Accordingly, the present invention is directed to a method for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts, in which first a silicon wafer with a tunnel oxide layer is provided. The tunnel oxide layer is then coated with at least one first layer made of amorphous silicon. This coating is preferably carried out by means of cathode sputtering. This first layer of amorphous silicon is then coated with at least one second layer which has a dopant. The second layer is also preferably applied by means of cathode sputtering. The coated silicon wafer or layer stack is then tempered at a temperature of at least 700 ° C.
Mit anderen Worten ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die gewünschte hohe Dotierung über das zusätzliche Aufbringen einer Schicht, die den Dotierstoff in ausreichender Konzentration enthält. Bei dem späteren thermischen Schritt, der zur Rekristallisation der amorphen Siliziumschicht eingesetzt werden muss, kann der hoch konzentrierte Dotierstoff aus der Dotierstoffschicht in die erste Schicht aus amorphem Silizium und/oder den darunterliegenden Grenzflächenbereich des Siliziumbasismaterials unterhalb der Tunneloxidschicht eindiffundieren. So wird dort in beiden Bereichen eine hinreichend hohe p- bzw. n-Leitfähigkeit erzeugt. In other words, the method according to the invention enables the desired high doping via the additional application of a layer which contains the dopant in sufficient concentration. In the later thermal step, which must be used to recrystallize the amorphous silicon layer, the highly concentrated dopant can diffuse from the dopant layer into the first layer of amorphous silicon and / or the underlying interface area of the silicon base material below the tunnel oxide layer. A sufficiently high p or n conductivity is generated there in both areas.
Gegenüber der im Stand der Technik üblichen Nachdotierung (beispielsweise mit POCI3) hat das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Vorteile: Compared to the post-doping customary in the prior art (for example with POCI 3 ), the method according to the invention has the following advantages:
- keine giftigen Prozessgase - no toxic process gases
- Verwendung eines einfachen Ofens möglich einseitiger Prozess - Use of a simple oven possible one-way process
- Schichtabscheidung, Dotierung und optional Tempern in einer Anlage - Layer deposition, doping and optionally tempering in one system
So wird es durch die Erfindung möglich, mithilfe des gut kontrollierbaren und industriell verbreiteten Sputterverfahrens ein individuell an die Zelleigenschaften angepasstes Schichtsystem aufzubringen, das hinreichend viel Dotierstoff enthält. Damit kann in einem folgenden Temperschritt sowohl die amorph abgeschiedene Siliziumschicht in den gewünschten polykristallinen Zustand überführt werden als auch das Dotierstoffprofil in der Siliziumschicht und im Siliziumsubstrat unterhalb der Oxidschicht angepasst werden, ohne dass zusätzliche Bearbeitungsschritte erforderlich wären. The invention makes it possible, with the aid of the easily controllable and industrially widespread sputtering process, to apply a layer system that is individually adapted to the cell properties and contains a sufficient amount of dopant. In a subsequent tempering step, both the amorphously deposited silicon layer can be converted into the desired polycrystalline state and the dopant profile in the Silicon layer and in the silicon substrate below the oxide layer can be adjusted without additional processing steps being required.
Die Bereitstellung des Siliziumwafers mit der Tunneloxidschicht kann auf übliche Weise erfolgen. So kann das Bereitstellen eines Siliziumwafers mit einer Tunneloxidschicht die nasschemische Erzeugung der Tunneloxidschicht oder deren Erzeugung durch ein Plasmaverfahren auf dem Siliziumwafer auf weisen. Bevorzugt weist die Tunneloxidschicht eine Si02-Schicht auf oder besteht aus einer Si02-Schicht. Durch das nasschemische Verfahren oder das Plasmaverfahren wird bevorzugt ein oberflächennaher Bereich des Siliziumwafers oxidiert, was zur Ausbildung der Tunneloxidschicht aus S1O2 führt. Die Dicke der Tunneloxidschicht beträgt dabei bevorzugt 0,5 nm bis 10 nm und stärker bevorzugt 1,0 nm bis 2,0 nm. Wird die Tunneloxidschicht nasschemisch erzeugt, so kann dieselbe nasschemische Anlage auch dazu verwendet werden, die Oberfläche des Siliziumwafers vor der Erzeugung der Tunneloxidschicht nasschemisch zu reinigen. Wird ein Plasmaverfahren verwendet, so kann dieser Schritt in der Sputteranlage integriert werden. The silicon wafer with the tunnel oxide layer can be provided in the usual way. Thus, the provision of a silicon wafer with a tunnel oxide layer can include the wet-chemical production of the tunnel oxide layer or its production by means of a plasma process on the silicon wafer. The tunnel oxide layer preferably has an Si0 2 layer or consists of an Si0 2 layer. A region of the silicon wafer close to the surface is preferably oxidized by the wet chemical process or the plasma process, which leads to the formation of the tunnel oxide layer from S1O2. The thickness of the tunnel oxide layer is preferably 0.5 nm to 10 nm and more preferably 1.0 nm to 2.0 nm. If the tunnel oxide layer is produced wet-chemically, the same wet-chemical system can also be used to clean the surface of the silicon wafer before production wet chemical cleaning of the tunnel oxide layer. If a plasma process is used, this step can be integrated into the sputtering system.
Die erste Schicht aus amorphem Silizium besteht bevorzugt aus intrinsischem Silizium und/oder dotiertem Silizium, wobei die Dotierstoffkonzentration in der ersten Schicht kleiner sein sollte als diejenige der zweiten Schicht, um mit Hilfe des dadurch erzielten Gradienten eine Diffusion des Dotierstoffs zu bewirken. Das intrinsische Silizium und/oder dotierte Silizium kann in bekannter Weise mittels Kathodenzerstäubung auf der Tunneloxidschicht aufgebracht werden. Die Schichtdicke liegt bevorzugt zwischen 1 nm und 100 nm. Die erste Schicht erfordert eine hohe Reinheit, die Konzentration der Fremdatome in der ersten Schicht sollte daher deutlich kleiner sein als die Dotierstoffkonzentration in der zweiten Schicht. The first layer of amorphous silicon preferably consists of intrinsic silicon and / or doped silicon, the dopant concentration in the first layer should be smaller than that of the second layer in order to effect diffusion of the dopant with the help of the gradient achieved thereby. The intrinsic silicon and / or doped silicon can be applied to the tunnel oxide layer in a known manner by means of cathode sputtering. The layer thickness is preferably between 1 nm and 100 nm. The first layer requires a high degree of purity, and the concentration of foreign atoms in the first layer should therefore be significantly smaller than the dopant concentration in the second layer.
Die einen Dotierstoff aufweisende zweite Schicht weist bevorzugt eines oder eine Kombination der folgenden Materialien auf: mit einem Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe dotiertes oder in höherer Konzentration versetztes Silizium oder Siliziumoxid, bevorzugt Phosphorsilikatglas oder Borsilikatglas, ein Element aus der 3. oder 5. The second layer having a dopant preferably has one or a combination of the following materials: silicon or silicon oxide doped with an element from the 3rd or 5th main group or mixed in a higher concentration, preferably phosphorosilicate glass or borosilicate glass, an element from the 3rd or 5th main group 5.
Hauptgruppe als Reinstoff oder in Form eines Oxids. Bevorzugt beträgt der Anteil des Elements aus der 3. oder 5. Hauptgruppe mindestens 0,5 Mol-%, stärker bevorzugt mindestens 1 Mol-%, noch stärker bevorzugt mindestens 5 Mol-% und besonders bevorzugt mindestens 10 Mol-% an der gesamten zweiten Schicht. Dabei muss die zweite Schicht senkrecht zur Oberfläche nicht homogen ausgebildet sein, sondern kann beispielsweise auch einen Konzentrationsgradienten des Dotierstoffs aufweisen. Ferner kann die zweite Schicht auch aus zwei oder mehr Teilschichten bestehen, die beispielsweise mehr oder weniger (oder gar keinen) Dotierstoff auf weisen. Main group as a pure substance or in the form of an oxide. The proportion of the element from main group 3 or 5 is preferably at least 0.5 mol%, more preferably at least 1 mol%, even more preferably at least 5 mol% and particularly preferably at least 10 mol% of the total second Layer. The second layer does not have to be made homogeneous perpendicular to the surface, but can also, for example have a concentration gradient of the dopant. Furthermore, the second layer can also consist of two or more sub-layers which, for example, have more or less (or no) dopant.
Die Dicke der zweiten Schicht beträgt bevorzugt zwischen 10 nm und 1 gm, stärker bevorzugt zwischen 50 nm und 200 nm. The thickness of the second layer is preferably between 10 nm and 1 gm, more preferably between 50 nm and 200 nm.
Mit anderen Worten kann erfindungsgemäß mithilfe der Kathodenzerstäubung eine stark p- oder n-dotierte siliziumhaltige Schicht als Dotierstoffquelle abgeschieden werden, die wiederum auf einem mit einer Oxidschicht bedeckten Siliziumsubstrat aufgebracht ist. Die dotierte Schicht kann aus einer oder mehreren undotierten und einer oder mehreren hochdotierten Einzelschichten bestehen. Hierbei können alle Siliziumschichten durch Kathodenzerstäubung abgeschieden werden. Bei einem nachfolgenden Temperprozess kann somit hinreichend Dotierstoff in eine undotierte Siliziumschicht als auch in das Basismaterial unterhalb der Oxidschicht eindiffundiert werden. Damit können passivierte Kontakte für kristalline Siliziumsolarzellen mit hohem Dotierstoffgehalt oder hoher Ladungsträgerselektivität hergestellt werden. In other words, according to the invention, with the aid of cathode sputtering, a heavily p- or n-doped silicon-containing layer can be deposited as a dopant source, which in turn is applied to a silicon substrate covered with an oxide layer. The doped layer can consist of one or more undoped and one or more highly doped individual layers. All silicon layers can be deposited by cathode sputtering. In a subsequent tempering process, sufficient dopant can thus be diffused into an undoped silicon layer and also into the base material below the oxide layer. In this way, passivated contacts for crystalline silicon solar cells with a high dopant content or high charge carrier selectivity can be produced.
Die zusätzliche Dotierstoffschicht wird zum Beispiel in Form eines Reinstoffs (zum Beispiel Bor), eines Dotierstoffoxids (zum Beispiel Boroxid), eines dotierten Siliziums (zum Beispiel Si:B oder Si:P) oder eines dotierten Siliziumoxids (zum Beispiel dotierter Quarz, Borglas oder Phosphorglas) aufgebracht. Die gering oder nicht dotierte (intrinsische) siliziumbasierte Schicht kann sowohl oberhalb als auch unterhalb der hochdotierten Schicht angeordnet sein. Mit anderen Worten können die erste und zweite Schicht erfindungsgemäß auch vertauscht werden. Ferner kann erfindungsgemäß auch ein Mehrfachstapel aus ersten und zweiten Schichten hergestellt werden. The additional dopant layer is, for example, in the form of a pure substance (for example boron), a dopant oxide (for example boron oxide), a doped silicon (for example Si: B or Si: P) or a doped silicon oxide (for example doped quartz, boron glass or Phosphor glass) applied. The lightly or undoped (intrinsic) silicon-based layer can be arranged both above and below the highly doped layer. In other words, the first and second layers can also be interchanged according to the invention. Furthermore, according to the invention, a multiple stack can also be produced from first and second layers.
Wie bereits erwähnt, sind mit einem Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe dotiertes Silizium oder Siliziumoxid besonders bevorzugte Materialien für die zweite Schicht. Insbesondere eignen sich hierfür Phosphorsilikatglas oder Borsilikatglas, da diese Gläser die Dotierstoffe in Konzentrationen bis zu 40% enthalten können. Derartige Targets können durch Schmelzen, Sintern oder Spritzen hergestellt werden. Die Phosphor- bzw. Borsilikatglasschicht kann, je nachdem ob sie unterhalb oder oberhalb der amorphen bzw. polykristallinen Siliziumschicht abgeschieden wird, neben der Funktion als Dotierstoffquelle gleichzeitig auch andere Funktionen übernehmen. Zwischen der Tunneloxidschicht und der Siliziumschicht kann eine hochdotierte Glasschicht das Tunneloxid verstärken und damit temperaturstabil machen. Wird die Phosphor- bzw. Borsilikatglasschicht oberhalb der Siliziumschicht abgeschieden, kann durch die Dicke, die Dichte und die Dotierstoffkonzentration der Glasschicht das angestrebte Dotierstoffprofil maßgeschneidert werden. An dieser Stelle kann die dotierte Oxidschicht auch die zusätzliche Funktion einer Passivierschicht und/oder einer Schicht zur Kontrolle der Diffusionseigenschaften einer später z.B. mittels Siebdruck aufgebrachten Metallpaste zur Kontaktierung der dotierten zweiten oder dritten Schicht übernehmen. As already mentioned, silicon or silicon oxide doped with an element from main group 3 or 5 are particularly preferred materials for the second layer. Phosphosilicate glass or borosilicate glass are particularly suitable for this, since these glasses can contain the dopants in concentrations of up to 40%. Such targets can be produced by melting, sintering or spraying. The phosphorus or borosilicate glass layer can, depending on whether it is deposited below or above the amorphous or polycrystalline silicon layer, in addition to its function as a dopant source, also assume other functions at the same time. A highly doped glass layer can reinforce the tunnel oxide between the tunnel oxide layer and the silicon layer and thus make it temperature-stable. If the phosphorus or borosilicate glass layer is deposited above the silicon layer, the desired dopant profile can be tailored through the thickness, density and dopant concentration of the glass layer. At this point, the doped oxide layer can also take on the additional function of a passivation layer and / or a layer to control the diffusion properties of a metal paste applied later, for example by means of screen printing, for contacting the doped second or third layer.
Durch die Kombination von Oxid-, Silizium und dotierten Schichten kann durch Anpassen von Dotierstoffkonzentrationen und Diffusionseigenschaften (Dicke und Dichte der Schichten) erreicht werden, das in nur einem nachfolgenden thermischen Prozessschritt nicht nur eine hochdotierte polykristalline Schicht erzeugt, sondern unabhängig auch gezielt ein gewünschtes Dotierstoffprofil ober- bzw. unterhalb des Tunneloxids eingestellt wird. Damit kann ein passivierter Kontakt mit einstellbarem Dotierstoffprofil mit nur drei Prozessschritten erzeugt werden. Im Idealfall kann dieser thermische Prozessschritt gleichzeitig auch zum Kontaktieren der dotierten Si-Schichten (zweite oder dritte Schicht) mittels Metallpaste genutzt werden. By combining oxide, silicon and doped layers, by adapting dopant concentrations and diffusion properties (thickness and density of the layers), it is possible to achieve not only a highly doped polycrystalline layer in just one subsequent thermal process step, but also a desired dopant profile independently is set above or below the tunnel oxide. In this way, a passivated contact with an adjustable dopant profile can be produced in just three process steps. In the ideal case, this thermal process step can also be used at the same time to contact the doped Si layers (second or third layer) by means of metal paste.
Bevorzugt werden die erste Schicht und die zweite Schicht in derselben Kathodenzerstäubungsanlage aufgebracht, wodurch das Herstellungsverfahren besonders einfach und kostengünstig wird. Idealerweise wird das Tunneloxid mit Hilfe eines Plasmaprozesses ebenfalls in derselben Anlage abgeschieden. The first layer and the second layer are preferably applied in the same cathode sputtering system, which makes the production process particularly simple and inexpensive. Ideally, the tunnel oxide is also deposited in the same system with the help of a plasma process.
Bevorzugt bewirkt das Tempern - neben der Erzeugung einer hochdotierten Siliziumschicht durch Diffusion des Dotierstoffs und dem elektronischen Aktivieren des Dotierstoffs in das Silizium-Kristallgitter - auch, dass die erste Schicht aus amorphem Silizium in eine dotierte polykristalline Siliziumschicht umgewandelt wird, und optional, dass in dem Siliziumwafer unmittelbar unterhalb der Tunneloxidschicht eine mit dem Dotierstoff der zweiten Schicht dotierte Siliziumschicht gebildet wird, über die die Dotierstoffkonzentration im Vergleich zur polykristallinen Siliziumschicht bevorzugt um mindestens zwei Größenordnungen abfallt, d.h. die Dotierstoffkonzentration am unteren Ende der dotierten Siliziumschicht (in den Silizumwafer hinein) beträgt bevorzugt maximal 1% der Dotierstoffkonzentration der polykristallinen Siliziumschicht. Bevorzugt wird dieser Dotierstoffgradient unterhalb des Tunneloxids in einem Bereich ausgebildet, der sich von der Tunneloxidschicht bis maximal 50 nm unterhalb der Tunneloxidschicht, bevorzugt bis maximal 30 nm unterhalb der Tunneloxidschicht, erstreckt. Die Einstellung der Größe dieses Bereichs sowie des Abfalls der Dotierstoffkonzentration erfolgt über die Temperatur und Zeit des Temperns. Zu starke Dotierung durch thermische Diffusion erhöht die Anzahl an Fehlstellen, zu geringe Dotierung erhöht die Rekombination an der Grenzfläche des Tunneloxides. Anschließend beträgt die elektrisch aktive Dotierstoffkonzentration in der dotierten polykristallinen Siliziumschicht und/oder im tunneloxidnahen Bereich der dotierten Siliziumschicht im Falle einer p- Dotierung mindestens 1 x IO20 cm3 und im Falle einer n-Dotierung mindestens 5 x 1019 cm3. The tempering preferably causes - in addition to the generation of a highly doped silicon layer by diffusion of the dopant and the electronic activation of the dopant in the silicon crystal lattice - that the first layer of amorphous silicon is converted into a doped polycrystalline silicon layer, and optionally that in the Silicon wafer, a silicon layer doped with the dopant of the second layer is formed directly below the tunnel oxide layer, over which the dopant concentration preferably drops by at least two orders of magnitude compared to the polycrystalline silicon layer, ie the dopant concentration at the lower end of the doped silicon layer (into the silicon wafer) is preferably a maximum of 1% of the dopant concentration of the polycrystalline silicon layer. This dopant gradient is preferably formed below the tunnel oxide in a region which extends from the tunnel oxide layer to a maximum of 50 nm below the tunnel oxide layer, preferably to a maximum of 30 nm below the tunnel oxide layer. The size of this area and the drop in the dopant concentration are set via the temperature and time of the annealing. Too much doping through thermal diffusion increases the number of defects, too little doping increases the recombination at the interface of the tunnel oxide. The electrically active dopant concentration in the doped polycrystalline silicon layer and / or in the area of the doped silicon layer near the tunnel oxide is then at least 1 × 10 20 cm 3 in the case of p-doping and at least 5 × 10 19 cm 3 in the case of n-doping.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weitere Verfahrensschritte zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten bzw. zur Herstellung einer solchen Siliziumsolarzelle aufweisen. So kann beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite ein klassischer eindiffundierter Emitter erzeugt werden. The method according to the invention can have further method steps for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts or for producing such a silicon solar cell. For example, a classic diffused emitter can be created on the opposite side.
Dementsprechend weist das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt die folgenden Schritte auf: Beschichten der der Tunneloxidschicht gegenüberliegenden Seite des Siliziumwafers mit mindestens einer dritten Schicht, die einen Dotierstof aufweist, mittels Kathodenzerstäubung. Bevorzugt weist die dritte Schicht eines oder eine Kombination der folgenden Materialien auf: mit einem Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe dotiertes Silizium oder Siliziumoxid, bevorzugt Phosphorsilikatglas oder Borsilikatglas, ein Element aus der 3. oder 5. Accordingly, the method according to the invention preferably has the following steps: Coating the side of the silicon wafer opposite the tunnel oxide layer with at least one third layer, which has a dopant, by means of cathode sputtering. The third layer preferably has one or a combination of the following materials: silicon or silicon oxide doped with an element from the 3rd or 5th main group, preferably phosphorus silicate glass or borosilicate glass, an element from the 3rd or 5th main group.
Hauptgruppe als Reinstoff oder in Form eines Oxids. Bevorzugt sind dabei die zweite und dritte Schicht entgegengesetzt dotiert, so dass beispielsweise das Material der zweiten Schicht mit einem Element aus der 3. Hauptgruppe dotiert ist und das Material der dritten Schicht mit einem Element aus der 5. Hauptgruppe oder umgekehrt, so dass die eine dotierte Schicht in Verbindung mit dem ebenfalls dotierten Siliziumwafer einen p-n-Übergang (Emitter) ausbildet und die andere, entgegengesetzt dotierte Schicht ein Oberflächenfeld zur Feldpassivierung der dem Emitter gegenüberliegenden Waferseite ausbildet. Je nach Zellstruktur ist es mit den dotierten Schichten möglich, Emitter oder Feldpassivierung entweder direkt auf einer Waferoberfläche (z.B. als diffundierter Emitter) oder auf einer Tunneloxidschicht als passivierten Kontakt auszubilden. Die Ausbildung eines dotierten Emitters erfolgt dabei ebenfalls durch das Tempern. Mit anderen Worten bewirkt das Tempern bevorzugt, dass in dem Siliziumwafer unterhalb der dritten Schicht eine mit dem Dotierstoff der dritten Schicht dotierte Siliziumschicht gebildet wird. Mit dem Begriff „unterhalb“ wird dabei jeweils nicht eine räumliche Anordnung von oben nach unten gemeint (die von der Ausrichtung des Schichtenstapels abhängig wäre). Vielmehr wird damit derjenige Bereich des Siliziumwafers bezeichnet, der direkt an die dritte Schicht angrenzt. Main group as a pure substance or in the form of an oxide. The second and third layers are preferably oppositely doped, so that, for example, the material of the second layer is doped with an element from the 3rd main group and the material of the third layer is doped with an element from the 5th main group, or vice versa, so that one doped layer in connection with the likewise doped silicon wafer forms a pn junction (emitter) and the other, oppositely doped layer forms a surface field for field passivation of the wafer side opposite the emitter. Depending on the cell structure, it is possible with the doped layers to form emitters or field passivation either directly on a wafer surface (eg as a diffused emitter) or on a tunnel oxide layer as a passivated contact. The formation of a doped emitter also takes place through tempering. In other words, the annealing preferably has the effect that a silicon layer doped with the dopant of the third layer is formed in the silicon wafer below the third layer. The term “below” does not mean a spatial arrangement from top to bottom (which would depend on the orientation of the stack of layers). Rather, it denotes that region of the silicon wafer that directly adjoins the third layer.
Alternativ kann das Ausgangsmaterial bzw. die Siliziumsolarzelle auch beidseitig mit passivierten Kontakten versehen werden. Demnach ist es bevorzugt, dass der Siliziumwafer beidseitig mit einer Tunneloxidschicht versehen ist und dass das Verfahren ferner aufweist: Beschichten der beiden Tunneloxidschichten mit jeweils mindestens einer ersten Schicht aus amorphem Silizium mittels Kathodenzerstäubung und Beschichten der beiden ersten Schichten mit jeweils mindestens einer zweiten Schicht, die einen Dotierstoff aufweist, mittels Kathodenzerstäubung. Selbstverständlich gelten die oben genannten bevorzugten Merkmale für die Tunneloxidschicht, die erste Schicht und die zweite Schicht im vorliegenden Fall jeweils für die Schichten beider Seiten. So bewirkt beispielsweise das Tempern bevorzugt eine gleichzeitige Umwandlung der ersten Schichten aus amorphem Silizium auf beiden Seiten in jeweils eine dotierte polykristalline Siliziumschicht und/oder eine gleichzeitige Bildung einer dotierten Siliziumschicht in dem Siliziumwafer jeweils unterhalb der Tunneloxidschicht. Alternatively, the starting material or the silicon solar cell can also be provided with passivated contacts on both sides. Accordingly, it is preferred that the silicon wafer is provided on both sides with a tunnel oxide layer and that the method further comprises: coating the two tunnel oxide layers each with at least one first layer of amorphous silicon by means of cathode sputtering and coating the two first layers with at least one second layer each, which having a dopant, by means of cathode sputtering. Of course, the above-mentioned preferred features for the tunnel oxide layer, the first layer and the second layer in the present case each apply to the layers on both sides. For example, the annealing preferably brings about a simultaneous conversion of the first layers of amorphous silicon on both sides into a doped polycrystalline silicon layer and / or a simultaneous formation of a doped silicon layer in the silicon wafer below the tunnel oxide layer.
Bevorzugt können die zweite und/oder dritte Schicht mit einer mit Wasserstoff angereicherten Deckschicht beschichtet werden, die ein Nitrid und/oder ein Oxid aufweist, vorzugsweise mit Wasserstoff angereichertes Siliziumnitrid. Typische Schichten enthalten 4 -40 at.% Wasserstoff. Durch das gesamte thermische Budget aller Prozesse wird dieser Prozentsatz im Laufe der thermischen Behandlung durch Diffusion verringert und der diffundierende Wasserstoff zur chemischen Passivierung von Kristalldefekten zur Verfügung gestellt. The second and / or third layer can preferably be coated with a hydrogen-enriched cover layer which has a nitride and / or an oxide, preferably silicon nitride enriched with hydrogen. Typical layers contain 4-40 at.% Hydrogen. Through the total thermal budget of all processes, this percentage is reduced in the course of the thermal treatment by diffusion and the diffusing hydrogen is made available for the chemical passivation of crystal defects.
Wie bereits deutlich wurde, kann das erfindungsgemäße Verfahren mithilfe von Schichtsystemen aus unterschiedlichen Kombinationen von Diffusionsbarrieren, Oxiden, Dotierstoff- und Siliziumschichten auf die Dotierung der gegenüberliegenden Oberflächen von Solarzellen mit entgegengesetzter Polarität angewendet werden. Somit können durch geeignete Schichtsysteme auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Siliziumsubstrats auch Zellen mit entweder beidseitigen passivierten Kontakten unterschiedlicher Polarität mit gezielt einstellbaren Dotierstoffprofilen oder auch mit einseitigem passivierten Kontakt und gegenüberliegendem diffundierten Emitter erzeugt werden. Durch Anpassen der Dotierstoffkonzentrationen und der Diffusionseigenschaften der Schichtstapel ist es möglich, in einem einzigen Temperschritt sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite der Solarzelle die gewünschten Strukturen auszubilden. As has already become clear, the method according to the invention can be applied to the doping of the opposite surfaces of solar cells with opposite polarity with the aid of layer systems made up of different combinations of diffusion barriers, oxides, dopant and silicon layers. So you can go through suitable layer systems on the opposite surfaces of the silicon substrate also cells with either bilateral passivated contacts of different polarity with specifically adjustable dopant profiles or with one-sided passivated contact and opposite diffused emitter. By adapting the dopant concentrations and the diffusion properties of the layer stacks, it is possible to form the desired structures both on the front side and on the rear side of the solar cell in a single tempering step.
Der Zellherstellungsprozess kann durch beidseitige Anwendung von zwei oder drei der genannten Prozessschritte sowie dem nachträglichen Aufbringen von Passivierschichten im Vergleich zu den heute üblichen Verfahren deutlich vereinfacht werden, weil zum einen mehrere Schichtabscheidungsprozesse in einer Maschine kombiniert werden können, zum anderen durch das Sputterverfahren eine rein einseitige Beschichtung möglich ist und daher auf zusätzliche Maskierungs- oder Reinigungsschritte verzichtet werden kann und der zur Ausbildung von polykristallinen Siliziumschichten nötige Temperaturprozess ohne toxische Dotierstoffe vereinfacht ausgefuhrt werden kann. The cell production process can be significantly simplified by using two or three of the process steps mentioned on both sides as well as the subsequent application of passivation layers compared to the methods commonly used today, because, on the one hand, several layer deposition processes can be combined in one machine, and on the other hand, a purely one-sided process using the sputtering process Coating is possible and therefore additional masking or cleaning steps can be dispensed with and the temperature process necessary for the formation of polycrystalline silicon layers can be carried out in a simplified manner without toxic dopants.
Das in der WO 2018/102852 Al beschriebene Co-Sputtem von Silizium und Dotierstoff ermöglicht zwar auch die Herstellung einer entsprechend dotierten Schicht in einem einzigen Herstellungsschritt, ist jedoch aus den eingangs beschriebenen Gründen nachteilig. Darüber hinaus erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr viel bessere Kontrolle und Einstellung der Dotierstoffkonzentration und insbesondere eines Dotierstoffgradienten als dies mittels Co-Sputtem möglich ist. Im Hinblick auf letzteres erwähnt die WO 2018/102852 Al auch die Möglichkeit einer gepulsten Abscheidung, bei der die Abscheidung des Dotierstoffes unterbrochen wird. Dies ist jedoch nur bei einer statischen Beschichtung möglich, was im Kontext einer industriellen Massenfertigung nicht gangbar ist. Im Gegensatz dazu erlaubt das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine Beschichtung im DurchlaufVerfahren, bei dem die zu beschichtenden Siliziumwafer mit einer, bevorzugt konstanten, Geschwindigkeit relativ zu den Sputterkathoden bewegt werden (oder vice versa). Bevorzugt handelt es sich bei dieser Relativbewegung um eine lineare Bewegung der Wafer. Es sind aber auch andere Formen der Bewegung, bspw. eine Rotation oder Bewegungen entlang gekrümmter Bahnen, möglich. Das Beschichten mit der ersten und zweiten Schicht erfolgt in einem solchen Durchlaufverfahren mittels separater, voneinander beabstandeter Sputterkathoden, mittels derer zuerst (an einer ersten Position des Wafers in der Anlage) das amorphe Silizium aufgebracht wird und anschließend (an einer zweiten Position des Wafers in der Anlage) der Dotierstoff aufgebracht wird. Mit anderen Worten werden die beiden Schichten in separaten Verfahrensschritten, örtlich voneinander getrennt, aufgebracht, was einerseits die kontinuierliche Herstellung im Durchlaufverfahren und andererseits eine bessere Kontrolle jedes einzelnen Verfahrensschrittes erlaubt. Es ist demnach bevorzugt, dass der Siliziumwafer während der beiden Beschichtungen mit der ersten und zweiten Schicht sowie zwischen den beiden Beschichtungen, bevorzugt mit konstanter Geschwindigkeit, bewegt wird. Diese Geschwindigkeit kann bspw. zwischen 1 und 3 m/min betragen. The co-sputtering of silicon and dopant described in WO 2018/102852 A1 also enables the production of a correspondingly doped layer in a single production step, but is disadvantageous for the reasons described above. In addition, the method according to the invention allows much better control and adjustment of the dopant concentration and in particular a dopant gradient than is possible by means of co-sputtering. With regard to the latter, WO 2018/102852 A1 also mentions the possibility of pulsed deposition, in which the deposition of the dopant is interrupted. However, this is only possible with a static coating, which is not feasible in the context of industrial mass production. In contrast to this, the method of the present invention allows coating in a continuous process, in which the silicon wafers to be coated are moved at a, preferably constant, speed relative to the sputtering cathodes (or vice versa). This relative movement is preferably a linear movement of the wafers. However, other forms of movement, for example rotation or movements along curved paths, are also possible. Coating with the first and second layers takes place in such a continuous process by means of separate, spaced-apart sputter cathodes amorphous silicon is applied and then (at a second position of the wafer in the system) the dopant is applied. In other words, the two layers are applied in separate process steps, locally separated from one another, which on the one hand allows continuous production in a continuous process and on the other hand allows better control of each individual process step. It is therefore preferred that the silicon wafer is moved during the two coatings with the first and second layers and between the two coatings, preferably at a constant speed. This speed can be, for example, between 1 and 3 m / min.
Für eine Herstellung im DurchlaufVerfahren wird bevorzugt aus mehreren Substratträgem (sogenannte „Carrier“) ein kontinuierlicher Zug gebildet, bevorzugt in einem Teil des Prozessraums. Dieser Zug von im Wesentlichen direkt aneinander angrenzenden Substratträgem, auf denen die Wafer lagern, wird mit einer konstanten Geschwindigkeit unter den Sputterkathoden hindurchgeführt, wodurch die Beschichtung effizient genutzt werden kann, da kein Beschichtungsmaterial bspw. zwischen einander nachfolgenenden Wafern verloren geht. Nach der Beschichtung mit den erfindungsgemäßen Schichten wird der Zug bevorzugt wieder aufgelöst bzw. in einzelne Substratträger (oder Substratträgergruppen) vereinzelt, da dies das Ausschleusen vereinfacht. For production in a continuous process, a continuous train is preferably formed from several substrate carriers (so-called “carriers”), preferably in part of the process space. This train of essentially directly adjoining substrate carriers on which the wafers are stored is passed at a constant speed under the sputtering cathodes, whereby the coating can be used efficiently, since no coating material is lost, for example, between subsequent wafers. After coating with the layers according to the invention, the train is preferably dissolved again or separated into individual substrate carriers (or substrate carrier groups), since this simplifies the discharge.
Die vorliegende Erfindung richtet sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumsolarzelle, welches auf dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle beruht. Dieses Verfahren zur Herstellung einer Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten weist ferner den Schritt des Aufbringens eines Metallkontakts auf einer Rückseite und des Aufbringens von Metallkontakten auf einer Vorderseite des Ausgangsmaterials auf. Wie dem Fachmann bekannt ist, sind hierfür gegebenenfalls weitere Schritte erforderlich wie z.B. das Reinigen und/oder Ätzen der Oberfläche nach dem Beschichten der zweiten bzw. dritten Schicht, um die Voraussetzungen für das Aufbringen der Metallkontakte zu schaffen. Die Aufbringung der Metallkontakte erfolgt standardmäßig mittels Siebdruck und benötigt in der Regel auch einen Temperatur- bzw. Feuerschritt. Alternativ können auch transparente leitfahige Oxide oder mittels PVD aufgebrachte Metalle als Kontaktschichten dienen. The present invention is also directed to a method for producing a silicon solar cell which is based on the above-described method for producing a starting material for a silicon solar cell. This method for producing a silicon solar cell with passivated contacts also has the step of applying a metal contact to a rear side and applying metal contacts to a front side of the starting material. As is known to the person skilled in the art, this may require further steps such as cleaning and / or etching the surface after coating the second or third layer in order to create the conditions for applying the metal contacts. The application of the metal contacts takes place as standard by means of screen printing and usually also requires a temperature or fire step. Alternatively, transparent conductive oxides or metals applied by means of PVD can also serve as contact layers.
Die vorliegende Erfindung richtet sich ferner auf eine Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten. Die Anlage weist eine erste Kathodenzerstäubungseinheit auf, die dazu geeignet ist, ein Substrat mit mindestens einer ersten Schicht aus amorphem Silizium zu beschichten. Ferner weist die Anlage eine zweite Kathodenzerstäubungseinheit auf, die dazu geeignet ist, die erste Schicht mit mindestens einer zweiten Schicht, die einen Dotierstoff auf weist, zu beschichten. Dabei sind die erste und zweite Kathodenzerstäubungseinrichtung in einer gemeinsamen Vakuumprozessstrecke der Anlage integriert. Optional ist ferner eine Tempereinheit vorgesehen, die dazu geeignet ist, das mit der ersten und zweiten Schicht beschichtete Substrat bei einer Temperatur von mindestens 700 °C zu tempern. Diese Tempereinheit kann integraler Bestandteil der erfindungsgemäßen Anlage sein oder alternativ als separate Einheit vorgesehen sein, die mit dem Rest der Anlage über eine Prozessstrecke verbunden sein kann oder aber auch vollständig von dieser getrennt sein kann. The present invention is also directed to a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts. The plant has a first cathode sputtering unit which is suitable for coating a substrate with at least one first layer of amorphous silicon. Furthermore, the system has a second cathode sputtering unit which is suitable for coating the first layer with at least one second layer which has a dopant. The first and second cathode sputtering devices are integrated in a common vacuum process section of the system. Optionally, a tempering unit is also provided which is suitable for tempering the substrate coated with the first and second layers at a temperature of at least 700 ° C. This annealing unit can be an integral part of the system according to the invention or, alternatively, be provided as a separate unit which can be connected to the rest of the system via a process section or can also be completely separated from it.
Bei der ersten und zweiten Kathodenzerstäubungseinheit kann es sich um übliche Kathodenzerstäubungseinheiten handeln. Die Kathodenzerstäubungseinheiten weisen als lineare Beschichtungsquellen beispielsweise planare oder rohrförmige Magnetrons auf, in die die Sputtertargets aus geeigneten Materialien eingebaut und während des Kathodenzerstäubungsprozesses im Plasma abgetragen werden. Die Eignung für die Beschichtung mit der spezifischen ersten bzw. zweiten Schicht ergibt sich dabei in erster Linie aus dem jeweiligen Target der Kathodenzerstäubungseinheit. Auch ist die Kathodenzerstäubungseinheit bevorzugt so ausgefuhrt, dass der Sputterschaden, also die Menge an Defekten im oder unter dem abgeschiedenen Material, gering ist. Das kann durch Maßnahmen wie Benutzung einer aktiven Anode oder eine relativ starke und balancierte Magnetkonfiguration erreicht werden. Dementsprechend weist das Target der zweiten Kathodenzerstäubungseinheit bevorzugt eines oder eine Kombination der folgenden Materialien auf: mit einem Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe dotiertes Silizium oder Siliziumoxid, bevorzugt Phosphorsilikatglas oder Borsilikatglas, ein Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe als Reinstoff oder in Form eines Oxids. Der Anteil des Elements aus der 3. oder 5. Hauptgruppe beträgt dabei bevorzugt mindestens 0,5 Mol-%, stärker bevorzugt mindestens 1 Mol-%, noch stärker bevorzugt mindestens 5 Mol-% und besonders bevorzugt mindestens 10 Mol-%. The first and second cathode sputtering units can be conventional cathode sputtering units. As linear coating sources, the cathode sputtering units have, for example, planar or tubular magnetrons into which the sputtering targets made of suitable materials are installed and removed in the plasma during the cathode sputtering process. The suitability for coating with the specific first or second layer results primarily from the respective target of the cathode sputtering unit. The cathode sputtering unit is also preferably designed in such a way that the sputtering damage, that is to say the amount of defects in or under the deposited material, is low. This can be achieved through measures such as using an active anode or a relatively strong and balanced magnet configuration. Accordingly, the target of the second cathode sputtering unit preferably has one or a combination of the following materials: silicon or silicon oxide doped with an element from the 3rd or 5th main group, preferably phosphosilicate glass or borosilicate glass, an element from the 3rd or 5th main group as a pure substance or in the form of an oxide. The proportion of the element from main group 3 or 5 is preferably at least 0.5 mol%, more preferably at least 1 mol%, even more preferably at least 5 mol% and particularly preferably at least 10 mol%.
Das Target der ersten Kathodenzerstäubungseinheit besteht bevorzugt aus Silizium, wobei der Reinheitsgrad des ersten Targets deutlich besser als der Dotiergrad des Targets der zweiten oder dritten Schicht sein sollte. Bevorzugt sind die erste und zweite Kathodenzerstäubungseinrichtung entlang der Prozessstrecke voneinander beabstandet, so dass keine Sichtlinie zwischen den beiden Kathoden besteht. Das kann mithilfe von räumlichem Abstand und Blenden erreicht werden. Üblicherweise haben planare Sputterkathoden eine Breite zwischen 8 und 20 cm in Substrat- Bewegungsrichtung und rohrförmige Sputterkathoden einen Außendurchmesser von 8 bis 20 cm. Zwischen den räumlichen Enden der Kathoden in Substrat-Bewegungsrichtung muss noch mindestens der Dunkelraum- Abstand (d.h. ein entladungsfreier Raum) von wenigen Millimetern frei sein. Bevorzugt ist daher ein räumlicher Abstand von mindestens 10 cm der Kathodenaußenseiten zueinander, besonders bevorzugt von mindestens 30 cm. The target of the first cathode sputtering unit is preferably made of silicon, the degree of purity of the first target being significantly better than the degree of doping of the target of the second or third layer. The first and second cathode sputtering devices are preferably spaced apart from one another along the process path, so that there is no line of sight between the two cathodes. This can be achieved with the help of spatial spacing and diaphragms. Usually planar sputter cathodes have a width between 8 and 20 cm in the direction of movement of the substrate and tubular sputter cathodes have an outer diameter of 8 to 20 cm. Between the spatial ends of the cathodes in the direction of substrate movement, at least the dark space distance (ie a discharge-free space) of a few millimeters must still be free. A spatial distance of at least 10 cm between the cathode outer sides is therefore preferred, particularly preferably of at least 30 cm.
Erfindungsgemäß kann auch eine dritte Kathodenzerstäubungseinheit vorgesehen sein, die dazu geeignet ist, das Substrat auf der der ersten Schicht gegenüberliegenden Seite mit mindestens einer dritten Schicht, die einen Dotierstoff aufweist, zu beschichten. Bevorzugt sind die erste, zweite und dritte Kathodenzerstäubungseinrichtung in einer gemeinsamen Vakuumprozessstrecke der Anlage integriert. Bevorzugt weist die Anlage einen Mechanismus für die Förderung der Substrate auf, wobei bevorzugt die erste und zweite Kathodenzerstäubungseinheit auf einer Seite der Substratfördereinheit angeordnet sind und die dritte Kathodenzerstäubungseinheit auf der gegenüberliegenden Seite der Fördereinheit angeordnet ist. According to the invention, a third cathode sputtering unit can also be provided which is suitable for coating the substrate on the side opposite the first layer with at least one third layer which has a dopant. The first, second and third cathode sputtering devices are preferably integrated in a common vacuum process section of the system. The system preferably has a mechanism for conveying the substrates, wherein the first and second cathode sputtering units are preferably arranged on one side of the substrate conveying unit and the third cathode sputtering unit is arranged on the opposite side of the conveying unit.
Das Target der dritten Kathodenzerstäubungseinheit weist bevorzugt eines oder eine Kombination der folgenden Materialien auf: mit einem Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe dotiertes Silizium oder Siliziumoxid, bevorzugt Phosphorsilikatglas oder Borsilikatglas, ein Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe als Reinstoff oder in Form eines Oxids. Dabei sind die Materialien des zweiten und dritten Targets bevorzugt entgegengesetzt dotiert. The target of the third sputtering unit preferably has one or a combination of the following materials: silicon or silicon oxide doped with an element from the 3rd or 5th main group, preferably phosphorus silicate glass or borosilicate glass, an element from the 3rd or 5th main group as a pure substance or in the form of an oxide. The materials of the second and third target are preferably doped in opposite directions.
Alternativ zu dieser dritten Kathodenzerstäubungseinheit kann die erfindungsgemäße Anlage auch eine dritte Kathodenzerstäubungseinheit aufweisen, die dazu geeignet ist, das Substrat auf der der ersten Schicht gegenüberliegenden Seite mit mindestens einer ersten Schicht aus amorphem Silizium zu beschichten. Ferner kann eine vierte Kathodenzerstäubungseinheit vorgesehen sein, die dazu geeignet ist, die erste Schicht mit mindestens einer zweiten Schicht, die einen Dotierstoff aufweist, zu beschichten. Dabei sind bevorzugt die erste, zweite, dritte und vierte Kathodenzerstäubungseinrichtung in einer gemeinsamen Vakuumprozessstrecke der Anlage integriert. Die Targets der dritten und vierten Kathodenzerstäubungseinheit weisen bevorzugt die oben genannten Materialien der Targets der ersten und zweiten Kathodenzerstäubungseinheit auf. Ferner gilt auch für diese Ausführungsform, dass bevorzugt die erste und zweite Kathodenzerstäubungseinheit auf einer ersten Seite der Substratförderungseinrichtung angeordnet sind und die dritte und vierte Kathodenzerstäubungseinheit auf der gegenüberliegenden Seite der Substratförderungseinrichtung. As an alternative to this third cathode sputtering unit, the system according to the invention can also have a third cathode sputtering unit which is suitable for coating the substrate on the side opposite the first layer with at least one first layer of amorphous silicon. Furthermore, a fourth cathode sputtering unit can be provided which is suitable for coating the first layer with at least one second layer which has a dopant. The first, second and third are preferred and fourth cathode sputtering device integrated in a common vacuum process line of the system. The targets of the third and fourth cathode sputtering units preferably have the above-mentioned materials of the targets of the first and second cathode sputtering units. Furthermore, it also applies to this embodiment that the first and second cathode sputtering units are preferably arranged on a first side of the substrate conveying device and the third and fourth cathode sputtering units are arranged on the opposite side of the substrate conveying device.
Bevorzugt weißt die Anlage eine weitere, vorgelagerte Kathodenzerstäubungseinheit auf, mit der von einem siliziumhaltigen Sputtertarget mit Hilfe von sauerstoffhaltigen Prozessgas (z.B. O2, CO2) die Tunneloxidschicht aufgebracht wird. Diese ist dann wegen der sauerstoffhaltigen Gase bevorzugt über eine Gastrennung von der ersten und zweiten Kathodenzerstäubungseinheit separiert. Alternativ kann die Anlage eine Plasmaeinheit aufweisen, die dazu geeignet ist, einen Siliziumwafer durch ein Plasmaverfahren zu reinigen und/oder mit einer Tunneloxidschicht zu versehen. Alternativ kann die Anlage ferner eine vorgelagerte nasschemische Einheit aufweisen, die dazu geeignet ist, einen Siliziumwafer durch ein nasschemisches Verfahren mit einer Tunneloxidschicht zu versehen. The system preferably has a further, upstream cathode sputtering unit with which the tunnel oxide layer is applied by a silicon-containing sputtering target with the aid of oxygen-containing process gas (eg O 2 , CO 2). Because of the oxygen-containing gases, this is then preferably separated from the first and second cathode sputtering units via gas separation. Alternatively, the system can have a plasma unit which is suitable for cleaning a silicon wafer using a plasma process and / or for providing it with a tunnel oxide layer. Alternatively, the system can also have an upstream wet-chemical unit which is suitable for providing a silicon wafer with a tunnel oxide layer using a wet-chemical process.
Die vorliegende Erfindung erlaubt die kombinierte Erzeugung von polykristallinen passivierten Kontakten und das gezielte Einstellen von Dotierprofilen und damit einen stark verkürzten Prozessablauf zur Herstellung von Zellen mit passivierten Kontakten. Bisher war es zur Erzeugung hochdotierter passivierter Kontakte erforderlich, die dotierte Siliziumschicht zum Beispiel mittels LPCVD (engl.: low pressure Chemical vapour deposition) abzuscheiden. Da LPCVD nicht erlaubt, Substrate ausschließlich auf einer Seite zu beschichten, wird damit im Allgemeinen auch die gegenüberliegende Seite der Solarzelle mit der falschen Polarität dotiert. Dies ist unerwünscht und muss entweder von vornherein durch das Aufbringen einer Schutzmaske unterbunden werden, oder die Dotierung auf der Vorderseite muss nachträglich wieder entfernt werden. Durch das gezielte, einseitige Aufbringen der ersten und zweiten Schicht mithilfe des einseitig anwendbaren Sputterverfahrens und durch das gezielte Einstellen der Konzentration der Dotierstoffquelle und der Diffusionseigenschaften von Diffusionsbarrieren kann das Problem der zu niedrigen Dotierung und das Problem der während des thermischen Schrittes nicht unabhängig einstellbaren Dotierprofils gelöst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch geeignete Schichtsysteme selbst für beide Seiten der Solarzellen mit unterschiedlichen Polaritäten und Diffusionsgeschwindigkeiten anwendbar. The present invention allows the combined production of polycrystalline passivated contacts and the targeted setting of doping profiles and thus a greatly shortened process sequence for the production of cells with passivated contacts. Up to now, in order to produce highly doped passivated contacts, it was necessary to deposit the doped silicon layer, for example by means of LPCVD (low pressure chemical vapor deposition). Since LPCVD does not allow substrates to be coated exclusively on one side, the opposite side of the solar cell is generally doped with the wrong polarity. This is undesirable and either has to be prevented from the outset by applying a protective mask, or the doping on the front side has to be removed again afterwards. Through the targeted, one-sided application of the first and second layer with the help of the one-sided applicable sputtering process and through the targeted setting of the concentration of the dopant source and the diffusion properties of diffusion barriers, the problem of too low doping and the problem of the doping profile that cannot be set independently during the thermal step can be solved will. The method according to the invention is suitable for both by means of suitable layer systems Pages of the solar cells with different polarities and diffusion speeds applicable.
Zusätzliche Vorteile des Sputtems sind die einfache Handhabung und Kontrollierbarkeit des Verfahrens sowie der Verzicht auf toxische Gase. Additional advantages of sputtering are the simple handling and controllability of the process as well as the absence of toxic gases.
Insbesondere ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, in einer einzigen Anlage in zwei aufeinanderfolgenden Prozessen sowohl die Siliziumschicht als auch eine zusätzliche Dotierquelle aufzubringen. So ist es möglich, eine einseitige Dotierung der aufgebrachten Siliziumschicht in einem nachfolgenden thermischen Schritt zu erreichen. Durch das Sputterverfahren können sowohl die Siliziumschicht als auch beispielsweise eine Phosphor oder Borsilikatglasschicht einseitig aufgebracht werden. Durch die Auswahl der Schichtdicke und der Konzentration des Dotierstoffs im Targetmaterial kann die Dotierstoffkonzentration genau eingestellt werden. In particular, the method according to the invention makes it possible to apply both the silicon layer and an additional doping source in a single installation in two successive processes. It is thus possible to achieve one-sided doping of the applied silicon layer in a subsequent thermal step. Both the silicon layer and, for example, a phosphor or borosilicate glass layer can be applied on one side by the sputtering process. By selecting the layer thickness and the concentration of the dopant in the target material, the dopant concentration can be set precisely.
Typische Diffusionstemperaturen reichen von 700 °C bis 1100 °C. Die Wahl des Grenzflächenoxids bestimmt zum Beispiel die Temperaturstabilität, wobei eine geringere Oxiddicke zu einer geringeren Stabilität beim Tempern fuhrt. Durch Kombination mit weiteren Oxidschichten kann auch ein thermisch nicht stabiles, nasschemisches Tunneloxid stabilisiert werden. Das Einstellen der Dotierprofile kann auf den gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle mithilfe geeigneter Schichtsysteme unterschiedlicher Polarität in einem gemeinsamen Temperschritt erfolgen. Typical diffusion temperatures range from 700 ° C to 1100 ° C. The choice of the interface oxide determines, for example, the temperature stability, with a smaller oxide thickness leading to a lower stability during annealing. A thermally unstable, wet chemical tunnel oxide can also be stabilized by combining it with further oxide layers. The setting of the doping profiles can take place on the opposite sides of the solar cell with the help of suitable layer systems of different polarity in a common annealing step.
Die Erhöhung der Dotierschichtdicke oder eine weitere durch Sputtern abgeschiedene Deckschicht (sogenannte „capping layer“) können das gerichtete Eindiffundieren des Dotierstoffs in die Siliziumschicht unterstützen bzw. ein Ausdiffundieren in die Umgebung vermindern. Außerdem kann hierdurch eine (weitere) Quelle an Wasserstoff zur Passivierung der Grenzflächen aufgebracht werden. Increasing the doping layer thickness or a further covering layer deposited by sputtering (so-called “capping layer”) can support the directed diffusion of the dopant into the silicon layer or reduce diffusion out into the environment. In addition, a (further) source of hydrogen can be applied in this way to passivate the interfaces.
Die Phosphor- bzw. Borsilikatglasdotierstoffschicht kann, wenn sie als letzte Schicht aufgebracht wird, gegebenenfalls auch als Passivierschicht genutzt werden. The phosphorus or borosilicate glass dopant layer, if it is applied as the last layer, can optionally also be used as a passivation layer.
Alle Sputterprozesse, sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite der Solarzelle, können in einer einzigen Sputteranlage stattfinden. Durch unterschiedliche Schichtsysteme können die Diffusionseigenschaften auf beiden Seiten der Zelle so eingestellt werden, dass ein thermisches Profil auf beiden Seiten die gewünschten Dotierstoffprofile erzielt. All sputtering processes, both on the front and on the back of the solar cell, can take place in a single sputtering system. Using different layer systems, the diffusion properties on both sides of the cell can be adjusted in such a way that a thermal profile achieves the desired dopant profiles on both sides.
Wie bereits oben ausgeführt wurde, kann die Dotierstoffschicht oberhalb oder unterhalb der Siliziumschicht vorgesehen werden. Mit anderen Worten kann erfindungsgemäß die Lage der ersten und zweiten Schicht vertauscht werden. Wie ebenfalls bereits ausgeführt, kann der Siliziumwafer auf einer Seite mit einer p-dotierten Schicht und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer n-dotierten Schicht versehen werden. Ferner kann die Zelle beidseitig mit passivierten Kontakten versehen sein oder aber auf einer Seite mit einem passivierten Kontakt und auf der anderen Seite mit einem klassischen diffundierten Emitter. As already stated above, the dopant layer can be provided above or below the silicon layer. In other words, according to the invention, the position of the first and second layers can be interchanged. As also already stated, the silicon wafer can be provided with a p-doped layer on one side and with an n-doped layer on the opposite side. Furthermore, the cell can be provided with passivated contacts on both sides or else with a passivated contact on one side and with a classic diffused emitter on the other side.
Nachfolgend sollen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden. Es zeigen: Preferred embodiments of the present invention are to be described in more detail below with reference to the figures. Show it:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Solarzelle mit ladungsträgerselektiven, polykristallinen Siliziumkontakten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 shows a cross section through a solar cell with charge carrier-selective, polycrystalline silicon contacts according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Solarzelle mit ladungsträgerselektiven, polykristallinen Siliziumkontakten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung; 2 shows a cross section through a solar cell with charge carrier-selective, polycrystalline silicon contacts according to a further preferred embodiment of the present invention;
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten vor dem Tempern gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung; 3 shows a cross section through a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts prior to tempering according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 4 das Ausgangsmaterial gemäß Fig. 3 nach dem Tempern; 4 shows the starting material according to FIG. 3 after tempering;
Fig. 5 ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten vor dem Tempern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 5 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts prior to tempering according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 6 das Ausgangsmaterial gemäß Fig. 5 nach dem Tempern gemäß einer ersten Variante; 6 shows the starting material according to FIG. 5 after tempering according to a first variant;
Fig. 7 das Ausgangsmaterial gemäß Fig. 5 nach dem Tempern gemäß einer zweiten Variante; Fig. 8 das Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten vor dem Tempern gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung; 7 shows the starting material according to FIG. 5 after tempering according to a second variant; 8 shows the starting material for a silicon solar cell with passivated contacts prior to tempering according to a further preferred embodiment of the present invention;
Fig. 9 das Ausgangsmaterial gemäß Fig. 8 nach dem Tempern gemäß einer ersten Variante; 9 shows the starting material according to FIG. 8 after tempering according to a first variant;
Fig. 10 das Ausgangsmaterial gemäß Fig. 8 nach dem Tempern gemäß einer zweiten Variante; 10 shows the starting material according to FIG. 8 after tempering according to a second variant;
Fig. 11 das Ausgangsmaterial gemäß Fig. 8 nach dem Tempern gemäß einer dritten Variante; 11 shows the starting material according to FIG. 8 after tempering according to a third variant;
Fig. 12 ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 12 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention;
Fig. 13 ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 13 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention;
Fig. 14 ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 14 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention;
Fig. 15 ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 15 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention;
Fig. 16 ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 16 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention;
Fig. 17 ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 17 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention;
Fig. 18 ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 18 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention;
Fig. 19 ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 20 ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfährungsform der vorliegenden Erfindung; 19 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention; 20 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention;
Fig. 21 ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 21 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention;
Fig. 22 ein Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 22 shows a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a further preferred embodiment of the present invention;
Fig. 23 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 23 shows a schematic illustration of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 24 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 24 shows a schematic illustration of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 25 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 25 shows a schematic illustration of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 26 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 26 shows a schematic illustration of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 27 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 27 shows a schematic illustration of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 28 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 29 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer bevorzugten Ausflihrungsform der vorliegenden Erfindung; und 28 shows a schematic illustration of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention; 29 shows a schematic representation of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention; and
Fig. 30 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten gemäß einer bevorzugten Ausflihrungsform der vorliegenden Erfindung. 30 shows a schematic representation of a system for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts according to a preferred embodiment of the present invention.
In den Fig. 1 und 2 sind Querschnitte durch Siliziumsolarzellen mit passivierten Kontakten analog zu denjenigen gemäß Fig. 1 der WO 2018/102852 Al dargestellt. In Fig. 1 ist ein p- dotierter Siliziumwafer 5a mit einer n+-Diffüsionsschicht 8a und einer SiNx-Schicht 9 versehen. Letztere durchdringen die Metallkontakte 21 der Vorderseite. Auf der Rückseite des Wafers 5a befindet sich eine SiOx-Tunneloxidschicht 6 sowie eine p+-dotierte polykristalline Siliziumschicht 101a, auf der der Metallkontakt 20 der Rückseite angebracht ist. 1 and 2 show cross-sections through silicon solar cells with passivated contacts analogous to those according to FIG. 1 of WO 2018/102852 A1. In FIG. 1, a p-doped silicon wafer 5a is provided with an n + diffusion layer 8a and a SiN x layer 9. The latter penetrate the metal contacts 21 on the front. On the back of the wafer 5a there is a SiO x tunnel oxide layer 6 and a p + -doped polycrystalline silicon layer 101a on which the metal contact 20 of the back is attached.
Fig. 2 zeigt eine analoge Zelle mit einem n-dotierten Siliziumwafer 5b, einer p+- Diffüsionsschicht 8b und einer n+-dotierten polykristallinen Siliziumschicht 101b. 2 shows an analog cell with an n-doped silicon wafer 5b, a p + - diffusion layer 8b and an n + -doped polycrystalline silicon layer 101b.
Wie bereits im Detail ausgeführt wurde, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine solche Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten bereitzustellen, mithilfe dessen auf einfache Weise eine entsprechend hohe Dotierstoffkonzentration erzielt werden kann. As has already been explained in detail, it is an aim of the present invention to provide an improved method for producing a starting material for such a silicon solar cell with passivated contacts, with the aid of which a correspondingly high dopant concentration can be achieved in a simple manner.
Erfindungsgemäß wird hierfür ein Siliziumwafer 5 (vgl. Fig. 3) mit einer Tunneloxidschicht 6 bereitgestellt und die Tunneloxidschicht 6 mit mindestens einer ersten Schicht 1 aus amorphem Silizium mittels Kathodenzerstäubung beschichtet. Die erste Schicht 1 wird dann mit mindestens einer zweiten Schicht 2, die einen Dotierstoff aufweist, mittels Kathodenzerstäubung beschichtet. Das Ergebnis dieser beiden Beschichtungsprozesse ist in einer schematischen Querschnittsansicht in Fig. 3 zu sehen. Die Tunneloxidschicht 6 besteht bevorzugt aus S1O2 und weist bevorzugt eine Dicke zwischen 0,5 nm und 10 nm auf. Die erste Schicht 1 aus amorphem Silizium besteht bevorzugt aus intrinsischem Silizium und/oder dotiertem Silizium und hat bevorzugt eine Dicke zwischen lund 100 nm. Die zweite Schicht 2 weist bevorzugt eines oder eine Kombination der folgenden Materialien auf: mit einem Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe dotiertes Silizium oder Siliziumoxid, bevorzugt Phosphorsilikatglas oder Borsilikatglas, ein Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe als Reinstoff oder in Forms eines Oxids. According to the invention, a silicon wafer 5 (cf. FIG. 3) with a tunnel oxide layer 6 is provided for this purpose and the tunnel oxide layer 6 is coated with at least one first layer 1 made of amorphous silicon by means of cathode sputtering. The first layer 1 is then coated with at least one second layer 2, which has a dopant, by means of cathode sputtering. The result of these two coating processes can be seen in a schematic cross-sectional view in FIG. 3. The tunnel oxide layer 6 preferably consists of S1O2 and preferably has a thickness between 0.5 nm and 10 nm. The first layer 1 made of amorphous silicon preferably consists of intrinsic silicon and / or doped silicon and preferably has a thickness between 1 and 100 nm. The second layer 2 preferably has one or a combination of the following materials: with an element from the third or 5. Main group doped silicon or silicon oxide, preferred Phosphosilicate glass or borosilicate glass, an element from the 3rd or 5th main group as a pure substance or in the form of an oxide.
Erfindungsgemäß wird der beschichtete Siliziumwafer 5 (inkl. der Schichten 1, 2 und 6 sowie gegebenenfalls weiterer Schichten) bei einer Temperatur von mindestens 700 °C getempert. Dieser Temperschritt bewirkt bevorzugt eine Diffusion des in der zweiten Schicht 2 enthaltenen Dotierstoffs in die angrenzende erste Schicht 1 aus amorphem Silizium und optional durch die Tunneloxidschicht 6 hindurch in den direkt an die Tunneloxidschicht 6 angrenzenden Bereich des Siliziumwafers 5. Mit anderen Worten bewirkt das Tempern bevorzugt, dass die erste Schicht 1 aus amorphem Silizium in eine dotierte polykristalline Siliziumschicht 101 (vgl. Fig. 4) umgewandelt wird und dass optional in dem Siliziumwafer 5 unterhalb der Tunneloxidschicht 6 eine mit dem Dotierstoff der zweiten Schicht 2 dotierte Siliziumschicht 7 gebildet wird. According to the invention, the coated silicon wafer 5 (including the layers 1, 2 and 6 and optionally further layers) is tempered at a temperature of at least 700 ° C. This tempering step preferably causes diffusion of the dopant contained in the second layer 2 into the adjoining first layer 1 of amorphous silicon and optionally through the tunnel oxide layer 6 into the region of the silicon wafer 5 directly adjacent to the tunnel oxide layer 6 that the first layer 1 of amorphous silicon is converted into a doped polycrystalline silicon layer 101 (cf. FIG. 4) and that optionally a silicon layer 7 doped with the dopant of the second layer 2 is formed in the silicon wafer 5 below the tunnel oxide layer 6.
Ein Beispiel für das Ergebnis eines solchen Temperschritts, bei dem auch in dem Siliziumwafer 5 unterhalb der Tunneloxidschicht 6 eine mit dem Dotierstoff der zweiten Schicht 2 dotierte Siliziumschicht 7 gebildet wird, ist schematisch in Fig. 4 abgebildet. An example of the result of such a tempering step, in which a silicon layer 7 doped with the dopant of the second layer 2 is also formed in the silicon wafer 5 below the tunnel oxide layer 6, is shown schematically in FIG. 4.
Bevorzugt beträgt die Dotierstoffkonzentration in der dotierten polykristallinen Siliziumschicht 101 im Falle einer p-Dotierung mindestens 1 x 1020 cm3 und im Falle einer n- Dotierung mindestens 5 x 1019 cm3. Die zweite Schicht 2 (vgl. Fig. 3) wird nach dem Tempern mit dem Bezugszeichen 102 versehen (vgl. Fig. 4), da deren Dotierstoffkonzentration aufgrund des Ausdiffundierens des Dotierstoffs in die Schichten 101 und 7 im Vergleich zu deren Zustand vor dem Tempern reduziert sein kann. Die Dicken der Schichten 6, 101 und 102 nach dem Tempern entsprechen im Wesentlichen den Dicken der Schichten 6, 1 und 2 vor dem Tempern. Die mit dem Dotierstoff der zweiten Schicht 2 dotierte Siliziumschicht 7 weist bevorzugt eine Dicke zwischen 50 und 200 nm auf. The dopant concentration in the doped polycrystalline silicon layer 101 is preferably at least 1 × 10 20 cm 3 in the case of p-doping and at least 5 × 10 19 cm 3 in the case of n-doping. The second layer 2 (see. Fig. 3) is provided with the reference numeral 102 after the tempering (see. Fig. 4), since its dopant concentration due to the diffusion of the dopant into the layers 101 and 7 compared to their state before the tempering can be reduced. The thicknesses of layers 6, 101 and 102 after tempering correspond essentially to the thicknesses of layers 6, 1 and 2 before tempering. The silicon layer 7 doped with the dopant of the second layer 2 preferably has a thickness between 50 and 200 nm.
Erfindungsgemäß kann ferner die der Tunneloxidschicht 6 gegenüberliegende Seite des Siliziumwafers 5 mit mindestens einer dritten Schicht 3 beschichtet werden, die einen Dotierstoff aufweist. Diese Beschichtung mit der dritten Schicht 3 erfolgt bevorzugt ebenfalls vor dem oben beschriebenen Temper-Schritt. Das Ergebnis der Beschichtung ist schematisch in Fig. 5 zu sehen. Analog zu den Materialien der zweiten Schicht 2 kann die dritte Schicht 3 eines oder eine Kombination der folgenden Materialien aufweisen: mit einem Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe dotiertes Silizium oder Siliziumoxid, bevorzugt Phosphorsilikatglas oder Borsilikatglas, ein Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe als Reinstoff oder in Form eines Oxids, wobei die zweite Schicht 2 und die dritte Schicht 3 bevorzugt entgegengesetzt dotiert sind. Dies fuhrt analog zu den Fig. 1 und 2 zu entsprechenden n- und p-dotierten Schichten. According to the invention, the side of the silicon wafer 5 opposite the tunnel oxide layer 6 can furthermore be coated with at least one third layer 3 which has a dopant. This coating with the third layer 3 also preferably takes place before the tempering step described above. The result of the coating can be seen schematically in FIG. 5. Analogous to the materials of the second layer 2, the third layer 3 can have one or a combination of the following materials: silicon or silicon oxide doped with an element from the 3rd or 5th main group, preferably phosphorus silicate glass or borosilicate glass, an element from the 3rd or 5th main group 5. Main group as a pure substance or in the form of an oxide, the second layer 2 and the third layer 3 preferably being doped in opposite directions. Analogously to FIGS. 1 and 2, this leads to corresponding n- and p-doped layers.
In Abhängigkeit von den Dicken, Dotierstoffkonzentrationen und Diffusionseigenschaften der einzelnen Schichten sowie der beim Tempern gewählten Parameter kann das Tempern der Schichtenfolge gemäß Fig. 5 zu einem Ausgangsmaterial entsprechend Fig. 6 oder zu einem alternativen Ausgangsmaterial gemäß Fig. 7 fuhren. In beiden Fällen bewirkt das Tempern, dass in dem Siliziumwafer 5 unterhalb der dritten Schicht 3, 103 eine mit dem Dotierstoff der dritten Schicht 3 dotierte Siliziumschicht 8 gebildet wird. Ferner fuhrt in beiden Fällen das Tempern dazu, dass die erste Schicht 1 aus amorphem Silizium in eine dotierte polykristalline Siliziumschicht 101 umgewandelt wird. In Abhängigkeit davon, ob der Dotierstoff aus der zweiten Schicht 2 durch die Tunneloxidschicht 6 hindurch in den daran angrenzenden Siliziumwafer 5 diffundiert, kann das Tempern zusätzlich bewirken, dass in dem Siliziumwafer 5 unterhalb der Tunneloxidschicht 6 eine mit dem Dotierstoff der zweiten Schicht 2 dotierte Siliziumschicht 7 gebildet wird. Letztere Alternative ist in Fig. 7 dargestellt. Depending on the thicknesses, dopant concentrations and diffusion properties of the individual layers as well as the parameters selected during annealing, the annealing of the layer sequence according to FIG. 5 can lead to a starting material according to FIG. 6 or to an alternative starting material according to FIG. 7. In both cases, the annealing has the effect that a silicon layer 8 doped with the dopant of the third layer 3 is formed in the silicon wafer 5 below the third layer 3, 103. Furthermore, in both cases, the annealing leads to the fact that the first layer 1 made of amorphous silicon is converted into a doped polycrystalline silicon layer 101. Depending on whether the dopant diffuses from the second layer 2 through the tunnel oxide layer 6 into the adjoining silicon wafer 5, the annealing can additionally cause a silicon layer doped with the dopant of the second layer 2 in the silicon wafer 5 below the tunnel oxide layer 6 7 is formed. The latter alternative is shown in FIG.
Die Schichtenfolge gemäß den Fig. 5 bis 7 lässt sich beispielsweise als Ausgangsmaterial für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten auf der einen Seite und einem klassischen diffundierten Emitter auf der anderen Seite verwenden. Alternativ lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten auf beiden Seiten verwenden. The layer sequence according to FIGS. 5 to 7 can be used, for example, as a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts on the one hand and a classic diffused emitter on the other. Alternatively, the method according to the invention can also be used to produce a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts on both sides.
Hierzu wird bevorzugt ein Siliziumwafer 5 beidseitig mit entsprechenden Tunneloxidschichten 6 versehen (vgl. Fig. 8). Anschließend werden beide Tunneloxidschichten 6 mit jeweils mindestens einer ersten Schicht 1 aus amorphem Silizium beschichtet und die beiden ersten Schichten 1 mit jeweils mindestens einer zweiten Schicht 2, die einen Dotierstoff aufweist, beschichtet. Das Ergebnis dieser Beschichtungsprozesse ist schematisch in Fig. 8 zu sehen. Dieser Schichtenstapel wird dann bei einer Temperatur von mindestens 700 °C getempert, was analog zu den obigen Ausführungen bewirkt, dass die ersten Schichten 1 aus amorphem Silizium auf beiden Seiten jeweils in dotierte polykristalline Siliziumschichten 101 umgewandelt werden. Diese Umwandlung erfolgt im Wesentlichen gleichzeitig im Laufe eines gemeinsamen Temperschritts. For this purpose, a silicon wafer 5 is preferably provided with corresponding tunnel oxide layers 6 on both sides (cf. FIG. 8). Subsequently, both tunnel oxide layers 6 are each coated with at least one first layer 1 made of amorphous silicon and the two first layers 1 are each coated with at least one second layer 2, which has a dopant. The result of these coating processes can be seen schematically in FIG. 8. This stack of layers is then tempered at a temperature of at least 700 ° C., which, analogously to the explanations above, has the effect that the first layers 1 made of amorphous silicon are converted into doped polycrystalline silicon layers 101 on both sides. This conversion takes place essentially simultaneously in the course of a common tempering step.
Das Ergebnis eines solchen Temperschritts ist wiederum schematisch in Fig. 9 zu sehen. Analog zu den obigen Ausführungen können durch das Tempern jedoch auch Ausgangsmaterialien mit Schichtfolgen entsprechend den Fig. 10 und 11 erzielt werden, wenn das Tempern eine Bildung einer dotierten Siliziumschicht 7 in dem Siliziumwafer 5 unterhalb einer (vgl. Fig. 10) oder unterhalb beider (vgl. Fig. 11) Tunneloxidschichten 6 bewirkt. The result of such a tempering step can again be seen schematically in FIG. 9. Analogous to the above statements, however, starting materials with layer sequences according to FIGS. 10 and 11 can also be achieved by the tempering if the tempering results in the formation of a doped silicon layer 7 in the silicon wafer 5 below one (cf. FIG. 10) or below both ( cf. FIG. 11) tunnel oxide layers 6 caused.
Es ist ferner bevorzugt, dass die zweite Schicht 2 und/oder die dritte Schicht 3 mit einer mit Wasserstoff angereicherten Deckschicht 9 beschichtet wird, die ein Nitrid und/oder ein Oxid, vorzugsweise mit Wasserstoff angereichertes Siliziumnitrid, aufweist. In den Fig. 12 bis 22 sind die oben bereits diskutierten bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ausgangsmaterials jeweils mit ein oder zwei solchen Deckschichten 9 schematisch abgebildet. Dabei zeigen die Fig. 12 bis 22 das Ausgangsmaterial jeweils nach dem Temper- Schritt, so dass sich die Deckschicht 9 jeweils auf der zweiten Schicht 102 bzw. der dritten Schicht 103 nach dem Tempern befindet. It is further preferred that the second layer 2 and / or the third layer 3 is coated with a hydrogen-enriched cover layer 9 which has a nitride and / or an oxide, preferably silicon nitride enriched with hydrogen. In FIGS. 12 to 22, the preferred embodiments of the starting material according to the invention already discussed above are shown schematically, each with one or two such cover layers 9. 12 to 22 each show the starting material after the tempering step, so that the cover layer 9 is in each case on the second layer 102 or the third layer 103 after the tempering.
In den Fig. 23 bis 30 sind schematisch bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten abgebildet. Eine solche Anlage weist, wie in Fig. 23 zu sehen, eine erste Kathodenzerstäubungseinheit 11 auf, die dazu geeignet ist, mindestens ein Substrat 10 mit mindestens einer ersten Schicht aus amorphem Silizium zu beschichten. Ferner weist die Anlage eine zweite Kathodenzerstäubungseinheit 12 auf, die dazu geeignet ist, die erste Schicht mit mindestens einer zweiten Schicht, die einen Dotierstoff aufweist, zu beschichten. Die erste Kathodenzerstäubungseinrichtung 11 und die zweite Kathodenzerstäubungseinrichtung 12 sind dabei in einer gemeinsamen Vakuumprozessstrecke der Anlage integriert, welche durch den Doppelpfeil symbolisiert werden soll. Optional kann eine Tempereinheit 15 vorgesehen sein (vgl. Fig. 24), die dazu geeignet ist, das mit der ersten und zweiten Schicht beschichtete Substrat bei einer Temperatur von mindestens 700 °C zu tempern. Die Tempereinheit 15 kann in dieselbe Vakuumprozessstrecke integriert sein, wie dies schematisch in Fig. 24 gezeigt ist, oder ein separates Modul darstellen (vgl. Fig. 25). In FIGS. 23 to 30, preferred embodiments of the system according to the invention for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts are shown schematically. As can be seen in FIG. 23, such a system has a first cathode sputtering unit 11 which is suitable for coating at least one substrate 10 with at least one first layer of amorphous silicon. Furthermore, the system has a second cathode sputtering unit 12 which is suitable for coating the first layer with at least one second layer which has a dopant. The first cathode sputtering device 11 and the second cathode sputtering device 12 are integrated in a common vacuum process section of the system, which is intended to be symbolized by the double arrow. Optionally, a tempering unit 15 can be provided (cf. FIG. 24) which is suitable for tempering the substrate coated with the first and second layers at a temperature of at least 700 ° C. The annealing unit 15 can be integrated into the same vacuum process path, as is shown schematically in FIG. 24, or it can represent a separate module (cf. FIG. 25).
Die Anlage kann ferner eine vorgelagerte nasschemische Einheit 16 aufweisen (vgl. Fig. 26), die dazu geeignet ist, einen Siliziumwafer durch ein nasschemisches Verfahren mit einer Tunneloxidschicht zu versehen. Diese nasschemische Einheit 16 kann ein separates Modul sein, was über eine Prozessstrecke mit der Vakuumprozessstrecke gemäß Fig. 27 verbunden ist oder aber eine vollkommen separate Einheit bildet. The system can also have an upstream wet-chemical unit 16 (cf. FIG. 26), which is suitable for providing a silicon wafer with a tunnel oxide layer using a wet-chemical process. This wet chemical unit 16 can be a separate module, which is connected to the vacuum process line according to FIG. 27 via a process section, or it forms a completely separate unit.
Alternativ kann eine Plasmaeinheit 17 vorgesehen sein (vgl. Fig. 28), die dazu geeignet ist, einen Siliziumwafer durch ein Plasmaverfahren mit einer Tunneloxidschicht zu versehen. Die Plasmaeinheit 17 kann gemeinsam mit der ersten Kathodenzerstäubungseinrichtung 11 und der zweiten Kathodenzerstäubungseinrichtung 12 in einer gemeinsamen Vakuumprozessstrecke der Anlage integriert sein, die auch in Fig. 28 durch den Doppelpfeil symbolisiert werden soll. Alternativ kann die Plasmaeinheit 17 auch ein separates Modul bilden. Alternatively, a plasma unit 17 can be provided (cf. FIG. 28) which is suitable for providing a silicon wafer with a tunnel oxide layer by means of a plasma process. The plasma unit 17 can be integrated together with the first cathode sputtering device 11 and the second cathode sputtering device 12 in a common vacuum process section of the system, which is also to be symbolized in FIG. 28 by the double arrow. Alternatively, the plasma unit 17 can also form a separate module.
Ferner kann die Anlage eine dritte Kathodenzerstäubungseinheit 13 aufweisen, die dazu geeignet ist, das Substrat auf der der ersten Schicht gegenüberliegenden Seite mit mindestens einer dritten Schicht, die einen Dotierstoff aufweist, zu beschichten. Die erste Kathodenzerstäubungseinrichtung 11, die zweite Kathodenzerstäubungseinrichtung 12 und die dritte Kathodenzerstäubungseinrichtung 13 sind bevorzugt, wie dies in Fig. 29 skizziert ist, in einer gemeinsamen Vakuumprozessstrecke der Anlage integriert. Furthermore, the system can have a third cathode sputtering unit 13 which is suitable for coating the substrate on the side opposite the first layer with at least one third layer which has a dopant. The first cathode sputtering device 11, the second cathode sputtering device 12 and the third cathode sputtering device 13 are preferably integrated in a common vacuum process section of the system, as is sketched in FIG. 29.
Alternativ kann die Anlage eine dritte Kathodenzerstäubungseinheit 13 aufweisen, die dazu geeignet ist, das Substrat auf der ersten Schicht gegenüberliegenden Seite mit mindestens einer ersten Schicht aus amorphem Silizium zu beschichten, sowie eine vierte Kathodenzerstäubungseinheit 14, die dazu geeignet ist, die erste Schicht mit mindestens einer zweiten Schicht, die einen Dotierstof aufweist, zu beschichten. Wie in Fig. 30 zu sehen ist, sind die erste Kathodenzerstäubungseinrichtung 11, die zweiteAlternatively, the system can have a third cathode sputtering unit 13, which is suitable for coating the substrate on the opposite side of the first layer with at least one first layer of amorphous silicon, as well as a fourth cathode sputtering unit 14, which is suitable for coating the first layer with at least a second layer comprising a dopant to coat. As can be seen in Fig. 30, the first sputtering device 11 is the second
Kathodenzerstäubungseinrichtung 12, die dritte Kathodenzerstäubungseinrichtung 13 und die vierte Kathodenzerstäubungseinrichtung 14 bevorzugt in einer gemeinsamen Vakuumprozessstrecke der Anlage integriert, die auch hier wieder symbolisch durch den Doppelpfeil dargestellt ist. Cathode sputtering device 12, the third cathode sputtering device 13 and the fourth cathode sputtering device 14 preferably integrated in a common vacuum process section of the system, which is again symbolically represented here by the double arrow.
Nachfolgend soll ein konkretes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens im Detail beschrieben werden. A specific exemplary embodiment of the method according to the invention is to be described in detail below.
Ausgangspunkt war ein Siliziumwafer mit folgenden Eigenschaften: p-Typ monokristallines Wafermaterial mit typischer Leitfähigkeit von 10 Ohm*cm. Nach einer nasschemischen Reinigung der Wafer, beispielsweise mittels RCA oder einer alternativen industriellen Reinigung mit sauren oder alkalischen Medien (beispielsweise KOH/H2O2), wurde zumindest die Vorderseite der Wafer nasschemisch alkalisch texturiert (z.B. mittels KOH und einem Additiv, beispielsweise CellTex). Danach wurde in einem Bad mit ozonhaltiger Lösung bei erhöhter Temperatur einseitig auf der Rückseite des Wafers ein Tunneloxid von ca. 1,4 nm Dicke erzeugt. The starting point was a silicon wafer with the following properties: p-type monocrystalline wafer material with a typical conductivity of 10 ohm * cm. After a wet chemical cleaning of the wafers, for example by means of RCA or an alternative industrial cleaning with acidic or alkaline media (e.g. KOH / H2O2), at least the front side of the wafer was wet-chemically alkaline textured (e.g. using KOH and an additive, e.g. CellTex). Thereafter, a tunnel oxide approximately 1.4 nm thick was produced on one side of the back of the wafer in a bath with an ozone-containing solution at an elevated temperature.
Die Tunneloxidschicht des Siliziumwafers wurde dann mit einer ersten Schicht aus amorphem Silizium beschichtet. Hierfür wurde eine horizontale Sputter- Anlage vom Typ GENERIS der Firma SINGULUS TECHNOLOGIES AG verwendet, in der bis zu 64 Wafer pro Substratträger mit konstanter linearer Geschwindigkeit von ca. 1 bis 3 m/min durch den evakuierten Prozessbereich transportiert werden, der eine oder mehrere lineare Beschichtungsquellen beispielsweise mit planaren oder zylinderförmigen Magnetrons aufweist. Typische Prozessbedingungen waren: Sputterdruck/Gas: 8 x 103 mbar/Argon, Wafertemperatur: 200 °C, Sputtertargets: planare Si-Sputtertargets mit 5N Reinheit, Elektrische Anregung: DC mit einer Leistungsdichte von 3W/cm2. The tunnel oxide layer of the silicon wafer was then coated with a first layer of amorphous silicon. A horizontal sputtering system of the GENERIS type from SINGULUS TECHNOLOGIES AG was used for this, in which up to 64 wafers per substrate carrier are transported at a constant linear speed of approx. 1 to 3 m / min through the evacuated process area, which is one or more linear Has coating sources, for example, with planar or cylindrical magnetrons. Typical process conditions were: sputtering pressure / gas: 8 × 10 3 mbar / argon, wafer temperature: 200 ° C., sputtering targets: planar Si sputtering targets with a purity of 5N, electrical excitation: DC with a power density of 3W / cm 2 .
Die hierdurch gebildete erste Schicht aus amorphem Silizium hat eine Dicke von 20 nm. Anschließend wurde in der gleichen Sputteranlage eine zweite Schicht mit einer Schichtdicke von 100 nm auf die erste Schicht aufgebracht. Das Sputtertarget war ein planares Phosphorsilikatglas das eine Phosphordotierung von > 1% aufweist. The first layer of amorphous silicon formed in this way has a thickness of 20 nm. A second layer with a layer thickness of 100 nm was then applied to the first layer in the same sputtering system. The sputter target was a planar phosphosilicate glass with a phosphorus doping of> 1%.
Im nachfolgenden Temperschritt erfolgte in einem Ofen unter N2 Schutzgas bei 800 °C - 850 °C über < 30 min die elektrische Aktivierung und Diffusion der Dotierung und gleichzeitig die Umwandlung der amorphen in eine polykristalline Siliziumschicht. Anschließend wurde die Frontseite optional nachgereinigt (HF -Dip), dann mit ca. 10 nm AlOx beschichtet und danach beide Seiten, die Frontseite und die ausgetemperte Schicht auf der Rückseite, mit je einer 80 nm dicken SiN:H Schicht bedeckt. Diese Beschichtungen erfolgten nach üblichen PERC-Solarzellen-Rezepten bei ca. 400 °C Substrattemperatur in einer PECVD- Anlage ebenfalls des Types GENERIS der Firma SINGULUS TECHNOLOGIES AG. Für klassische PERC Solarzellen ist das A10x+SiN:H Schichtsystem auf der Rückseite aufgebracht, hier auf der texturierten Vorderseite. Dafür mussten Anpassungen in der Schichtdicke sowie im Gasverhältnis SiH4:NH3 für SiN:H und TMAL+Ar+N20 für AlOx erfolgen. Die genutzten Plasmaquellen für diese CVD Prozess waren hier induktiv bei 13,56 MHz getrieben und linear angeordnet. In the subsequent tempering step, the electrical activation and diffusion of the doping and, at the same time, the conversion of the amorphous into a polycrystalline silicon layer took place in an oven under N2 protective gas at 800 ° C - 850 ° C for <30 min. The front side was then optionally re-cleaned (HF dip), then coated with approx. 10 nm AlOx and then both sides, the front side and the annealed layer on the back, each covered with an 80 nm thick SiN: H layer. These coatings were carried out according to the usual PERC solar cell recipes at a substrate temperature of approx. 400 ° C in a PECVD system, also of the GENERIS type from SINGULUS TECHNOLOGIES AG. For classic PERC solar cells, the A10x + SiN: H layer system is applied on the back, here on the textured front. For this, adjustments had to be made in the layer thickness and in the gas ratio SiH4: NH3 for SiN: H and TMAL + Ar + N 2 0 for AlOx. The plasma sources used for this CVD process were driven inductively at 13.56 MHz and arranged linearly.
Wie bereits erwähnt, ermöglicht die vorliegende Erfindung die Herstellung im Rahmen eines DurchlaufVerfahrens, bspw. mit Hilfe der oben erwähnten Sputter- Anlage vom Typ GENERIS der Firma SINGULUS TECHNOLOGIES AG. As already mentioned, the present invention enables production in the context of a continuous process, for example with the aid of the above-mentioned GENERIS type sputtering system from SINGULUS TECHNOLOGIES AG.
Hierfür befinden sich die Wafer auf einem Substratträger („Carrier“) in Taschen, typischerweise 30 bis 80 Wafer pro Carrier, je nach Größe der Wafer (typische quadratische Wafergrößen: M0-G12 (156 mm - 210 mm), typische runde Wafergrößen: 1“ - 300 mm). Diese Substratträger werden in der Regel an Luft (staubfreie Einhausung) mit berührungsarmen/-ffeien Greifern beladen. For this purpose, the wafers are located on a substrate carrier ("carrier") in pockets, typically 30 to 80 wafers per carrier, depending on the size of the wafer (typical square wafer sizes: M0-G12 (156 mm - 210 mm), typical round wafer sizes: 1 "- 300 mm). These substrate carriers are usually loaded in air (dust-free housing) with low-contact / non-contact grippers.
Anschließend erfolgt ein Einschleusen einzelner Carrier (oder Carriergruppen) in einer sogenannten Loadlock-Kammer. Nach dem Einbringen des/der Carrier wird diese Kammer von 1.000 mbar auf etwa 1 mbar abgepumpt. Hierfür beträgt die typische Taktzeit (inklusive Klappenbewegungen, Abpumpen, Transport des/der Carrier, Fluten, Transport nächste(r) Carrier) 25 s - 120 s. Optional können zum Einschleusen auch mehrstufige Loadlocks zum Einsatz kommen, d.h. Erweiterung um eine weitere Kammer, die auch im Taktbetrieb läuft, in der das Vakuum aber von ca. 1 mbar auf bspw. 104 mbar gebracht wird. Subsequently, individual carriers (or carrier groups) are introduced into a so-called load lock chamber. After the carrier (s) have been introduced, this chamber is pumped down from 1,000 mbar to around 1 mbar. The typical cycle time for this (including flap movements, pumping out, transport of the carrier (s), flooding, transport of the next carrier (s)) is 25 s - 120 s. which also runs in cycle operation, but in which the vacuum is brought from approx. 1 mbar to, for example, 10 4 mbar.
Optional erfolgt dann eine Reinigung der Wafer durch angeregtes Gas im Plasma (DC- Glimmen oder HF-Bias indirekt an der Kammer oder Atom/Ionenquellen auf die Wafer gerichtet). Für eine weitere Herstellung im Durchlaufverfahren wird dann, wie bereits oben erläutert, aus mehreren Substratträgem ein kontinuierlicher Zug gebildet. Diese Zugbildung erfolgt in der sogenannten Extension Kammer (die Teil des Prozessraumes ist). Dieser Zug von im Wesentlichen direkt aneinander angrenzenden Substratträgem, auf denen die Wafer lagern, wird mit einer konstanten Geschwindigkeit unter den Sputterkathoden hindurchgeführt, wodurch die Beschichtung effizient genutzt werden kann, da kein Beschichtungsmaterial bspw. zwischen einander nachfolgenden Wafern verloren geht. Optionally, the wafers are then cleaned by excited gas in the plasma (DC glow or HF bias indirectly at the chamber or atom / ion sources directed at the wafer). For further production in a continuous process, a continuous train is then formed from several substrate carriers, as already explained above. This train formation takes place in the so-called extension chamber (which is part of the process space). This train of essentially directly adjoining substrate carriers on which the wafers are stored is guided at a constant speed under the sputtering cathodes, whereby the coating can be used efficiently since no coating material is lost, for example, between subsequent wafers.
Die beim Sputtern verwendeten Kathoden können als Sputtertargets Planar- oder Rohrtargets aufweisen. Beim Sputtern kommen dabei bevorzugt die nachfolgenden Parameter zum Einsatz: The cathodes used in sputtering can have planar or tubular targets as sputtering targets. The following parameters are preferably used for sputtering:
Beschichtungsbreite: > 600 mm, besser > 1.000 mm Coating width:> 600 mm, better> 1,000 mm
Leistung: Planartarget: > 3 W/cm2, vorzugsweise >5 W/cm2 Power: Planar target:> 3 W / cm 2 , preferably> 5 W / cm 2
Rohrtarget: > 6 kW/m, vorzugsweise > 10 kW/m Pipe target:> 6 kW / m, preferably> 10 kW / m
Basisdruck Prozess: < 5xl05 mbar, besser < 106 mbar Optional: Kühlfalle zum Ausfrieren des Wassers Base pressure process: <5xl0 5 mbar, better <10 6 mbar Optional: cold trap for freezing the water
Arbeitsdruck Prozess: 104 - 102 mbar Working pressure process: 10 4 - 10 2 mbar
Geheizter Prozessbereich: Heizer ermöglichen Substrattemperatur von mindestens 200 °C, besser von > 400 °C Heated process area: heaters enable substrate temperatures of at least 200 ° C, better of> 400 ° C
Erfindungsgemäß ist die Beschichtungsfolge, falls auch die Tunneloxidschicht mittels Sputtern aufgebracht wird (Oberseite und/oder Unterseite des Wafers): According to the invention, the coating sequence, if the tunnel oxide layer is also applied by means of sputtering (top and / or bottom of the wafer):
Sputterquelle(n) zur Abscheidung des Tunneloxids (z.B. S1O2) Sputter source (s) for the deposition of the tunnel oxide (e.g. S1O2)
- Gastrennung wegen O-haltigen Gasen - Gas separation due to O-containing gases
Sputterquelle(n) zur Abscheidung des intrinsischen Materials (z.B. a-Si:H) Sputterquelle(n) zur Abscheidung des hochdotierten Materials (z.B. a-Si:P) Sputter source (s) for the deposition of the intrinsic material (e.g. a-Si: H) Sputter source (s) for the deposition of the highly doped material (e.g. a-Si: P)
Vorzugsweise werden zuerst oben und unten das Tunneloxid aufgebracht, dann erfolgt eine Gastrennung, anschließend werden oben und unten die anderen Schichten aufgebracht. Für alle Beschichtungen werden die Carrier in der Durchlaufanlage in einem kontinuierlichen Zug geführt. Nach der Beschichtung mit den erfindungsgemäßen Schichten wird der Zug wieder aufgelöst bzw. in einzelne Substratträger (oder Substratträgergruppen) vereinzelt, da dies das Ausschleusen vereinfacht. The tunnel oxide is preferably first applied above and below, then gas separation takes place, then the other layers are applied above and below. For all coatings, the carriers are fed in a continuous train in the throughfeed system. After coating with the layers according to the invention, the train is dissolved again or separated into individual substrate carriers (or substrate carrier groups), since this simplifies the discharge.
Das Ausschleusen erfolgt dann analog bzw. invers zum Einschleusen, das Entladen entweder vor oder nach dem Rücktransport der Carrier. The outward transfer then takes place analogously or inversely to the inward transfer, the unloading either before or after the return transport of the carrier.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten, welches aufweist: 1. A method for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts, which has:
Bereitstellen eines Siliziumwafers (5) mit einer Tunneloxidschicht (6); Providing a silicon wafer (5) with a tunnel oxide layer (6);
Beschichten der Tunneloxidschicht (6) mit mindestens einer ersten Schicht (1) aus amorphem Silizium mittels Kathodenzerstäubung; Coating the tunnel oxide layer (6) with at least one first layer (1) made of amorphous silicon by means of cathode sputtering;
Beschichten der ersten Schicht (1) mit mindestens einer zweiten Schicht (2), die einen Dotierstoff aufweist, mittels Kathodenzerstäubung; und Coating the first layer (1) with at least one second layer (2), which has a dopant, by means of cathode sputtering; and
Tempern des beschichteten Siliziumwafers bei einer Temperatur von mindestens 700 °C. Annealing the coated silicon wafer at a temperature of at least 700 ° C.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Tunneloxidschicht (6) eine Si02-Schicht mit einer Dicke von 0,5 nm bis 10 nm, bevorzugt einer Dicke von 1,0 nm bis 2,0 nm, aufweist. 2. The method according to claim 1, wherein the tunnel oxide layer (6) has a Si0 2 layer with a thickness of 0.5 nm to 10 nm, preferably a thickness of 1.0 nm to 2.0 nm.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Schicht (1) aus intrinsischem Silizium und/oder dotiertem Silizium besteht. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the first layer (1) consists of intrinsic silicon and / or doped silicon.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (2) eines oder eine Kombination der folgenden Materialien aufweist: mit einem Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe dotiertes Silizium oder Siliziumoxid, bevorzugt Phosphorsilikatglas oder Borsilikatglas, ein Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe als Reinstoff oder in Form eines Oxids. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the second layer (2) has one or a combination of the following materials: silicon or silicon oxide doped with an element from main group 3 or 5, preferably phosphosilicate glass or borosilicate glass, an element from 3rd or 5th main group as a pure substance or in the form of an oxide.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Anteil des Elements aus der 3. oder 5. Hauptgruppe mindestens 0,5 Mol-%, bevorzugt mindestens 1 Mol-%, stärker bevorzugt mindestens 5 Mol-%, besonders bevorzugt mindestens 10 Mol-% an der zweiten Schicht (2) beträgt. 5. The method according to claim 4, wherein the proportion of the element from the 3rd or 5th main group is at least 0.5 mol%, preferably at least 1 mol%, more preferably at least 5 mol%, particularly preferably at least 10 mol% on the second layer (2).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (2) eine Dicke zwischen 10 nm und 1 pm, bevorzugt zwischen 50 nm und 200 nm hat. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the second layer (2) has a thickness between 10 nm and 1 μm, preferably between 50 nm and 200 nm.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bereitstellen eines Siliziumwafers (5) mit einer Tunneloxidschicht (6) die nasschemische Erzeugung der Tunneloxidschicht (6) oder deren Erzeugung durch ein Plasmaverfahren auf dem Siliziumwafer (5) aufweist. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the provision of a silicon wafer (5) with a tunnel oxide layer (6) comprises the wet-chemical production of the tunnel oxide layer (6) or its production by a plasma process on the silicon wafer (5).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht (1) und die zweite Schicht (2) in derselben Kathodenzerstäubungsanlage aufgebracht werden. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first layer (1) and the second layer (2) are applied in the same cathode sputtering system.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Tempern bewirkt, dass die erste Schicht (1) aus amorphem Silizium in eine dotierte polykristalline Siliziumschicht (101) umgewandelt wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the annealing causes the first layer (1) of amorphous silicon to be converted into a doped polycrystalline silicon layer (101).
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei in dem Siliziumwafer (5) unmitelbar unterhalb der Tunneloxidschicht (6) eine mit dem Dotierstoff der zweiten Schicht (2) dotierte Siliziumschicht (7) gebildet wird, über die die Dotierstoffkonzentration im Vergleich zur polykristallinen Siliziumschicht (101) bevorzugt um mindestens zwei Größenordnungen abfällt. 10. The method according to claim 9, wherein a silicon layer (7) doped with the dopant of the second layer (2) is formed in the silicon wafer (5) directly below the tunnel oxide layer (6), via which the dopant concentration compared to the polycrystalline silicon layer (101 ) preferably drops by at least two orders of magnitude.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die mit dem Dotierstoff der zweiten Schicht (2) dotierte Siliziumschicht (7), bevorzugt ausschließlich, in einem Bereich gebildet wird, der sich von der Tunneloxidschicht (6) bis maximal 50 nm unterhalb der Tunneloxidschicht (6), bevorzugt bis maximal 30 nm unterhalb der Tunneloxidschicht (6), erstreckt. 11. The method according to claim 10, wherein the silicon layer (7) doped with the dopant of the second layer (2) is formed, preferably exclusively, in a region that extends from the tunnel oxide layer (6) up to a maximum of 50 nm below the tunnel oxide layer (6 ), preferably up to a maximum of 30 nm below the tunnel oxide layer (6).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die elektrisch aktive Dotierstoffkonzentration in der dotierten polykristallinen Siliziumschicht (101) im Falle einer p-Dotierung mindestens 1 x IO20 cm3 beträgt und im Falle einer n- Dotierung mindestens 5 x 1019 cm3 beträgt. 12. The method according to any one of claims 9 to 11, wherein the electrically active dopant concentration in the doped polycrystalline silicon layer (101) in the case of p-doping is at least 1 x 10 20 cm 3 and in the case of n-doping at least 5 x 10 19 cm 3 .
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner aufweist: Beschichten der der Tunneloxidschicht (6) gegenüberliegenden Seite des Siliziumwafers (5) mit mindestens einer dritten Schicht (3), die einen Dotierstoff aufweist, mittels Kathodenzerstäubung. 13. The method according to any one of the preceding claims, which further comprises: coating the side of the silicon wafer (5) opposite the tunnel oxide layer (6) with at least one third layer (3), which has a dopant, by means of cathode sputtering.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die dritte Schicht (3) eines oder eine Kombination der folgenden Materialien aufweist: mit einem Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe dotiertes Silizium oder Siliziumoxid, bevorzugt Phosphorsilikatglas oder Borsilikatglas, ein Element aus der 3. oder 5. Hauptgruppe als Reinstoff oder in Form eines Oxids, wobei die zweite Schicht (2) und die dritte Schicht (3) bevorzugt entgegengesetzt dotiert sind. 14. The method according to claim 13, wherein the third layer (3) has one or a combination of the following materials: silicon or silicon oxide doped with an element from the 3rd or 5th main group, preferably phosphorosilicate glass or borosilicate glass, an element from the 3rd main group. or 5th main group as a pure substance or in the form of an oxide, the second layer (2) and the third layer (3) preferably being doped in opposite directions.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Tempern bewirkt, dass in dem Siliziumwafer (5) unterhalb der dritten Schicht (3) eine mit dem Dotierstoff der dritten Schicht (3) dotierte Siliziumschicht (8) gebildet wird. 15. The method according to claim 13 or 14, wherein the annealing causes a silicon layer (8) doped with the dopant of the third layer (3) to be formed in the silicon wafer (5) below the third layer (3).
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Siliziumwafer (5) beidseitig mit einer Tunneloxidschicht (6) versehen ist und wobei das Verfahren aufweist: 16. The method according to any one of claims 1 to 12, wherein the silicon wafer (5) is provided on both sides with a tunnel oxide layer (6) and wherein the method comprises:
Beschichten der beiden Tunneloxidschichten (6) mit jeweils mindestens einer ersten Schicht (1) aus amorphem Silizium mittels Kathodenzerstäubung; Coating the two tunnel oxide layers (6) each with at least one first layer (1) made of amorphous silicon by means of cathode sputtering;
Beschichten der beiden ersten Schichten (1) mit jeweils mindestens einer zweiten Schicht (2), die einen Dotierstoff aufweist, mittels Kathodenzerstäubung. Coating of the two first layers (1) with at least one second layer (2) each, which has a dopant, by means of cathode sputtering.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Tempern eine gleichzeitige Umwandlung der ersten Schichten (1) aus amorphem Silizium auf beiden Seiten in jeweils eine dotierte polykristalline Siliziumschicht (101) bewirkt. 17. The method according to claim 16, wherein the annealing brings about a simultaneous conversion of the first layers (1) of amorphous silicon on both sides into a doped polycrystalline silicon layer (101) each.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Tempern die Bildung jeweils einer mit dem Dotierstoff der zweiten Schicht (2) dotierten Siliziumschicht (7) unmittelbar unterhalb bzw. unmittelbar oberhalb der Tunneloxidschicht (6) bewirkt, über die die Dotierstoffkonzentration im Vergleich zur polykristallinen Siliziumschicht (101) bevorzugt um mindestens zwei Größenordnungen abfallt. 18. The method according to claim 17, wherein the annealing causes the formation of a respective silicon layer (7) doped with the dopant of the second layer (2) directly below or directly above the tunnel oxide layer (6), via which the dopant concentration compared to the polycrystalline silicon layer (101) preferably drops by at least two orders of magnitude.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei die mit dem Dotierstoff der zweiten Schicht (2) dotierten Siliziumschicht (7), bevorzugt ausschließlich, in einem Bereich gebildet werden, der sich von der Tunneloxidschicht (6) bis maximal 50 nm unterhalb bzw. oberhalb der Tunneloxidschicht (6), bevorzugt bis maximal 30 nm unterhalb bzw. oberhalb der Tunneloxidschicht (6), erstreckt. 19. The method according to claim 17 or 18, wherein the silicon layer (7) doped with the dopant of the second layer (2) is formed, preferably exclusively, in a region that extends from the tunnel oxide layer (6) up to a maximum of 50 nm below or below. above the tunnel oxide layer (6), preferably up to a maximum of 30 nm below or above the tunnel oxide layer (6).
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner aufweist: 20. The method according to any one of the preceding claims, which further comprises:
Beschichten der zweiten Schicht (2) und/oder der dritten Schicht (3) mit einer mit Wasserstoff angereicherten Deckschicht (9), die ein Nitrid und/oder Oxid aufweist, vorzugsweise mit Wasserstoff angereichertes Siliziumnitrid und/oder Aluminiumoxid. Coating the second layer (2) and / or the third layer (3) with a hydrogen-enriched cover layer (9) which has a nitride and / or oxide, preferably silicon nitride and / or aluminum oxide enriched with hydrogen.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Siliziumwafer während der beiden Beschichtungen mit der ersten und zweiten Schicht sowie zwischen den beiden Beschichtungen, bevorzugt mit konstanter Geschwindigkeit, bewegt wird. 21. The method according to any one of the preceding claims, wherein the silicon wafer is moved during the two coatings with the first and second layers and between the two coatings, preferably at a constant speed.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bereitstellen eines Siliziumwafers (5) mit einer Tunneloxidschicht (6) die Beschichtung des Siliziumwafers (5) mit der Tunneloxidschicht (6) mittels Kathodenzerstäubung aufweist. 22. The method according to any one of the preceding claims, wherein the provision of a silicon wafer (5) with a tunnel oxide layer (6) comprises coating the silicon wafer (5) with the tunnel oxide layer (6) by means of cathode sputtering.
23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Siliziumwafer während der beiden Beschichtungen mit der ersten und zweiten Schicht sowie während der Beschichtung mit der Tunneloxidschicht, bevorzugt mit konstanter Geschwindigkeit, bewegt wird. 23. The method according to claim 22, wherein the silicon wafer is moved during the two coatings with the first and second layers and during the coating with the tunnel oxide layer, preferably at a constant speed.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Herstellung im DurchlaufVerfahren erfolgt. 24. The method according to any one of the preceding claims, wherein the production takes place in a continuous process.
25. Anlage zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für eine Siliziumsolarzelle mit passivierten Kontakten, welche aufweist: eine erste Kathodenzerstäubungseinheit (11), die dazu geeignet ist, ein Substrat mit mindestens einer ersten Schicht aus amorphem Silizium zu beschichten; eine zweite Kathodenzerstäubungseinheit (12), die dazu geeignet ist, die erste Schicht mit mindestens einer zweiten Schicht, die einen Dotierstoff aufweist, zu beschichten; und optional eine Tempereinheit (15), die dazu geeignet ist, das mit der ersten und zweiten Schicht beschichtete Substrat bei einer Temperatur von mindestens 700 °C zu tempern; wobei die erste und zweite Kathodenzerstäubungseinrichtung (11, 12) in einer gemeinsamen Vakuumprozessstrecke der Anlage integriert sind. 25. Plant for producing a starting material for a silicon solar cell with passivated contacts, comprising: a first cathode sputtering unit (11) which is suitable for coating a substrate with at least one first layer of amorphous silicon; a second cathode sputtering unit (12) which is suitable for coating the first layer with at least one second layer comprising a dopant; and optionally a tempering unit (15) which is suitable for tempering the substrate coated with the first and second layer at a temperature of at least 700 ° C .; wherein the first and second cathode sputtering devices (11, 12) are integrated in a common vacuum process section of the system.
26. Anlage nach Anspruch 25, wobei die erste und zweite Kathodenzerstäubungseinrichtung (11, 12) entlang der Prozessstrecke voneinander beabstandet sind. 26. Plant according to claim 25, wherein the first and second cathode sputtering devices (11, 12) are spaced apart from one another along the process path.
27. Anlage nach Anspruch 26, wobei der Abstand zwischen den Kathodenaußenseiten der ersten und der zweiten Kathodenzerstäubungseinrichtung (11, 12) mindestens 10 cm, bevorzugt mindestens 30 cm beträgt. 27. Plant according to claim 26, wherein the distance between the cathode outer sides of the first and the second cathode sputtering device (11, 12) is at least 10 cm, preferably at least 30 cm.
28. Anlage nach Anspruch 25, 26 oder 27, ferner mit einer vorgelagerten nasschemischen Einheit (16), die dazu geeignet ist, einen Siliziumwafer durch ein nasschemisches Verfahren mit einer Tunneloxidschicht zu versehen, oder einer Plasmaeinheit (17), die dazu geeignet ist, einen Siliziumwafer durch ein Plasmaverfahren mit einer Tunneloxidschicht zu versehen. 28. Plant according to claim 25, 26 or 27, further comprising an upstream wet chemical unit (16) which is suitable for providing a silicon wafer with a tunnel oxide layer by a wet chemical process, or a plasma unit (17) which is suitable for to provide a silicon wafer with a tunnel oxide layer by a plasma process.
29. Anlage nach einem der Ansprüche 25-28, welche ferner aufweist: eine weitere Kathodenzerstäubungseinheit, die dazu geeignet ist, den Siliziumwafers mit einer Tunneloxidschicht zu beschichten; wobei die erste, die zweite und die weitere Kathodenzerstäubungseinrichtung in einer gemeinsamen Vakuumprozessstrecke der Anlage integriert sind. 29. The system as claimed in one of claims 25-28, further comprising: a further cathode sputtering unit which is suitable for coating the silicon wafer with a tunnel oxide layer; wherein the first, the second and the further cathode sputtering device are integrated in a common vacuum process section of the system.
30. Anlage nach einem der Ansprüche 25-29, welche ferner aufweist: eine dritte Kathodenzerstäubungseinheit (13), die dazu geeignet ist, das Substrat auf der der ersten Schicht gegenüberliegenden Seite mit mindestens einer dritten Schicht, die einen Dotierstoff aufweist, zu beschichten; wobei die erste, zweite und dritte Kathodenzerstäubungseinrichtung (11, 12, 13) in einer gemeinsamen Vakuumprozessstrecke der Anlage integriert sind. 30. The system as claimed in one of claims 25-29, further comprising: a third cathode sputtering unit (13) which is suitable for coating the substrate on the side opposite the first layer with at least one third layer which has a dopant; wherein the first, second and third cathode sputtering devices (11, 12, 13) are integrated in a common vacuum process section of the system.
31. Anlage nach einem der Ansprüche 25-30, welche ferner aufweist: eine dritte Kathodenzerstäubungseinheit (13), die dazu geeignet ist, das Substrat auf der der ersten Schicht gegenüberliegenden Seite mit mindestens einer ersten Schicht aus amorphem Silizium zu beschichten; und eine vierte Kathodenzerstäubungseinheit (14), die dazu geeignet ist, die erste Schicht mit mindestens einer zweiten Schicht, die einen Dotierstoff aufweist, zu beschichten; wobei die erste, zweite, dritte und vierte Kathodenzerstäubungseinrichtung (11, 12, 13, 14) in einer gemeinsamen Vakuumprozessstrecke der Anlage integriert sind. 31. The system as claimed in one of claims 25-30, further comprising: a third cathode sputtering unit (13) which is suitable for coating the substrate on the side opposite the first layer with at least one first layer of amorphous silicon; and a fourth sputtering unit (14) which is suitable for coating the first layer with at least one second layer which comprises a dopant; wherein the first, second, third and fourth cathode sputtering devices (11, 12, 13, 14) are integrated in a common vacuum process section of the system.
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