WO2008043827A2 - Verfahren zur passivierung von solarzellen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the production of solar cells based on silicon and relates in particular to a process for the passivation of crystalline silicon solar cells, in which crystalline silicon is doped in a suitable device first with phosphorus to produce a diode under the influence of temperature by a diffusion process and then a passivation and antireflecting the surface of the silicon by depositing silicon nitride in a plasma process.
- p-type silicon is doped, preferably with phosphorus, to produce the diode. This is done by applying a dopant on the silicon blank, which serves as a doping source, and a subsequent annealing. At this time, the dopant, i. the phosphorus atoms, driven into the silicon and electrically activates the doping atoms simultaneously.
- the doping can also be carried out by a POCL3 process, in which more or less simultaneously by the action of temperature a phosphorus glass is deposited on one side of the silicon blank (the front side facing the light), which then serves as doping source.
- Boron can also be diffused on the other side of the silicon blank.
- a largely exponential depth profile of the doping atoms is generated.
- Typical emitter surface resistances are in the range between 20 and 100 ohms.
- the requirement for an appropriate emitter depth (about 300-500 nm) for a good contact during the subsequent sintering process and not too long process times for the diffusion results in surface concentrations of the doping atoms of up to 5 ⁇ 10 cm.
- the very high dopant concentrations close to the surface can not be completely electrically activated and a surface layer of about 20-50 nm thickness, which is referred to as the "dead layer”, develops after diffusion With this etching process, the silicon surface serves as an etch stop, whereby the "dead layer” is retained, since it is located within the surface layer of the silicon.
- a nitride deposition is carried out, which generally takes place by means of a plasma method, and finally, for the electrical connection of the silicon solar cell, back and front side contacts are applied to an electric circuit.
- the invention has for its object to provide a method for passivation of solar cells, with which the efficiency of solar cells with the least possible effort is significantly improved.
- the object underlying the invention is achieved in that the existing in the near-surface region of the silicon blank "dead layer" with high Phosphorkonzentrati- on immediately before the deposition of the silicon nitride is removed by dry etching in an etching plasma.
- the etching plasma is enriched with C 2 F 5 - O 2 mixtures as etching gas.
- the etching plasma can also be enriched with halogen-containing gas mixtures.
- the etching plasma used is a low-frequency plasma in the range from 10 to 50 kHz, which is pulsed for better reactant distribution and power control.
- the silicon ingots between the etchback and the nitride deposition are neither reloaded nor moved while maintaining the vacuum.
- An alternative to increasing throughput is to re-etch the dead layer and deposit the nitride layer in different process chambers without vacuum interruption.
- a suitable for carrying out the process plasma system with a vacuum plasma chamber contains a parallel plate wafer holder to achieve the most homogeneous electric field distribution in the plasma and the vacuum plasma chamber can be heated for the etching and deposition.
- the nitride as an electronic mirror leads to a better passivation of the solar cell, and in the “dead layer” the dopant concentration is so high that the recombination of charge carriers is exceeded. weighs and the "dead layer” thus can not contribute to the power gain and additionally attenuates the incidence of light into the solar cell.A removal of the "dead layer” thus leads directly to an increase in the current of the solar cell.
- the fill factor is the quotient of the maximum power of a solar cell at the maximum power point and the product of no-load voltage and short-circuit current.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a silicon blank with a phosphorus glass coating after the phosphorus diffusion process
- FIG. 2 shows the silicon blank according to FIG. 1 after removal of the phosphor glass coating
- Fig. 3 a finished processed silicon solar cell.
- the silicon blanks 1 are first doped with phosphorus in a suitable reactor. This is done first with a POCL3 pro- zess a phosphorus glass 2 applied on one side of the silicon blank 1 and then carried out under the influence of temperature, a diffusion process into the depth of the silicon blank 1. The result is a largely exponential depth profile of the diffused phosphor.
- the dopant concentrations in the near-surface region of the silicon blank 1, which are very high in this process, can not be fully activated, so that the dead layer 3 already described is produced.
- the required n-type layer 4 is formed under this dead layer 3.
- the phosphor glass 2 is removed by means of a wet etching step using hydrofluoric acid, the surface of the silicon acting as an etching stop and thus the dead layer 3 not being attacked (FIG. 2).
- this dead layer 3 is then removed by dry etching with the aid of an etching plasma containing C 2 FgO 2 mixtures or other halogen-containing gas mixtures, namely immediately before the nitride deposition for antireflection and passivation of the surface of the silicon solar cell.
- FIG. 3 shows a schematic representation of a completely processed silicon solar cell 10.
- the removal of the dead layer 3 can take place in a vacuum process chamber, in which subsequently the nitride deposition is carried out.
- Usable etching gases are C 2 F 5 O 2 mixtures or other halogen-containing gas mixtures.
- a possibly pulsed low-frequency plasma with a frequency of 10 - 500 kHz is used. Shall the two processes in Different vacuum process chambers are performed, so care must be taken to ensure that the vacuum is not interrupted during the necessary transport of the silicon blanks 1.
- the Nitridabescheidung to form an antireflection layer 7 on the n-type layer 4 is then carried out by depositing silicon nitride with a plasma process in a heated plasma chamber, which is equipped with a parallel plate wafer holder, the as homogeneous as possible for the etching and deposition FeId distribution ensured in the plasma.
- a front contact 8 For the completion of the silicon solar cell 10, a front contact 8 must then also be applied to the antireflection coating 7, and a back contact 9 with conventional coating processes on the opposite side.
- the front-side contact 8 can be designed as a contact grid or as a transparent electrode.
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Solarzellen auf Siliziumbasis und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Passivierung von kristallinen Silizium-Solarzellen, bei dem kristallines Silizium in einer geeigneten Einrichtung zunächst mit Phosphor zur Erzeugung einer Diode unter Temperatureinwirkung durch einen Dif fusionsprozess dotiert wird und anschließend eine Passivierung und Entspiegelung der Oberfläche des Siliziums durch Abscheiden von Siliziumnitrid in einem Plasmaverfahren vorgenommen wird. Mit der Erfindung soll ein Verfahren zur Passivierung von Solarzellen geschaffen werden, mit dem der Wirkungsgrad von Solar- zellen mit möglichst geringem Aufwand deutlich verbessert wird. Erreicht wird das dadurch, dass die im oberflächennahen Bereich des Silizium-Rohlings vorhandene „Dead Layer' mit hoher Phosphorkonzentration unmittelbar vor der Abscheidung des Siliziumnitrids durch Trockenätzen in einem Ätz-plasma entfernt wird.
Description
Verfahren zur Passivierung von Solarzellen
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Solarzellen auf Siliziumbasis und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Passivierung von kristallinen Silizium-Solarzellen, bei dem kristallines Silizium in einer geeigneten Einrichtung zunächst mit Phosphor zur Erzeugung einer Diode unter Temperatureinwirkung durch einen Diffusionsprozess dotiert wird und anschließend eine Passivierung und Entspiegelung der Oberfläche des Siliziums durch Abscheiden von Siliziumnitrid in einem Plasmaverfahren vorgenommen wird.
Um eine Silizium-Solarzelle herzustellen, ist es erforderlich, einen multikristallinen quadratischen oder rechteckigen Silizium-Rohling zu dotieren, so dass eine Diode entsteht. Im übli- chen Standardprozess wird dazu p-Typ-Silizium, vorzugsweise mit Phosphor zur Erzeugung der Diode dotiert. Das erfolgt durch Aufbringen eines Dotierstoffes auf den Silizium-Rohling, der als Dotierquelle dient, sowie einer anschließenden Temperung. Dabei wird der Dotierstoff, d.h. die Phosphoratome, in das Silizium eingetrieben und die Dotieratome gleichzeitig elektrisch aktiviert.
Das Dotieren kann auch durch einen POCL3-Prozess, bei dem mehr oder weniger simultan durch Temperatureinwirkung ein Phosphorglas auf einer Seite des Silizium-Rohlings (die dem Licht zuge- wandte Vorderseite) abgeschieden wird, welches dann als Dotierquelle dient, erfolgen.
Auf der anderen Seite des Silizium-Rohlings kann zusätzlich Bor eindiffundiert werden.
Bei dem temperaturabhängigen Diffusionsprozess wird ein größtenteils exponentielles Tiefenprofil der Dotieratome erzeugt. Übliche Emitterflächenwiderstände liegen im Bereich zwischen 20 und 100 Ohm. Die Anforderung an entsprechende Emittertiefe (ca. 300 - 500 nm) für eine gute Kontaktierung beim späteren Sinter- prozess und nicht zu lange Prozesszeiten bei der Diffusion resultiert in Oberflächenkonzentrationen der Dotieratome mit bis zu 5x10 cm .
Die sehr hohen oberflächennahen Dotierstoffkonzentrationen können aber nicht vollständig elektrisch aktiviert werden und es entsteht eine Oberflächenschicht von ca. 20 - 50 nm Dicke, die als so genannter „Dead Layer" (tote Schicht) bezeichnet wird. Nach der Diffusion wird die Dotierquelle, die gewöhnlich Phosphorglas ist, mit Flusssäure entfernt. Bei diesem Ätzvor- gang dient die Siliziumoberfläche als Ätzstopp, wobei der „Dead Layer" erhalten bleibt, da dieser sich innerhalb der Oberflächenschicht des Siliziums befindet.
Anschließend wird zur Entspiegelung und Passivierung eine Nit- ridabscheidung vorgenommen, die im Allgemeinen mit einem Plas- maverfahren erfolgt und zum Schluss werden für den elektrischen Anschluss der Silizium-Solarzelle an einen Stromkreislauf Rück- und Vorderseitenkontakte aufgebracht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Passivierung von Solarzellen zu schaffen, mit dem der Wirkungs- grad von Solarzellen mit möglichst geringem Aufwand deutlich verbessert wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die im oberflächennahen Bereich des Silizium- Rohlings vorhandene „Dead Layer" mit hoher Phosphorkonzentrati- on unmittelbar vor der Abscheidung des Siliziumnitrids durch Trockenätzen in einem Ätzplasma entfernt wird.
Um eine hohe Ätzrate zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn das Ätzplasma mit C2F5 - 02-Gemischen als Ätzgas angereichert wird.
Alternativ kann das Ätzplasma auch mit halogenhaltigen Gasgemischen angereichert werden.
Besonders effektiv ist es, wenn das Entfernen der „Dead Layer" im Reaktor für die Nitridabscheidung vorgenommen wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als Ätzplasma ein Niederfrequenzplasma im Bereich von 10-50OkHz verwendet, das zur besseren Reaktandenverteilung und Leis- tungssteuerung gepulst wird.
Um jegliche Verunreinigung oder sonstige Störung zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn die Silizium-Rohlinge zwischen dem Rückätzen und der Nitridabscheidung bei Aufrechterhaltung des Vakuums weder umgeladen noch bewegt werden.
Eine Alternative zur Durchsatzsteigerung besteht darin, das Rückätzen der „Dead-Layer" und das Abscheiden der Nitridschicht in verschiedenen Prozesskammern ohne Vakuumunterbrechung vorzunehmen.
Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Plasmaanlage mit einer Vakuum-Plasmakammer enthält einen Parallelplatten- waferhalter, um für das Ätz- und Abscheideverfahren eine möglichst homogene elektrische Feldverteilung im Plasma zu erreichen und wobei die Vakuum-Plasmakammer beheizbar ist.
Mit der Entfernung des „Dead Layer" wird eine bessere Passivie- rung der Solarzelle durch das Nitrid als elektronischen Spiegel erreicht. Weiter ist im „Dead Layer" die Dotierstoffkonzentra- tion so hoch, dass die Rekombination von Ladungsträgern über-
wiegt und der „Dead Layer" somit nicht zum Stromgewinn beitragen kann und zusätzlich den Lichteinfall in die Solarzelle abschwächt. Eine Entfernung der „Dead Layer" führt somit unmittelbar zu einer Erhöhung des Stromes der Solarzelle.
Außerdem sind an das Phosphor Verunreinigungen gebunden („Get- tern") , die bei einer Entfernung des „Dead Layers" ebenfalls aus der Solarzelle entfernt werden. Damit entfallen die sonst beim Sintern der Kontakte eintretenden negativen Auswirkungen.
Damit ist durch die Entfernung der „Dead Layer" mit einer Steigerung im Stromgewinn der Solarzelle und auch gleichzeitig eine positive Auswirkung auf Spannung und Füllfaktor zu erwarten. Der Füllfaktor bezeichnet den Quotienten aus der maximalen Leistung einer Solarzelle am Maximum Power Point und dem Produkt aus LeerlaufSpannung und Kurzschlussstrom.
Die Entfernung des „Dead layer" in einem Plasma unmittelbar vor der Nitridabscheidung im selben Reaktor ist ein besonders einfach zu realisierendes Verfahren mit geringem Zusatzaufwand. Die benötigten Ätzgase, die für die Reaktorreinigung benötigt werden, sind ohnehin vorhanden.
Die Erfindung soll nach folgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Silizium- Rohlings mit einer Phosphorglasbeschichtung nach dem Phosphor-Diffusionsprozess ;
Fig. 2: den Silizium-Rohling nach Fig. 1 nach dem Entfernen der Phosphorglasbeschichtung; und
Fig. 3: eine fertig prozessierte Silizium-Solarzelle.
Bei der Herstellung von kristallinen Silizium-Solarzellen wer- den Silizium-Rohlinge 1 zunächst in einem geeigneten Reaktor mit Phosphor dotiert. Dazu wird zunächst mit einem POCL3-Pro-
zess ein Phosphorglas 2 auf einer Seite des Silizium-Rohlings 1 aufgetragen und anschließend unter Temperatureinwirkung ein Diffusionsprozess in die Tiefe des Silizium-Rohlings 1 ausgeführt. Das Ergebnis ist ein größtenteils exponentielles Tiefen- profil des eindiffundierten Phosphors.
Die bei diesem Prozess sehr hohen Dotierstoffkonzentrationen im oberflächennahen Bereich des Silizium-Rohlings 1 können allerdings nicht vollständig aktiviert werden, so dass dabei die bereits beschriebene Dead Layer 3 entsteht. Unter dieser Dead Layer 3 bildet sich gleichzeitig die erforderliche n-leitende Schicht 4 aus.
Auf der anderen Seite des Silizium-Rohlings 1 wird Bor eindiffundiert, so dass sich eine p-leitende Schicht 5 ausbildet und zwischen beiden Schichten der funktionell erforderliche pn- Übergang 6 entsteht (Fig. 1) .
Im nächsten Schritt wird das Phosphorglas 2 durch einen Nass- ätzschritt mittels Flusssäure entfernt, wobei die Oberfläche des Siliziums als Ätzstopp wirkt und die Dead Layer 3 somit nicht angegriffen wird (Fig. 2)
Erfindungsgemäß wird diese Dead Layer 3 dann mit Hilfe eines Ätzplasmas, enthaltend C2Fgθ2-Gemische oder andere halogenhal- tige Gasgemische, durch Trockenätzen entfernt und zwar unmittelbar vor der Nitridabscheidung zur Entspiegelung und Passi- vierung der Oberfläche der Silizium-Solarzelle. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer fertig prozessierten Silizium-Solarzelle 10.
Das Entfernen der Dead Layer 3 kann in einer Vakuum- Prozesskammer stattfinden, in der nachfolgend auch die die Nitridabscheidung vorgenommen wird. Einsetzbare Ätzgase sind C2F5O2 Gemische oder andere halogenhaltige Gasgemische. Dazu wird ein ggf. gepulstes Niederfrequenzplasma mit einer Frequenz von 10 - 500 kHz eingesetzt. Sollen die beiden Prozesse in
unterschiedlichen Vakuum-Prozesskammern durchgeführt werden, so ist Sorge dafür zu tragen, dass das Vakuum beim notwendigen Transport der Silizium-Rohlinge 1 nicht unterbrochen wird.
Die Nitridabescheidung zur Ausbildung einer Antireflex- schicht 7 über der n-leitenden Schicht 4 erfolgt danach durch Abscheiden von Siliziumnitrid mit einem Plasmaverfahren in einer beheizbaren Plasmakammer, die mit einem Paral- lelplattenwaferhalter ausgestattet ist, der für das Ätz- und Abscheideverfahren eine möglichst homogene elektrische FeId- Verteilung im Plasma gewährleistet.
Zur Fertigstellung der Silizium-Solarzelle 10 muss dann noch auf der Antireflexschicht 7 ein Vorderseitenkontakt 8 und auf der gegenüberliegenden Seite ein Rückseitenkontakt 9 mit üblichen Beschichtungsverfahren aufgebracht werden.
Der Vorderseitenkontakt 8 kann als Kontaktgitter oder als transparente Elektrode ausgeführt werden.
Der besondere Vorteil für das einfach zu realisierende Ver- fahren ohne großen Zeitaufwand besteht darin, dass neben der erheblichen Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarzelle Ätzgase eingesetzt werden können, die als Ätzgase für die Reaktorreinigung ohnehin vorhanden sind. Außerdem wird eine Steigerung im Stromgewinn der Solarzelle und eine positive Auswirkung auf Spannung und Füllfaktor erreicht.
Verfahren zur Passivierung von Solarzellen
Bezugszeichenliste
Silizium-Rohling
Phosphorglas Dead Layer n-leitende Schicht p-leitende Schicht pn-Übergang Antireflexschicht Vorderseitenkontakt Rückseitenkontakt Silizium-Solarzelle
Claims
1. Verfahren zur Passivierung von kristallinen Silizium- Solarzellen, bei dem kristallines Silizium in einer geeigneten Einrichtung zunächst mit Phosphor zur Erzeugung einer Diode unter Temperatureinwirkung durch einen Diffusionsprozess dotiert wird und anschließend eine Passivierung und Entspiegelung der Oberfläche des Siliziums durch Abscheiden von Siliziumnit- rid in einem Plasmaverfahren vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die im oberflächennahen Bereich des Siliziums vorhandene Dead Layer mit hoher Phosphorkonzentration unmittelbar vor der Abscheidung des Siliziumnitrids durch Trockenätzen in einem Ätzplasma entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzplasma mit C2F5 - 02-Gemischen als Ätzgas angereichert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzplasma mit halogenhaltigen Gasgemischen angereichert ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Entfernen der „Dead Layer" im Reaktor für die Nitridabscheidung vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niederfrequenzplasma verwendet wird (10-50OkHz) .
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma zur besseren Reaktandenverteilung und Leistungssteuerung gepulst wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumwafer zischen dem Rückätzen und der Nitridab- scheidung weder umgeladen noch bewegt werden und das Vakuum erhalten bleibt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchsatzsteigerung Rückätzen und Abscheiden der Nitridschicht in verschiedenen Prozesskammern ohne Vakuumunterbrechung vorgenommen werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Plasmaanlage eine Vakuum- Plasmakammer mit einem Parallelplattenwaferhalter enthält, der für das Ätz- und Abscheideverfahren eine möglichst homogene elektrische Feldverteilung im Plasma aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuum-Plasmakammer beheizbar ist.
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