Siliciumformteile mit zeitlich stabiler elektronischer OberflächenpassivierungSilicon molded parts with stable electronic surface passivation over time
Die vorliegende Erfindung betrifft Siliciumformteile mit stabiler elektronischer Passivierung der Siliciumoberflächen durch Aufbringen einer Oberflächenbeschich- tung.The present invention relates to molded silicon parts with stable electronic passivation of the silicon surfaces by applying a surface coating.
Die Oberflächen kristalliner Siliciumformteile stellen durch die dort gestörte Kristallperfektion Flächen hoher sogenannter Oberflächenrekombinationsgeschwin- digkeit dar. Über Grenzflächenzustände können Ladungsträger effektiv rekombinieren und reduzieren damit die Leistungsfähigkeit elektronischer Bauelemente, deren Strukturen meist gerade besonders oberflächennah hergestellt werden. Zur Herstellung hochwertiger Bauelemente ist daher eine Rekombination von Ladungsträgern an der Scheibenoberfläche zu verhindern.Due to the disturbed crystal perfection, the surfaces of crystalline silicon molded parts represent surfaces of high so-called surface recombination speed. Charge interfaces can effectively recombine via interface states and thus reduce the performance of electronic components, the structures of which are usually produced particularly close to the surface. To produce high-quality components, a recombination of charge carriers on the surface of the pane must be prevented.
Von besonderer Bedeutung ist die Oberflächenrekombination bei Solarzellen. Die Zahl der durch Licht generierten Ladungsträger nimmt mit zunehmender Eindringtiefe des Lichtes in das hier in der Regel scheibenförmige Silicium-Halbleitermaterial ab, d.h. maximale Ladungsträgerkonzentrationen werden direkt unterhalb der Scheibenoberfläche erreicht. Für das Erreichen hoher Wirkungsgrade ist es daher unerläßlich, eine Rekombination der Ladungsträger an der Scheibenoberfläche effektiv zu verhindern.Surface recombination is particularly important for solar cells. The number of charge carriers generated by light decreases with increasing depth of penetration of the light into the usually disk-shaped silicon semiconductor material, i.e. maximum charge carrier concentrations are reached directly below the surface of the pane. To achieve high levels of efficiency, it is therefore essential to effectively prevent recombination of the charge carriers on the surface of the pane.
Niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten sind auch für analytische Zwecke, etwa die Prozeßkontrolle durch Lebensdauermessungen nach dem μPCDLow surface recombination speeds are also useful for analytical purposes, such as process control using lifetime measurements according to the μPCD
(Microwave Photoconductive Decay)-Verfahren an Monitor-Scheiben erforderlich. Um hier Aussagen über die Qualität des Siliciumvolumens machen zu können, muß die Scheibenoberfläche in ihrer Wirkung als Rekombinationszentrum weitgehend vernachlässigbar sein.
Die Reduktion der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit wird in der Silicium- technologie üblicherweise durch Aufbringen einer Siliciumoxid- oder einer Silicium- nitridschicht erreicht. Siliciumoxide werden durch Oxidation der Siliciumoberfläche im Sauerstoffstrom bei Temperaturen von 800°C bis 1200°C erzeugt. Typische Pyrolysezeiten liegen bei einigen Minuten bis einigen Stunden; wahlweise findet die(Microwave Photoconductive Decay) process required on monitor panes. In order to be able to make statements about the quality of the silicon volume here, the surface of the wafer has to be largely negligible as a recombination center. The reduction in the surface recombination rate is usually achieved in silicon technology by applying a silicon oxide or silicon nitride layer. Silicon oxides are generated by oxidation of the silicon surface in an oxygen stream at temperatures from 800 ° C to 1200 ° C. Typical pyrolysis times range from a few minutes to a few hours; alternatively the
Oxidation auch unter Zugabe von Wasserdampf statt (S.M. Sze in Physics of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons, New York, 1981, Seite 66-67 oder A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch in Sonnenenergie: Photovoltaik, Teubner- Verlag, Stuttgart, 1994, Seite 158 - 160). Zur Aufbringung der Oxide werden üblicherweise widerstandsbeheizte Röhrenöfen verwendet, in denen die zu beschichtendenOxidation also takes place with the addition of water vapor (SM Sze in Physics of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons, New York, 1981, pages 66-67 or A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch in Solar Energy: Photovoltaik, Teubner-Verlag , Stuttgart, 1994, pages 158-160). Resistively heated tube furnaces are usually used to apply the oxides, in which the ones to be coated are used
Scheiben batch-weise oxidiert werden.Slices are oxidized batch-wise.
SiN-Schichten werden vorrangig in der Solarzellentechnologie eingesetzt. Sie werden durch Abscheidung in einer Plasma-CVD (Chemical Vapor Deposition)- Anlage bei Temperaturen um 400°C hergestellt. Zur Abscheidung hochwertigerSiN layers are primarily used in solar cell technology. They are produced by deposition in a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) system at temperatures around 400 ° C. For the separation of high quality
Schichten ist auch hier bislang nur ein Batch-Betrieb möglich, weitere technische Probleme liegen z.B. in der Temperaturhomogenität innerhalb der Abscheideanlage (ein Überblick wird bei A. G. Aberle et al., Proceedings of the 14"' European Solar Energy Conference (Barcelona), 1997, Seiten 684 - 689 gegeben).Up until now, shifts have only been possible in batch mode, there are further technical problems e.g. in the temperature homogeneity within the deposition system (an overview is given in A.G. Aberle et al., Proceedings of the 14 "European Solar Energy Conference (Barcelona), 1997, pages 684-689).
Die Abscheidung von Siliciumoxid oder Siliciumnitrid führt nach den bekannten Verfahren sowohl zu einer zeitlich stabilen, als auch einer sehr guten elektrischen Passivierung der Siliciumoberflächen. Es werden Oberflächenrekombinations- geschwindigkeiten vs von weniger als 100 cm/s erreicht (unbehandelte Oberfläche ca. 10" - 106 cm/s), die beispielsweise für hocheffiziente Solarzellen mit Wirkungsgraden von größer 15 % genutzt werden können. Allerdings hat die Abscheidung von Oxiden und Nitriden den Nachteil, daß aufwendige und teure Hochtemperaturprozesse eingesetzt werden müssen, die zusätzlich auch nur einen beschränkten Durchsatz zulassen (Batch-Prozesse).
Neben der Erzeugung und Abscheidung von Oxiden bzw. Nitriden basieren weitere Methoden zur Passivierung von Siliciumoberflächen auf elektrostatischer Aufladung der Oberflächen oder der Verwendung reaktiver Flüssigkeiten, wie Flußsäure, HF, oder alkoholische Iodlösung (L. Li et al. in J. Appl. Phys. 77 (3), (1995) 1323 - 1325). Die Applikation kann bei Raumtemperatur erfolgen. Derartige Passivierungen besitzen jedoch den Nachteil, nur temporärer Natur zu sein. Dadurch eignen sie sich prinzipiell nicht für solche Siliciumformteile, die auf eine langfristige Anwendung, z.B. im Bereich der Solarzellentechnologie, ausgelegt sind.The deposition of silicon oxide or silicon nitride leads, according to the known methods, to a time-stable and also a very good electrical passivation of the silicon surfaces. Surface recombination speeds v s of less than 100 cm / s are achieved (untreated surface approx. 10 "- 10 6 cm / s), which can be used, for example, for highly efficient solar cells with efficiencies of greater than 15%. However, the separation of Oxides and nitrides have the disadvantage that complex and expensive high-temperature processes have to be used which additionally only allow a limited throughput (batch processes). In addition to the generation and deposition of oxides or nitrides, other methods for passivating silicon surfaces are based on electrostatic charging of the surfaces or the use of reactive liquids, such as hydrofluoric acid, HF, or alcoholic iodine solution (L. Li et al. In J. Appl. Phys. 77 (3), (1995) 1323-1325). The application can take place at room temperature. However, such passivations have the disadvantage of only being of a temporary nature. As a result, they are in principle not suitable for such molded silicon parts that are designed for long-term use, for example in the field of solar cell technology.
Auch mit iodhaltigen, auf Kolophonium basierenden Beschichtungen, wie inAlso with iodine-containing, rosin-based coatings, as in
EP 0 706 207 beschrieben, erreicht man zwar kurzzeitig eine sehr gute elektronische Passivierung, jedoch ist diese ebenfalls nicht dauerhaft. Bereits nach wenigen Stunden verringert sich die passivierende Wirkung deutlich, wie bei W. Arndt et al., Electrochemical Society Proceedings Volume 95-30, Seiten 44-53, beschrieben ist.As described in EP 0 706 207, very good electronic passivation is achieved for a short time, but this is also not permanent. The passivating effect decreases significantly after only a few hours, as described in W. Arndt et al., Electrochemical Society Proceedings Volume 95-30, pages 44-53.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher, Siliciumformteile mit einer zeitlich stabilen elektronischen Passivierung der Oberfläche bereitzustellen, ohne dabei die mit den genannten Nachteilen behafteten Hochtemperaturprozesse einzusetzen.The object of the present invention was therefore to provide molded silicon parts with a time-stable electronic passivation of the surface without using the high-temperature processes which have the disadvantages mentioned.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß die Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß die Oberflächenbeschichtung ein Sol-Gel-Material ist.Surprisingly, it has now been found that the object can be achieved in that the surface coating is a sol-gel material.
Das Sol-Gel-Material kann durch naßchemische Applikation einer Sol-Gel-Lösung hergestellt werden.The sol-gel material can be produced by wet-chemical application of a sol-gel solution.
Es wurden Siliciumformteile mit passivierender Oberflächenbeschichtung gefunden, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die Beschichtung ein Sol-Gel-Material ist.Silicon moldings with a passivating surface coating were found, which are characterized in that the coating is a sol-gel material.
Unter einer zeitlich stabilen elektronischen Oberflächenpassivierung im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, daß über den Zeitraum eines Monats keine Abnahme der passivierenden Wirkung auftritt. Nach dem bisherigen Stand der Technik verlieren
naßchemisch applizierte Beschichtungen (z.B. iodhaltiges Kollophonium) ihre passi- vierende Wirkung sehr rasch innerhalb von Stunden, wie oben bereits dargelegt wurde.A time-stable electronic surface passivation in the sense of the invention is understood to mean that there is no decrease in the passivating effect over a period of one month. Lose according to the current state of technology Coatings applied wet-chemically (eg rosin containing iodine) have a passivating effect very quickly within hours, as already explained above.
Sol-Gel-Materialien im Sinne der Erfindung sind dreidimensional vernetzte, gegebenenfalls organisch modifizierte amorphe Gläser, die durch Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen niedermolekularer Verbindungen, wie z.B. Silicium- alkoxide, erhalten werden. Sie weisen mindestens ein Strukturelement der Formel (I)Sol-gel materials in the sense of the invention are three-dimensionally cross-linked, optionally organically modified amorphous glasses, which are obtained by hydrolysis and condensation reactions of low molecular weight compounds, such as e.g. Silicon alkoxides can be obtained. They have at least one structural element of the formula (I)
[R,-(E),-]J-SiR2 k(O1/2)4.k, (I) auf, wobei[R , - (E), -] J -SiR 2 k (O 1/2 ) 4 . k , (I), where
i gleich 0 oder 1 , j gleich 1 , 2 oder 3 ist und k für 0, 1 oder 2 steht und k +j <3i is 0 or 1, j is 1, 2 or 3 and k is 0, 1 or 2 and k + j <3
E Sauerstoff oder Schwefel ist sowieE is oxygen or sulfur as well
R1 ein gegebenenfalls substituierter Alkyl- oder Arylrest oder ein verbrückender Alkylen- oder Arylenrest ist und R2 für einen gegebenenfalls substituierten Alkyl- oder Arylrest steht.R 1 is an optionally substituted alkyl or aryl radical or a bridging alkylene or arylene radical and R 2 represents an optionally substituted alkyl or aryl radical.
Bevorzugt weisen die Sol-Gel-Materialien ein Strukturelement der Formel (II)The sol-gel materials preferably have a structural element of the formula (II)
[R,],-SiR (01/2)4.k.l (II) auf. wobei[R , ], - SiR (0 1/2 ) 4 . k . l (II). in which
j gleich 1 , 2 oder 3 ist und k für 0, 1 oder 2 steht und k + j <3 R1 ein verbrückender C,- bis C8-Alkylenrest ist undj is 1, 2 or 3 and k is 0, 1 or 2 and k + j <3 R 1 is a bridging C, - to C 8 -alkylene radical and
R2 für einen gegebenenfalls substituierten Alkvl- oder Arvlrest steht.
Besonders bevorzugt weisen die Sol-Gel-Lösungen ein Strukturelement der Formel (III)R 2 represents an optionally substituted alkylene or aromatic residue. The sol-gel solutions particularly preferably have a structural element of the formula (III)
[R'f-SiR^O,^ (III) auf, wobei[R'f-SiR ^ O, ^ (III), where
j gleich 1 ist, k für 0, 1 oder 2 steht und k +j <3j is 1, k is 0, 1 or 2 and k + j <3
R1 ein verbrückender C,- bis C4- Alkylenrest undR 1 is a bridging C, to C 4 alkylene radical and
R2 ein Methyl- oder Ethylrest ist.R 2 is a methyl or ethyl radical.
Die Formulierung "O1 /2" in den Formeln (I), (II) und (III) bezeichnet verbrückenden, difunktionellen Sauerstoff, z.B. also ein Strukturelement Si-O-Si.The formulation "O1 / 2" in formulas (I), (II) and (III) denotes bridging difunctional oxygen, e.g. thus a structural element Si-O-Si.
Ist in den Formeln (I), (II) oder (III) R1 ein Alkylenrest, so ist dieser bevorzugt mit einem kettenförmigen, sternförmigen (verzweigten), käfigförmigen oder, besonders bevorzugt, ringförmigen Siloxanrest verknüpft. Der ringförmige Siloxanrest kann beispielsweise [-O-Si(CH3)-]3 oder [-O-Si(CH3)-]4 sein.If in formula (I), (II) or (III) R 1 is an alkylene radical, this is preferably linked to a chain-shaped, star-shaped (branched), cage-shaped or, particularly preferably, ring-shaped siloxane radical. The ring-shaped siloxane radical can be, for example, [-O-Si (CH 3 ) -] 3 or [-O-Si (CH 3 ) -] 4 .
Die Sol-Gel-Materialien mit ketten-, Stern-, käfig- oder ringförmigen Siloxanresten entstehen, wenn in der Sol-Gel-Lösung entsprechende polyfunktionelle Organosilane eingesetzt werden, z. B. polyfunktionelle Silanole und/oder Alkoxide. Ebenfalls einsetzbar sind deren Oligomere, d. h. deren Hydrolyse und/oderThe sol-gel materials with chain, star, cage or ring-shaped siloxane residues are formed when appropriate polyfunctional organosilanes are used in the sol-gel solution, e.g. B. polyfunctional silanols and / or alkoxides. Their oligomers, d. H. their hydrolysis and / or
Kondensationsprodukte. Als bevorzugte Verbindungen seien genannt:Condensation products. The following may be mentioned as preferred compounds:
a) Si[(CH2)2Si(OH)(CH3)2]4 a) Si [(CH 2 ) 2 Si (OH) (CH 3 ) 2 ] 4
b) cyclo- {OSiMe[(CH2)2Si(OH)(CH3)2]} 4
c) yc/o-{OSiMe[(CH2)2Si(OC2Hs)2)(CH3)]}4 b) cyclo- {OSiMe [(CH 2 ) 2 Si (OH) (CH 3 ) 2 ]} 4 c) yc / o- {OSiMe [(CH 2 ) 2 Si (OC 2 H s ) 2 ) (CH 3 )]} 4
d) c^c/o-{OSiMe[(CH2)2Si(OCH3) )(CH3)2]}4 d) c ^ c / o- {OSiMe [(CH 2 ) 2 Si (OCH 3 )) (CH 3 ) 2 ]} 4
e) cyc/o-{OSiMe[(CH2)2Si(OC2H5)3]}4 e) cyc / o- {OSiMe [(CH 2 ) 2 Si (OC 2 H 5 ) 3 ]} 4
Die Herstellung der Sol-Gel-Materialien erfolgt nach Applikation der Sol-Gel- Beschichtungslösung auf die Siliciumoberfläche durch Verdampfen flüchtiger Bestandteile und Aushärtung. Die Applikation kann nach allen gängigen Methoden, wie Tauchen, Sprühen, Fluten, Schleudern, Rakeln oder Gießen, erfolgen, wobei dasThe sol-gel materials are produced after application of the sol-gel coating solution to the silicon surface by evaporating volatile constituents and curing. The application can be carried out according to all common methods, such as dipping, spraying, flooding, spinning, knife coating or pouring, the
Siliciumformteil auf der gesamten Oberfläche oder nur auf Teilen davon beschichtet werden kann.Silicon molding can be coated on the entire surface or only on parts thereof.
Die Herstellung der Sol-Gel-Materialien erfolgt beispielsweise durch Mischen geeigneter niedermolekularer Verbindungen in einem Lösungsmittel, wonach durchThe sol-gel materials are produced, for example, by mixing suitable low-molecular compounds in a solvent, followed by
Zugabe von Wasser und gegebenenfalls Katalysatoren die Hydrolyse- und/oder Kondensationsreaktion eingeleitet wird. Die Durchführung solcher Sol-Gel-Prozesse ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. So sind beispielsweise die Synthesen polyfunktioneller Organosilane und Organosiloxane sowie Verfahren zur Herstellung entsprechender Sol-Gel-Beschichtungslösungen, aus welchen wiederum die Sol-Gel-Adding water and optionally catalysts, the hydrolysis and / or condensation reaction is initiated. The execution of such sol-gel processes is basically known to the person skilled in the art. For example, the syntheses of polyfunctional organosilanes and organosiloxanes as well as processes for the production of corresponding sol-gel coating solutions, from which in turn the sol-gel
Materialien der Formel (III) erhalten werden können, in EP 0 743 313, EP 0 787 734 und WO 98/52992 beschrieben.Materials of the formula (III) can be obtained, described in EP 0 743 313, EP 0 787 734 and WO 98/52992.
Das gehärtete Sol-Gel-Material bildet eine hochtransparente Schicht, was insbe- sondere für die Verwendung auf Solarzellenoberflächen von großer Bedeutung ist, da es in der Passivierungsschicht zu keiner nennenswerten Lichtabsorption kommen darf. Dadurch würde der Wirkungsgrad der Solarzelle erheblich reduziert.The hardened sol-gel material forms a highly transparent layer, which is particularly important for use on solar cell surfaces, since no appreciable light absorption may occur in the passivation layer. This would significantly reduce the efficiency of the solar cell.
Ein erfindungsgemäßes, mit Sol-Gel-Material beschichtetes Siliciumformteil weist Oberflächenrekombinationsseschwindiεkeiten im Bereich von ca. 1000 cm/s auf,
während bei unbehandelten Siliciumoberflächen deutlich höhere Werte im Bereich von 105 — 106 cm/s gefunden werden.A molded silicon part according to the invention, coated with sol-gel material, has surface recombination speeds in the range of approx. 1000 cm / s, while significantly higher values in the range of 10 5 - 10 6 cm / s are found for untreated silicon surfaces.
Zur Verminderung der Reflexion sichtbaren Lichts können auf, unter oder zwischen mehrere Schichten aus Sol-Gel-Material zusätzlich eine oder mehrere Antireflex- schichten appliziert werden. Durch geeignete Modifizierung des Sol-Gel-Materials, z.B. durch den Einbau hochbrechender Substanzen wie Titanoxide, kann dieses selbst die Reflexion von einfallendem Licht vermindern.To reduce the reflection of visible light, one or more anti-reflective layers can additionally be applied on, under or between several layers of sol-gel material. By appropriate modification of the sol-gel material, e.g. by incorporating highly refractive substances such as titanium oxides, this can even reduce the reflection of incident light.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den beschichteten Siliciumformteilen um Siliciumscheiben mit einer Scheibendicke zwischen 100 μm und 3 mm. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Siliciumscheiben oder -schichten um Solarzellen. Die Schichtdicke abgeschiedener Siliciumschichten liegt dabei in der Regel bei 100 μm oder weniger.In a preferred embodiment of the present invention, the coated silicon moldings are silicon wafers with a wafer thickness between 100 μm and 3 mm. The silicon wafers or layers are particularly preferably solar cells. The layer thickness of deposited silicon layers is usually 100 μm or less.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den Solarzellen um solche, bei denen die n-dotierte Schicht den sog. Emitter, d.h. die beim Betrieb der Solarzelle dem Licht zugewandte Seite darstellt.In a further preferred embodiment of the invention, the solar cells are those in which the n-doped layer comprises the so-called emitter, i.e. represents the side facing the light during operation of the solar cell.
Die Solarzellen auf Scheibenbasis werden z.B. durch Erzeugung eines pn-Dotie- rungsübergangs - etwa durch Diffusion einer n-Dotierung aus der Gasphase in eine p- dotierte Scheibe - und anschließendes Aufbringen von Vorder- und Rückseitenkontakt hergestellt (einen Überblick bzgl. Zellprozessierung geben A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch in „Sonnenenergie: Photovoltaik", Teubner Verlag Stuttgart 1994). Die p-Dotierung wird dabei vorzugsweise durch gezielte Verunreinigung desThe disc-based solar cells are e.g. by producing a pn-doping transition - for example by diffusing an n-doping from the gas phase into a p-doped wafer - and then applying front and rear contact (an overview regarding cell processing is provided by A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch in "Solar Energy: Photovoltaics", Teubner Verlag Stuttgart 1994). The p-doping is preferably achieved by deliberate contamination of the
Siliciums mit einem Element aus der 3. Hauptgruppe (z.B. Bor), die n-Dotierung durch gezielte Verunreinigung mit einem Element aus der 5. Hauptgruppe (z.B. Phosphor) erzeugt. Die Solarzellen auf Basis von Siliciumschichten (Schichtdicke etwa 50 μm oder kleiner) können z.B. durch Abscheidung von Silicum aus der Gas- oder Flüssigphase auf geeignete Substratmaterialien (z.B. Glas, Keramik oder auchSilicon with an element from the 3rd main group (e.g. boron), which generates n-doping through targeted contamination with an element from the 5th main group (e.g. phosphorus). The solar cells based on silicon layers (layer thickness about 50 μm or less) can e.g. by depositing silicon from the gas or liquid phase onto suitable substrate materials (e.g. glass, ceramics or
Silicium selbst) hergestellt werden. Der pn-Dotierungsübergang kann hier bei-
spielsweise durch Beimischung der Dotierelemente in die Prozeßgase erzeugt werden.Silicon itself). The pn doping transition can here can be generated for example by admixing the doping elements in the process gases.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Beispielen erläutert werden.
In the following, the invention will be explained using examples.
VorbemerkungenPreliminary remarks
Die Wirkung der Oberflächenpassivierung wurde durch Lebensdauermessungen nach dem μPCD (Microwave Photoconductive Decay)- Verfahren überprüft. Dabei werden Ladungsträger durch einen Laserpuls erzeugt und das Abklingen dieser photogenerierten Ladungsträgerkonzentration wird durch Mikrowellenreflexion detektiert. Die Scheibe war während der Messung so eingebaut, daß die mit dem Sol-Gel- Material beschichtete Seite der Scheibe dem Laser und Mikrowellenmeßkopf zugewandt war. Die Zeitkonstante des Abklingens der Ladungsträgerkonzentration ist die sog. Effektive Lebensdauer τefT , die allgemein gegeben ist durchThe effect of the surface passivation was checked by lifetime measurements according to the μPCD (Microwave Photoconductive Decay) method. Charge carriers are generated by a laser pulse and the decay of this photo-generated charge carrier concentration is detected by microwave reflection. The disc was installed during the measurement so that the side of the disc coated with the sol-gel material was facing the laser and microwave measuring head. The time constant of the decay of the charge carrier concentration is the so-called effective lifetime τ efT , which is generally given by
Te f = Xbulk + τsurf ■ ( 1 ) T ef = X bulk + τ surf ■ (1)
Dabei ist τbul die Volumenlebensdauer des Siliciummaterials und τsurf die Lebensdauer, die sich durch die Rekombinationswirkung der Oberfläche einstellt.Τ bul is the volume lifespan of the silicon material and τ surf is the lifespan that results from the recombination effect of the surface.
Weiterhin giltStill applies
Lsurf d2/(π2 D) + d/2S (2) L surf d 2 / (π 2 D) + d / 2S (2)
wobei d die Scheibendicke, S die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und D der Diffusionskoeffizient der Minoritätsladungsträger (ca. 10 cm2/s für Löcher in dem vorliegenden n-leitenden Si) ist.where d is the slice thickness, S the surface recombination speed and D the diffusion coefficient of the minority charge carriers (approx. 10 cm 2 / s for holes in the present n-type Si).
Für Silicumscheiben üblicher Dicken (mm-Bereich) und unpassivierten Oberflächen (hohe Werte der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit S im Bereich von 105 -For silicon wafers of common thicknesses (mm range) and unpassivated surfaces (high values of the surface recombination speed S in the range from 10 5 -
106 cm/s) ist τblll viel größer (ca. 20 μs) als τsurf . so daß die gemessene effektive Lebensdauer τcf( nach Gleichung (1) etwa gleich τsurf ist.
Beispiel 1: Herstellung einer Sol-Gel-Lösung auf Basis von cyclo-10 6 cm / s), τ blll is much larger (approx. 20 μs) than τ surf . so that the measured effective lifetime τ cf ( according to equation (1) is approximately equal to τ surf . Example 1: Preparation of a sol-gel solution based on cyclo-
{OSi(CH3)[(CH2)2Si(CH3)2(OH)]}4 {OSi (CH 3 ) [(CH 2 ) 2 Si (CH 3 ) 2 (OH)]} 4
22,0 g ςyc/o-{OSi(CH3)[(CH2)2Si(CH3)2(OH)]}4 (33,9 mmol) und 28,3 g Si(OC2H5)4 (135,8 mmol) werden in 44,8 g Ethanol (p.A.) gelöst und unter Rühren mit 4,8 g einer22.0 g ςyc / o- {OSi (CH 3 ) [(CH 2 ) 2 Si (CH 3 ) 2 (OH)]} 4 (33.9 mmol) and 28.3 g Si (OC 2 H 5 ) 4 (135.8 mmol) are dissolved in 44.8 g of ethanol (pA) and with stirring, 4.8 g of one
0,1 n Lösung von p-Toluolsulfonsäure in Wasser versetzt. Die Mischung wird bei Raumtemperatur 60 Minuten gerührt und kann anschließend als Beschichtungslösung eingesetzt werden. Sie ist etwa 3 Stunden verarbeitbar. Die Trocknung einer damit hergestellten Sol-Gel-Beschichtung kann bei Raumtemperatur erfolgen, wobei die Beschichtung nach wenigen Minuten grifffest ist und nach einigen Stunden die0.1 n solution of p-toluenesulfonic acid in water. The mixture is stirred at room temperature for 60 minutes and can then be used as a coating solution. It can be processed for about 3 hours. The sol-gel coating thus produced can be dried at room temperature, the coating being grip-resistant after a few minutes and after a few hours
Endhärte erreicht, oder bei erhöhter Temperatur.Final hardness reached, or at elevated temperature.
Beispiel 2:Example 2:
Eine der Oberflächen von mittels Phosphor n-dotierten Siliciumscheiben (FlächeOne of the surfaces of silicon wafers n-doped with phosphorus (surface
10x10 cm) mit einer Dicke von ca. 300 - 400 μm wurde mit der Sol-Gel-Lösung aus Beispiel 1 beschichtet.10x10 cm) with a thickness of approx. 300 - 400 μm was coated with the sol-gel solution from Example 1.
Vor der Beschichtung wurde die Scheibe durch Ätzen in einer Säure-Mischung aus HF (40 %), HNO3 (65 %) und H3P04 (85 %) im Mischungsverhältnis 1 :3:3 oberflächlich etwa 20 μm pro Seite abgetragen und anschließend die natürliche Oxidschicht durch Ätzen in HF (5 %) entfernt. Die Lösung aus Beispiel 1 wurde nach Abspülen der Scheibe mit deionisiertem Wasser mit Hilfe eines Rakels einseitig in einer Schichtdicke von etwa 15 μm aufgebracht; die Trocknung der Sol-Gel-Be- Schichtung erfolgte bei Raumtemperatur.Before coating, the pane was removed by etching in an acid mixture of HF (40%), HNO 3 (65%) and H 3 P0 4 (85%) in a mixing ratio of 1: 3: 3 on the surface and about 20 μm then the natural oxide layer is removed by etching in HF (5%). The solution from Example 1 was applied to one side in a layer thickness of about 15 μm after rinsing the pane with deionized water using a doctor blade; the sol-gel coating was dried at room temperature.
Durch die Beschichtung mit einem Sol-Gel-Material steigt die effektive Lebensdauer τ f von 8,9 μs auf 15 - 16 μs an (siehe Abb. 1 ). Da die Volumenlebensdauer τbl.,k durch die Oberflächenbeschichtung nicht verändert wird, kann dieser Anstieg der effektiven Lebensdauer nach Gleichung (1 ) auf eine Erhöhung von τsιπ, und damit nach Gleichung (2) auf eine deutliche Verringerung der Oberflächenrekombinations-
geschwindigkeit S zurückgeführt werden. Aus einer effektiven Lebensdauer von 16 μs nach der Beschichtung kann aus der Bedingung τsurf > τeff (folgt aus Gleichung 1) mit Hilfe von Gleichung (2) eine Obergrenze für die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit S von ca. 2xl03 cm/s abgeschätzt werden. Durch die Beschichtung mit einem Sol-Gel-Material wurde S also um ca. zwei Größenordnungen abgesenkt. Aus Abb. 1 ist zusätzlich ersichtlich, daß die effektive Lebensdauer auch nach 165 Tagen stabil bei Werten um 15 μs liegt.
Coating with a sol-gel material increases the effective service life τ f from 8.9 μs to 15 - 16 μs (see Fig. 1). Since the volume lifespan τ bl ., K is not changed by the surface coating, this increase in the effective lifespan can be increased according to equation (1) to τ sιπ , and thus according to equation (2) to a significant reduction in surface recombination . speed S can be reduced. From an effective service life of 16 μs after coating, an upper limit for the surface recombination speed S of approx. 2 × 10 3 cm / s can be estimated from the condition τ surf > τ eff (follows from equation 1) with the help of equation (2). By coating with a sol-gel material, S was reduced by approximately two orders of magnitude. Fig. 1 also shows that the effective lifespan is stable at around 15 μs even after 165 days.
Beispiel 3:Example 3:
In diesem Falle wurden multikristalline Siliciumsolarzellen mit pn-Dotierungsüber- gang mit einer Sol-Gel-Beschichtung versehen. Die Solarzellen wurden aus 5x5 cm2 großen p-dotierten (Bor-haltigen) multikristallinen Siliciumscheiben mit einer Dicke von ca. 350 μm hergestellt. Die Bor-Konzentration der Scheiben betrug etwa 2χl016 cm"3. Der pn-Übergang der Solarzellen wurde durch eine Phosphor-Diffusion (n- Dotierung) aus der Gasphase bei 820°C für ca. 1 Stunde hergestellt. Anschließend wurde der Rückseitenkontakt als Vierschichtsystem (Al/Pd/Ti/Ag) aufgedampft und bei 620°C für ca. 1 Stunde gesintert. Der Vorderseitenkontakt besteht aus einer aufgedampften Gitterstruktur der Schichtfolge Ti/Pd/Ag. Auf das zusätzliche Aufbringen einer Antireflektionsschicht wurde verzichtet.In this case, multicrystalline silicon solar cells with pn doping transition were provided with a sol-gel coating. The solar cells were made from 5x5 cm 2 large p-doped (boron-containing) multicrystalline silicon wafers with a thickness of approx. 350 μm. The boron concentration of the wafers was about 2χl0 16 cm "3. The pn junction of the solar cells was produced by phosphorus diffusion (n-doping) from the gas phase at 820 ° C. for about 1 hour. The back contact was then used as Four-layer system (Al / Pd / Ti / Ag) evaporated and sintered for about 1 hour at 620 ° C. The front contact consists of a vapor-deposited lattice structure of the layer sequence Ti / Pd / Ag.
Der Wirkungsgrad der so hergestellten Solarzellen wurde unter weißem Licht der Bestrahlungsstärke 100 mW/cm2 zu 7,72 % (Solarzelle 1) bzw. 7,70 % (Solarzelle 2) bestimmt. Anschließend wurden die Solarzellen auf der Solarzellenvorderseite (n- dotierte sog. Emitterseite) mit einer Sol-Gel-Beschichtung versehen. Eine weitere Vorbehandlung der Solarzellenoberfläche erfolgte dabei nicht. Die Beschichtung mit der Sol-Gel-Lösung aus Beispiel 1 mit einer Dicke von ca. 15 μm wurde wieder mit einem Rakel aufgebracht. Die Trocknung erfolgte entweder bei RaumtemperaturThe efficiency of the solar cells produced in this way was determined under white light with an irradiance of 100 mW / cm 2 to be 7.72% (solar cell 1) and 7.70% (solar cell 2). The solar cells were then provided with a sol-gel coating on the front side of the solar cells (n-doped emitter side). There was no further pretreatment of the solar cell surface. The coating with the sol-gel solution from Example 1 with a thickness of approximately 15 μm was applied again using a doctor blade. Drying was carried out either at room temperature
(Solarzelle 1) oder durch Temperung bei 130°C für 1 Stunde in einem Trockenschrank. Nach der Beschichtung wurden Wirkungsgrade von 9,15 % (Solarzelle 1) bzw. 9,31 % (Solarzelle 2) bestimmt, d.h. die durch die Beschichtung verringerte Oberflächenrekombination führte zu einem signifikanten Wirkungsgradanstieg von relativ ca. 20 %. wobei der relative Anstieg des Wirkungsgrads für den bei 130°C getrockneten Beschichtung etwas höher als für den bei Raumtemperatur getrockneten war. Der Wirkungsgradanstieg bleibt dauerhaft erhalten, so wurden nach 41 Tagen Wirkungsgrade von 9,17 % (Solarzelle 1) bzw. 9,24 % (Solarzelle 2) gemessen, und nach 55 Tagen 9.07 % (Solarzelle 1 ) bzw. 9,25 % (Solarzelle 2).
Beispiel 4:(Solar cell 1) or by tempering at 130 ° C for 1 hour in a drying cabinet. After coating, efficiencies of 9.15% (solar cell 1) and 9.31% (solar cell 2) were determined, ie the reduced surface recombination due to the coating led to a significant increase in efficiency of approximately 20%. the relative increase in efficiency for the coating dried at 130 ° C was slightly higher than for that dried at room temperature. The increase in efficiency is sustained, so after 41 days efficiencies of 9.17% (solar cell 1) or 9.24% (solar cell 2) were measured, and after 55 days 9.07% (solar cell 1) or 9.25% ( Solar cell 2). Example 4:
Eine Solarzelle wurde analog zu Beispiel 3 hergestellt und analog zu Beispiel 3 mit einem Sol-Gel-Material beschichtet. Die Trocknung erfolgte bei Raumtemperatur. Der Wirkungsgradanstieg wurde in diesem Falle über eine längere Zeit verfolgt, um die Stabilität der Passivierungswirkung zu testen. Vor der Beschichtung ergab sich ein Wirkungsgrad von 6,84 %, direkt nach der Beschichtung stieg der Wirkungsgrad um 11,1 % relativ auf 7,6 %. Der Wirkungsgrad nach 42 Tagen betrug 7,67 %, nach 56 Tagen 7,68 %, nach 66 Tagen 7,66 %, nach 79 Tagen 7,63 %, nach 87 Tagen 7,68 % und nach 101 Tagen 7,75 %. Offensichtlich ermöglicht die Beschichtung mitA solar cell was produced analogously to Example 3 and coated analogously to Example 3 with a sol-gel material. The drying took place at room temperature. In this case, the increase in efficiency was monitored over a longer period of time in order to test the stability of the passivation effect. Before coating, the efficiency was 6.84%, directly after coating the efficiency rose by 11.1% relative to 7.6%. Efficiency was 7.67% after 42 days, 7.68% after 56 days, 7.66% after 66 days, 7.63% after 79 days, 7.68% after 87 days and 7.75% after 101 days . Obviously, the coating allows for
Sol-Gel-Material eine stabile Oberflächenpassivierung von Solarzellen auch über mehrere Monate hinweg.Sol-gel material ensures stable surface passivation of solar cells even over several months.
Beispiel 5: Herstellung einer Sol-Gel-Lösung auf Basis von CH3Si(OC2H5)3 Example 5: Preparation of a sol-gel solution based on CH 3 Si (OC 2 H 5 ) 3
10 g CH3Si(OC2H5)3 werden in 3,5 g Isopropanol (p. A.) gelöst und unter Rühren mit 1,5 g einer 0,1 n Lösung von p-Toluolsulfonsäure in Wasser versetzt. Die Mischung wird bei Raumtemperatur 60 Minuten gerührt und kann anschließend als Beschichtungslösung eingesetzt werden.10 g of CH 3 Si (OC 2 H 5 ) 3 are dissolved in 3.5 g of isopropanol (p. A.) and 1.5 g of a 0.1 N solution of p-toluenesulfonic acid in water are added with stirring. The mixture is stirred at room temperature for 60 minutes and can then be used as a coating solution.
Beispiel 6:Example 6:
Analog zu Beispiel 2 wurde eine mittels Phosphor n-dotierte Siliciumscheibe (nach analoger Vorbehandlung) mit der Sol-Gel-Lösung aus Beispiel 5 beschichtet und bei Raumtemperatur getrocknet.Analogously to Example 2, a silicon wafer n-doped with phosphorus (after analog pretreatment) was coated with the sol-gel solution from Example 5 and dried at room temperature.
Durch die Beschichtung mit dem Sol-Gel-Material steigt die effektive Lebensdauer τ l von 7.1 μs auf etwas mehr als 20 μs an, wobei der Anstieg langfristig (Meßdauer 150 Tage) erhalten bleibt (siehe Abb. 2). Dieser Wert entspricht einer Obergrenze der Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit S von ca. lxlO' cm/s.
The coating with the sol-gel material increases the effective lifespan τ l from 7.1 μs to a little more than 20 μs, whereby the increase remains in the long term (measuring time 150 days) (see Fig. 2). This value corresponds to an upper limit of the surface recombination speed S of approx. 10 × 10 cm / s.