Verfahren zur gleichzeitigen Rekristallisierung und Dotierung von Halbleiterschichten und nach diesem Verfahren hergestellte Halbleiterschichtsysteme
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver¬ fahren zur gleichzeitigen Rekristallisierung und Do¬ tierung von Halbleiterschichten insbesondere zur Her¬ stellung von kristallinen Silizium-Dünnschichtsolar¬ zellen und auf nach diesem Verfahren hergestellte Halbleiterschichtsysteme, insbesondere kristalline Silizium-Dünnschichtsolarzellen.
Die Herstellung von dünnen, dotierten Halbleiter¬ schichten bzw. SchichtSystemen für Elektronik und Photovoltaik wird derzeit auf verschiedenste Arten durchgeführt. Im allgemeinen ist es das Ziel, sand¬ wichartige Schichtstrukturen aus unterschiedlich do¬ tierten Teilschichten zu realisieren. Dabei kommen typischerweise mehrere Prozessschritte zum Einsatz, mit welchen eine solche Schichtstruktur sequentiell
aufgebaut wird. Das Aufbauen geschieht entweder durch Aufwachsen von Teilschichten (Abscheidung, Epitaxie) oder durch Eintreiben eines Dotierstoffs (beispiels¬ weise durch Diffusion oder Implantation) . Die Verfah- ren sind typischerweise dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen mehrerer unterschiedlich dotierter Schichten mehrere Eintreibprozesse oder Abscheidepro¬ zesse benötigt werden. Ausnahmen sind sog. Co- Diffusionsprozesse, bei denen aus unterschiedlichen Dotierstoffquellen gleichzeitig unterschiedlich do¬ tierte Schichten hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiter- Schichtstrukturen, bei denen der Halbleiter nach ei- nem Abscheideschritt noch über die Flüssigphase rekristallisiert wird, um beispielsweise die Kris¬ tallstruktur zu ändern. Eine solche Anwendung ist beispielsweise in der „Silicon on Insulator" (SOI) - Technologie gegeben oder im Bereich der kristallinen Silizium-Dünnschichtsolarzellen. Insbesondere an letzterem System wird die Erfindung nachfolgend bei¬ spielhaft erläutert.
Kristalline Silizium-Dünnschichtsolarzellen werden gegenwärtig durch unterschiedliche Verfahren herge¬ stellt. Eines dieser Verfahren nach dem Stand der Technik besteht aus den folgenden Prozessschritten:
1. Herstellen eines Substrates. 2. Abscheidung einer leitfähigen Zwischenschicht.
3. Abscheidung einer Keimschicht, welche üblicher¬ weise mit Dotierstoff angereichert ist, der in der Keimschicht eine n- oder p-Leitung hevorruft.
4. Aufbringen einer „Capping"-Schicht durch Abschei- düng oder thermisches Oxidieren.
5. Aufheizen und Rekristallisierung' der Keimschicht.
6. Entfernen der Capping-Schicht .
7. Abscheiden der photovoltaisch aktiven Absorber¬ schicht. 8. Herstellung des pn-Übergangs durch Eintreiben ei¬ nes Dotierstoffs in die aktive Absorberschicht. 9. Aufbringen der Metallisierung.
Die Keimschicht dient dabei sowohl dem Zweck, Kris- tallisationskeime für die epitaktische Abscheidung des Absorbers zu bilden, als auch zur Ausbildung ei¬ nes sog. „Back Surface Fields" (BSF) zur Verminderung von Ladungsträger-Rekombinationen. Hierzu ist die Keimschicht üblicherweise hochdotiert.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das separate Abscheiden der photovoltaisch aktiven Absorberschicht überflüs¬ sig werden zu lassen, ohne an der Funktionalität des prinzipiellen Aufbaus, insbesondere dem Vorhandensein der BSF-Schicht, Abstriche machen zu müssen.
Diese Aufgabe wird durch das Herstellungsverfahren nach Patentanspruch 1, das danach hergestellte HaIb- leiterschichtsystem nach Patentanspruch 38 sowie das System nach Anspruch 39 gelöst. Vorteilhafte Weiter¬ bildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen beschrie¬ ben.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden die folgenden Prozessschritte modifiziert:
Prozessschritt 2 : Statt einer undotierten Zwischen- schicht wird ein aus mindestens einer Teilschicht be¬ stehendes SchichtSystem abgeschieden. Mindestens eine
der Teilschichten des Schichtsystems besitzt einen Anteil an Dotierstoff, der in der aktiven Absorber¬ schicht als Akzeptor oder Donator wirken kann.
Prozessschritt 3 : Das Niveau der Dotierung der im dritten Prozessschritt abgeschiedenen Schicht wird niedriger oder gleich der Dotierung, die für den Ab¬ sorber des fertig hergestellten Halbleiterschichtsys¬ tems bzw. der fertig hergestellten Dünnschichtsolar- zelle notwendig ist, gewählt.
Durch diese beiden Prozessschrittmodifikationen kann der Prozessschritt 7 (d.h. die separate Abscheidung der Absorberschicht) entfallen, weil aufgrund von nachfolgend beschriebenen Abläufen im Rekristallisie- rungsschritt (Schritt 5) die im Prozessschritt 3 ab¬ geschiedene Schicht als Absorber verwendet werden kann. Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt letztendlich darin, dass sowohl die Ausbildung einer BSF-Schicht als auch die Dotierung der aktiven Absorberschicht während des Rekristallisationsschrit¬ tes erfolgen kann. Der Rekristallisationsschritt und der Dotierschritt erfolgen gleichzeitig. Die Ausbil¬ dung der BSF-Schicht folgt unmittelbar der gleichzei- tig stattfindenden Rekristallisierung und Dotierung, so dass die Ausbildung der BSF-Schicht, die Rekris¬ tallisation und die Dotierung der Absorberschicht in einem Hochtemperaturschritt in-situ geschehen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante wird auch Prozessschritt 4 modifiziert. Statt einer undo¬ tierten Capping-Schicht wird ein aus mindestens einer Teilschicht bestehendes Schichtsystem abgeschieden. Mindestens eine dieser Teilschichten des abgeschiede- nen Capping-Schichtsystems besitzt einen Anteil an
Dotierstoff, welcher dem der Absorberschicht komple-
mentär ist . Diese Ausgestaltungsform bewirkt die Her¬ stellung eines pn-Übergangs gleichzeitig mit der Her¬ stellung der BSF-Schicht unmittelbar nach der Wieder¬ erstarrung im selben Hochtemperaturschritt. Nach Ent- fernen der Capping-Multischicht kann dann unmittelbar mit der Metallisierung der Solarzelle begonnen wer¬ den.
Zusätzlich kann durch eine weitere Rekristallisierung der Emitter-/Absorberschicht an der der Substratbasis abgewandten Oberfläche mit gezielter Einstellung der Dicke des verflüssigten Siliziums eine Emitterschicht beliebiger, die Absorberdicke unterschreitenden Dicke hergestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvarian¬ te sind die dotierte Teilschicht des Zwischenschicht- Systems und die dotierte Teilschicht des Capping- Schichtsystems komplementär dotiert zu der Dotierung der in Prozessschritt 3 (späterer Absorber) abge¬ schiedenen Schicht. In diesem Fall wird ein pnp- oder ein npn-dotiertes System hergestellt. Ebenso kann das Zwischenschichtsystem komplementär zu dem Capping- Schichtsystem und zu der in Prozessschritt 3 abge- schiedenen Schicht (spätere Absorberschicht) dotiert sein. Dies führt dann zu npp+ oder pnn+ dotierten Systemen. Auch weitere Permutationen sind möglich (p+pn oder n+np-Systeme) .
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen in der vereinfachten Prozessabfolge, welche es insbe¬ sondere erlaubt, kostengünstig kristalline Silizium- Dünnschichtsolarzellen herzustellen: Der Schichtauf¬ bau und die Funktionalität des Schichtsystems kann mit weniger Prozessschritten erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung von dotierten HalbleiterschichtSystemen bzw. nach diesem Verfahren hergestellte Halbleiterschichtsyste- me können wie in dem nachfolgend beschriebenen Bei¬ spiel hergestellt werden oder ausgeführt sein. Das Beispiel beschreibt eine kristalline Silizium- Dünnschichtsolarzelle, was jedoch zu keiner Ein¬ schränkung des Schutzumfangs, wie er durch die Pa- tentansprüche gegeben ist, führt.
Es skizziert Figur 1 die Herstellung einer kristalli¬ nen Silizium-Dünnschichtsolarzelle mit einem Verfah¬ ren nach dem gegenwärtigen Stand der Technik.
Es skizziert Figur 2 die Herstellung einer kristalli¬ nen Silizium-Dünnschichtsolarzellen mit dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren.
Figur Ia zeigt ein Substrat 1, auf dem eine leitfähi¬ ge SiC-Schicht 2 als Zwischenschicht angeordnet ist. Auf der der Zwischenschicht abgewandten Seite ist an der Substratunterseite ein metallischer Basiskontakt 10 angebracht. Auf der Zwischenschicht 2 ist eine Keimschicht 3 aus Silizium angeordnet. Diese Keim¬ schicht 3 liegt in rekristallisierter, hochdotierter (für Solarzellen üblicherweise > 1018 at/cm3 Dotier¬ stoff) Form vor. Auf der hochdotierten Keimschicht 3 ist eine normal dotierte (üblicherweise 1016-1017 Ato- me/cm3) Silizium-Absorberschicht 7 angeordnet.
In Bezug auf das Substrat 1 gesehen oberhalb der Ab¬ sorberschicht 7 befindet sich die Emitterschicht 8, auf der zwei metallische Emitterkontakte 9 angeordnet sind.
Figur Ib zeigt die Prozessabfolge, welche zur Her¬ stellung eines Schichtsystems der rekristallisierten kristallinen Silizium-Dünnschichtsolarzelle nach Fi¬ gur Ia führt . Im Schritt 1 wird das Substrat durch Bandziehen hergestellt (Keramik/Si-Band) . Anschlie¬ ßend erfolgt im Schritt Ia die Reinigung des Sub¬ strats. Im nächsten Schritt 2 erfolgt die Abscheidung der dotierten oder undotierten, leitfähigen Zwischen¬ schicht. Auf der dotierten oder undotierten Zwischen- Schicht 2 wird im Prozessschritt 3 die Keimschicht aus Silizium abgeschieden. Diese ist mit Dotierstoff angereichert, der im vorliegenden Fall dazu geeignet ist, in der Keimschicht eine n-Leitung hervorzurufen. Der Dotierstoff kann jedoch auch eine p-Leitung her- vorrufen. In Prozessschritt 4 wird eine Capping-
Schicht abgeschieden. Diese besteht im vorliegenden Fall aus SiO2. Das Aufbringen der Capping-Schicht kann auch durch thermisches Oxidieren erfolgen. In Prozessschritt 5, dem Rekristallisierungsschritt, wird die Siliziumschicht 3 bzw. die Keimschicht 3 durch Schmelz-Rekristallisierung (im vorliegenden Fall Zonenschmelz-Rekristallisierung) aufgeheizt und rekristallisiert. Der Rekristallisierungsschritt 5 besteht aus drei Teilprozessen: Zum ersten dem Schmelzprozess, bei dem das Silizium der Keimschicht 3 in flüssiger Phase vorliegt, zum zweiten dem Er- starrungsprozess, bei dem das flüssige Silizium übli¬ cherweise gerichtet erstarrt und zum dritten einem Temperprozess (bei dem das Silizium auf einer Tempe- ratur in der Nähe, aber unterhalb der Schmelztempera¬ tur gehalten wird, um eingefrorene Spannungen abzu¬ bauen) , nach dem Schmelz- und Erstarrungsprozess, bei dem das Silizium als Festkörper vorliegt. Im nachfolgenden Schritt 6 wird die Capping-Schicht 4 wieder entfernt. Danach erfolgt im Prozessschritt 7 die Abscheidung der photovoltaisch aktiven Silizium-
Absorberschicht 7. Im nachfolgenden Schritt 8 wird der pn-Übergang hergestellt. Dies erfolgt im vorlie¬ genden Fall durch Drucken, Sprühen oder Abscheiden einer mit Dotierstoff (dieser Dotierstoff ist komple- mentär zum in der Absorberschicht 7 vorhandenen Do¬ tierstoff, führt also im vorliegenden Fall zu einer p-Leitung, kann jedoch auch bei einer p-Leitung in der Absorberschicht 7 zu einer n-Leitung führen) an¬ gereicherten Quellenschicht mit nachfolgendem oder gleichzeitigem Eintreiben des Dotierstoffs in die ak¬ tive Absorberschicht 7 durch Tempern. Hierdurch ent¬ steht die Emitterschicht 8. Im Schritt 9 erfolgt schließlich das Aufbringen der Metallisierung bzw. der Emitterkontakte 9 und des Basiskontakts 10. Die Silizium-Keimschicht 3 dient zwei Zwecken: Durch sie werden Kristallisationskeime für das epitaktische Abscheiden des Siliziumabsorbers 7 ausgebildet und sie dient der Ausbildung eines sog. „Back Surface Fields" (BSF) -Schicht zur Verminderung der Ladungs- träger-Rekombination an der Grenzfläche von der Zwi¬ schenschicht 2 zum Silizium. Hierzu ist die Keim¬ schicht 3 im vorliegenden Fall hochdotiert.
Die Figuren 2a (vor dem Schmelzprozess) und 2b (nach dem Schmelzprozess und der Metallisierung) zeigen, wie im erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zum Verfahren nach dem Stand der Technik (Figur 1) der Prozessschritt der Silizium-Epitaxie (separates Ab¬ scheiden der aktiven Silizium-Absorberschicht im Pro- zessschritt 7) überflüssig wird, ohne dass an der Funktionalität des prinzipiellen Aufbaus, speziell dem Vorhandensein einer BSF-Schicht, Abstriche ge¬ macht werden müssen. In den Figuren sind Schichten bzw. Schichtsystem-Bestandteile, die mit den Schich- ten bzw. Schichtsystem-Bestandteilen in Figur Ia übereinstimmen oder Schichtsystembestandteilen der in
Figur Ia gezeigten Anordnung entsprechen mit identi¬ schen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im erfindungsge¬ mäßen Prozess wird in Prozessschritt 2 statt einer beliebig dotierten oder undotierten Zwischenschicht ein aus mindestens einer Teilschicht bestehendes Zwi¬ schenschichtsystem (dieses wird nachfolgend ebenfalls durch das Bezugszeichen 2 gekennzeichnet) abgeschie¬ den. Mindestens eine der Teilschichten dieses Zwi¬ schenschichtsystems 2 besitzt einen exakt vorgegebe- nen Anteil an Dotierstoff, der später in der abzu¬ scheidenden aktiven Absorberschicht als Akzeptor oder Donator wirkt. In Prozessschritt 3 ist das Niveau der in diesem Prozessschritt abgeschiedenen Silizium¬ schicht (welche die spätere Absorberschicht dar- stellt) niedriger oder gleich der Dotierung, die für die spätere Absorberschicht bzw. den Solarzellenab¬ sorber notwendig ist. Durch die nachfolgend beschrie¬ benen, im Rekristallisierungsschritt stattfindenden Abläufe kann im erfindungsgemäßen Verfahren die sepa- rate Abscheidung des Siliziumabsorbers (im Stand der Technik dem Prozessschritt 7 entsprechend) entfallen. Die Figur 2a zeigt nun ein Schema der erfindungsgemä¬ ßen Halbleiter-Schichtkombination vor dem Rekristal¬ lisierungsschritt 5. Auf dem leitfähigen Siliziumsub- strat 1 ist die leitfähige Multi-Zwischenschicht 2 bzw. das entsprechende Zwischenschichtsystem 2 ange¬ ordnet bzw. abgeschieden worden. Dieses Zwischen¬ schichtsystem 2 ist elektrisch leitfähig kann i. A. aber auch nicht-leitfähig sein (z.B. dotiertes SiO2) und hochdotiert (im vorliegenden Fall führt die Do¬ tierung zu einer n-Leitung, kann jedoch auch zu einer p-Leitung führen) und besteht im vorliegenden Fall aus einer Teilschicht. Auf dem Zwischenschichtsystem 2 ist auf der substratabgewandten Seite die (spätere) Silizium-Absorberschicht 3 abgeschieden. Diese weist im vorliegenden Fall eine Dotierung (hier: wie die
Multi-Zwischen-Schicht 2 n-Dotierung, es kann aber auch eine p-Dotierung sein, wenn das Zwischen- Schichtsystem 2 eine solche aufweist) auf, welche niedriger als die Dotierung ist, die sich für den So- larzellenabsorber schlussendlich einstellt. Die spä¬ tere Absorberschicht 3 kann jedoch auch undotiert sein (technisch möglich ist hier auch eine leichte Komplementär-Dotierung zur Zwischenschicht, die beim Rekristallisieren überdotiert wird) . In Figur 2b sind zwei Abschnitte der Absorberschicht (Abschnitt 3b auf der substratabgewandten Seite unmittelbar angrenzend an das Zwischenschichtsystem und Abschnitt 3a auf der dem Zwischenschichtsystem 2 abgewandten Seite des Ab¬ schnitts 3b unmittelbar an den Abschnitt 3b angren- zend) gekennzeichnet. In Abschnitt 3b hat sich nach dem Rekristallisierungsprozess durch Eindiffusion die hochdotierte BSF-Schicht ausgebildet. Oberhalb der späteren Absorberschicht 3 ist (Fig. 2a) die Capping-Schicht 4 abgeschieden bzw. angeordnet. Diese ist im vorliegenden Fall (was später beschrie¬ ben wird) eine Capping-Multischicht bzw. ein Capping- SchichtSystem.
Die Besonderheiten des Zwischenschichtsystems sind wie folgt (diese Besonderheiten gelten ebenso für das später beschriebene Capping-Schichtsystem) :
Die Dotierstoffkonzentrationen in Dotierstoff-Quell¬ schichten des Zwischenschichtsystems 2 betragen übli- cherweise etwa 1018 bis 1022 Atome/cm3. Pufferschich¬ ten des Schichtsystems 2 können undotiert sein oder Dotierstoffkonzentrationen bis etwa 1018 Atome/cm3 aufweisen. Diese Werte gelten vor dem Aufschmelzen bzw. dem Rekristallisationsschritt. Nach dem Auf- schmelzen bzw. dem Rekristallisationsschritt betragen die Werte für die Dotierstoff-Quellenschicht (diese
entspricht der vorgenannten Teilschicht mit dem exakt vorgegebenen Anteil an Dotierstoff) typischerweise etwa > 10ls Atome/cm3' Die Dotierstoffverteilung kann scharfe Sprünge aufweisen, aber auch entsprechend des Prozesses langsam über den Schichtquerschnitt (senk¬ recht zur Schichtebene) variieren. Die in dem Zwi¬ schenschichtsystem 2 verwendete Schichtanzahl (Quel¬ lenschichten und Pufferschichten) richtet sich nach den Notwendigkeiten des Rekristallisationsprozesses. Üblicherweise beträgt sie zwei bis drei Schichten. In der Regel wird hierbei nur eine Schicht als Quell- Schicht abgeschieden. Die Schichtdicken müssen ent¬ sprechend des thermischen Ablaufs des Prozesses ein¬ gestellt werden. Üblicherweise werden Schichtdicken in der Größenordnung von 100 bis 1000 nm eingesetzt. Als Schichtmaterialien kommen alle Materialien in Frage, die bei den hohen Prozesstemperaturen (bis et¬ wa 15000C) Halbleiterreinheit behalten. Es werden da¬ her Verbindungen aus Si, 0, C, N, B, P, Al, Ga, Sb, As und/oder In verwendet, insbesondere SiO2, SiNx (x ist eine ganze Zahl, gleich oder größer als 1), SiC, BN und/oder BC.
Wie bereits beschrieben, kann die Dotierung des Zwi- schenschichtsystems 2 eventuell auch komplementär zur Dotierung der Absorberschicht 3 sein.
Wenn die rückseitig bzw. an der Substratzugewandten Seite der späteren Absorberschicht eingetriebene (das Eintreiben kann jedoch auch alternativ hierzu vorder¬ seitig bzw. auf der substratabgewandten Seite der späteren Absorberschicht erfolgen) BSF-Schicht für Dünnschichtsolarzellen genutzt wird, werden üblicher¬ weise für Si-Solarzellen folgende Werte verwendet:
• Schichtdicke der BSF-Schicht (durch das Diffusi-
onsprofil gegeben) im Bereich von 0.1 bis 5 μm
• Dotierstoffkonzentration in der BSF-Schicht im
Bereich von etwa 1017 bis 1021 Atome/cm3.
Je nach Material und Anwendung können diese Werte aber auch außerhalb des genannten Bereichs liegen.
Im Prozessschritt 5, dem Rekristallisationsprozess, geschieht folgendes: Während des Schmelz-Teil¬ prozesses wird Dotierstoff aus dem Zwischenschicht¬ system 2 herausgelöst und verteilt sich quasi homogen in der Schmelze der späteren Absorberschicht 3. Beim Wiedererstarren der Schmelze der späteren Absorber- schicht 3 wird dieser Dotierstoff in die entstehende Absorberschicht eingebaut und aktiviert. Er dient nun der Grunddotierung dieser Schicht, die dadurch zur aktiven Absorberschicht (bzw. der Basis der Solarzel¬ le) wird. Im nachfolgenden Temper- und Abkühlprozess diffundiert weiter Dotierstoff aus dem Zwischen¬ schichtsystem 2 in die neu gebildete Absorberschicht 3. Durch die im Festkörperzustand der Absorberschicht 3 gegenüber der Flüssigphase verringerten Diffusions¬ geschwindigkeit akkumuliert sich der Dotierstoff nun an der rückseitigen Oberfläche (d.h. an der dem Zwi¬ schenschichtsystem 2 zugewandten Oberfläche der Ab¬ sorberschicht 3) der Absorberschicht 3 und bildet da¬ durch im Schichtbereich 3b bedingt durch die Eindif- fusion eine hochdotierte BSF-Schicht aus.
Für die Steuerung in der Rekristallisationsphase bzw. im Rekristallisationsschritt stehen die folgenden Pa¬ rameter zur Verfügung:
Heizleistungen, Verteilung der Heizleistung, Vor¬ schubgeschwindigkeit, Aufheiz-/Abkühlrampen, Höhe
(d.h. Temperatur) der Temperplateaus und Temperzei¬ ten. All diese Parameter beeinflussen letztendlich a) die Zeit, in der das Silizium geschmolzen ist und b) den Temperaturverlauf über die Zeit. Der erfindungs- gemäße Rekristallisationsprozess lässt sich genauer durch 5 verschiedene Phasen beschreiben:
1. Aufheiz- und Haltephase (Rampe zur Temperatur¬ erhöhung) :
Diese dauert typischerweise einige Minuten, die Endtemperatur liegt bei Silizium typischerweise im Bereich von 9000C bis 13000C (bei anderen Materialien muss die Temperatur entsprechend angepasst werden) . Die Steuerparameter während dieser Phase sind die Zeit, der Temperaturver¬ lauf, die Plateautemperatur, die Plateauzeit und/oder die Prozessgasatmosphäre.
2. Schmelzphase:
Hier erfolgt das Aufschmelzen der Silizium¬ schicht und das Halten. Wird beim Zonenschmelz- prozess durch Heizleistungen, Verteilung der Heizleistung, Vorschubgeschwindigkeit und z.T. auch Prozessgasatmosphäre bestimmt. Bei anderen Schmelzverfahren können die Parameter anders sein bzw. gewählt werden. Typische Zeitdauer: Einige zehntel bis einige zehn Sekunden. Beim Laser- oder Elektronenstrahlrekristallisieren ist die Zeit deutlich kürzer (bis hinunter zu Nanosekunden) .
3. Rekristallisationsphase: Wiedererstarren der geschmolzenen Schicht
Beim ZMR-Prozess (Zonenschmelz- Rekristallisationsprozess bzw. engl, zone- melting recrystallisation process) bestimmen Vorschubgeschwindigkeit, Heizleistung und Heiz¬ leistungsverteilung, Energieabfuhr (Wärmelei¬ tung, Abstrahlung und Konvektion) , sowie Rich- tung der Energieeinkopplung die Rekristallisa¬ tion. Dies ist wichtig für die Segregation, die während des Wiedererstarrens stattfindet (nach¬ folgend beschrieben) .
4. Temperphase:
Die Steuerung ist in dieser Phase nur durch Einstellung von Temperatur und Temperzeiten möglich, d.h. durch das Temperaturprofil über der Zeit. Hier wird die Dotierung eingetrieben und es erfolgt eine Relaxation von Verspannun¬ gen des Kristalls. Die Steuerparameter sind in dieser Phase die Temperatur(en) , die Haltedau¬ er(n) und/oder die Abkühlgeschwindigkeit (en) (Rampen) .
5. Abkühlphase:
Hier erfolgt ein Herunterkühlen des Substrat- Systems auf Raumtemperatur. Die Parameter zur
Steuerung sind hier die Rampendauer und die Rampenform. Insbesondere die Schmelzphase und die Rekristallisationsphase müssen im Zusammen¬ spiel von Diffusion, Löslichkeit und Segrega- tion so gestaltet werden, dass sich das ge¬ wünschte Endprofil ergibt .
Das Wesen der Erfindung liegt somit darin, dass die Dotierung der aktiven Absorberschicht 3a sowie die Rekristallisation der Absorberschicht 3a gleichzeitig in einem Hochtemperaturschritt erfolgen und dass im selben Hochtemperaturschritt (am Ende der Phase 3. und während der Phase 4.) unmittelbar anschließend die Realisation der BSF-Schicht 3b erfolgt. Im An- schluss an die bisher beschriebenen Prozessschritte erfolgt noch das Diffundieren des Emitters, das Ent¬ fernen des Capping-Schichtsystems 4 sowie die Auf¬ bringung der Metallisierung bzw. der Emitterkontakte 9.
Figur 2b zeigt eine mit dem erfindungsgemäßen Verfah¬ ren wie beschrieben hergestellte kristalline Silizi¬ um-Dünnschichtsolarzelle. Auf dem leitfähigen Silizi¬ umsubstrat 1 (mit an der Unterseite angebrachtem Ba¬ siskontakt 10) ist auf der dem Basiskontakt gegenü- berliegenden Oberfläche das leitfähige, hochdotierte ZwischenschichtSystem 2 angeordnet. Oberhalb des bzw. auf der substratabgewandten Seite des Zwischen¬ schichtsystems 2 ist an diesem angrenzend die eindif¬ fundierte, hochdotierte BSF-Schicht 3b angeordnet. Oberhalb der bzw. auf der zwischenschichtabgewandten Seite der BSF-Schicht befindet sich angrenzend an diese dann die normal-dotierte Silizium-Absorber¬ schicht, der eigentliche Absorber der Solarzelle (Be¬ zugszeichen 3a) . Am oberen Ende der Schichtfolge, un- mittelbar auf der Absorberschicht 3a (auf deren BSF- Schicht-abgewandten Seite) , ist die Emitterschicht 8 zu erkennen. Auf dieser sind dann auf ihrer absorber- abgewandten Oberfläche die beiden Emitterkontakte 9 angeordnet .
Anhand von Figur 2a ist auch eine vorteilhafte Erwei¬ terung der im Vergleich zum Stand der Technik vorge¬ nommenen Modifikationen zu erkennen. Statt einer un¬ dotierten Capping-Schicht wird ein aus mindestens ei- ner Teilschicht bestehendes Capping-Schichtsystem 4 auf der späteren Absorberschicht 3 abgeschieden. Min¬ destens eine Teilschicht aus diesem Capping- Schichtsystem (im gezeigten Fall besteht das Capping- Schicht-System 4 aus dieser Teilschicht) besitzt ei- nen Anteil an Dotierstoff, der dem der Absorber¬ schicht komplementär ist (der also n-Leitung verur¬ sacht, wenn die Absorberschicht p-leitend ist und um¬ gekehrt) . Im vorliegenden Fall bewirkt der Dotier¬ stoff eine p-Leitung. Dieses Capping-Schichtsystem 4 wirkt nun während des Prozessschrittes 5 folgenderma¬ ßen: Im Schmelz-Teilprozess löst sich Dotierstoff aus dem Capping-Schichtsystem 4 heraus und verteilt sich in der Schmelze der späteren Absorberschicht 3 quasi homogen. Die Menge des herausgelösten bzw. in diese Schmelze eindiffundierenden Dotierstoffs kann durch un- oder schwachdotierte Teilschichten gesteuert wer¬ den, die auf der Seite der späteren Silizium- Absorberschicht 3 des Capping-SchichtSystems 4 lie¬ gen. Im Erstarrungs-Teilprozess des Prozessschritts 5 wird die Konzentration des Dotierstoffs aus dem Cap¬ ping-SchichtSystems 4 in der späteren Absorberschicht 3 durch Segregationsprozesse eingestellt.
Die Segregation (dies ist ein Vorgang, bei dem sich ein Konzentrationsunterschied zwischen zwei angren¬ zenden Schichten einstellt, selbst wenn man sich im thermischen Gleichgewicht befindet. Segregation tritt z.B. für den Verunreinigungsstoff Eisen in Silizium extrem beim Erstarren auf: Die Konzentration im fes- ten Silizium kann 105 mal kleiner sein als im flüssi¬ gen) zwischen Flüssig- und Festphase kann durch Ein-
stellen des Temperaturgradienten in der Schicht und damit der Richtung der Erstarrung gesteuert werden. Segregation tritt auch auf, wenn zwei unterschiedli¬ che Materialien aneinander grenzen (beispielsweise SiO2 und Si) . Diese wird dann Festkörpersegregation genannt und kann dazu führen, dass im thermischen Gleichgewicht ein Konzentrationsgradient über zwei Festkörperschichten bestehen bleibt. Im erfindungsge¬ mäßen Verfahren kann die Festkörpersegregation durch geschickt gewählte Schichtmaterialien für das Zwi¬ schenschichtsystem 2 und/oder das Capping-Schicht- system 4 an der Grenzfläche zum Silizium bzw. zur Ab¬ sorberschicht 3 ausgenutzt werden.
Im Temperschritt diffundiert weiter Dotierstoff aus der Capping-Multischicht 4 in die nun feste Absorber¬ schicht 3. Aufgrund dieser Festkörperdiffusion bildet sich an der Oberfläche der Silizium-Schicht eine der Absorberschicht 3 gegendotierte Schicht, die als So- larzellenemitter bzw. Emitterschicht 8 (siehe Figur 2b) dient.
Die Konzentration des dritten Dotierstoffs in der Ab¬ sorberschicht (der dritte Dotierstoff ist derjenige, der aus der dotierten Teilschicht des Capping-
Schichtsystems 4 in die Absorberschicht 3 eindiffun¬ diert) beträgt typischerweise für Silizium vor dem Aufschmelzen bzw. dem Rekristallisationsschritt zwi¬ schen 0 Atome/cm3 (undotiert) und etwa 1018 Atome/cm3 und nach dem Aufschmelzen bzw. dem Rekristallisati¬ onsschritt zwischen etwa 1017 und 1022 Atome/cm3, vor¬ zugsweise zwischen 3xlO18 und 2xlO21 Atome/cm3. Die Konzentration des Dotierstoffs in der niedrig dotier¬ ten Absorberschicht bzw. im niedrig dotierten Bereich der Absorberschicht 3 beträgt vor dem Aufschmelzen bzw. dem Rekristallisationsschritt zwischen 0 Ato-
me/cm3 (undotiert) und etwa 1017 Atome/cm3. Die ent¬ sprechende Konzentration nach dem Aufschmelzen bzw. dem Rekristallisationsschritt beträgt zwischen etwa 1014 Atome/cm3 und 1019 Atome/cm3. Optimal für Solar- zellen ist eine Dotierstoffkonzentration (nach dem Aufschmelzen) von 1016 bis 5xlO17 Atome/cm3.
Wird wie beschrieben ein Capping-Multischichtsystem 4 verwendet, so entfällt bei dem erfindungsgemäßen Her- stellungsprozess ebenfalls die separate Herstellung des pn-Übergangs bzw. der Emitterschicht 8 (Prozess¬ schritt 8 im Stand der Technik) , d.h. die Herstellung des pn-Übergangs kann ebenfalls im Hochtemperatur¬ schritt, in dem die Herstellung der BSF-Schicht er- folgt, erfolgen. Nach Entfernen der Capping-Multi- schicht 4 kann also unmittelbar mit der Metallisie¬ rung der Solarzelle begonnen werden.
Alternativ hierzu kann jedoch auch eine konventionel- Ie Capping-Schicht 4 verwendet werden und der pn-
Übergang analog zum Prozessschritt 8 des Standes der Technik hergestellt werden (durch Drucken, Sprühen oder Abscheiden einer mit Dotierstoff, welcher kom¬ plementär zum in der Absorberschicht 3 vorhandenen Dotierschicht ist, angereicherten Quellenschicht mit nachfolgendem oder gleichzeitigem Eintreiben dieses Dotierstoffs in die aktive Absorberschicht 3 durch Tempern) .
Optional kann durch eine weitere Rekristallisierung der Emitter/Absorberschicht 3, 8, an der substratab- gewandten Oberfläche bzw. der Emitterseite mit ge¬ zielter Einstellung der Dicke des verflüssigten Sili¬ ziums eine Emitterschicht hergestellt werden, welche eine Dicke aufweist, die die Dicke des Absorbers un¬ terschreitet. Eine solche Emitterschicht hat typi-
scherweise eine Dicke im Bereich von etwa 1 μm.
Wesentliche Aspekte der vorliegenden Erfindung sind somit die Dotierung der Basisschicht bzw. Absorber- Schicht in der Schmelzphase durch Ausdiffusion aus dotierten, an der Basisschicht anliegenden Schicht¬ systemen und die gleichzeitig zu dieser Dotierung er¬ folgende Rekristallisierung der Absorberschicht und Herstellung der BSF-Schicht durch Diffusion aus einer Quellenschicht. Die beschriebenen Vorgänge erfolgen also in einem einzigen Hochtemperaturschritt.
Die Steuerung der Dotierung der Absorberschicht kann durch Anpassung der Rekristallisierungsgeschwindig- keit sowie der vorher und nachher stattfindenden Auf¬ heiz-, Abkühl- und Temperprozesse geschehen. Die Steuerung der Dotierung der Absorberschicht kann je¬ doch auch durch Anpassung der Multischichtsysteme, d.h. des Capping-Multischichtsystems und/oder des Zwischenschicht-MuItischichtsystems (in Bezug auf An¬ zahl und/oder Art der verwendeten Teilschichten, de¬ ren Dotierstoffgehalt und deren Dicke) erfolgen.