WO2009030299A2 - Verfahren zum fertigen einer solarzelle mit einer doppellagigen dielektrikumschicht - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a solar cell, wherein two different dielectric layers are produced on one surface of the solar cell.
  • Solar cells are used to convert light into electrical energy.
  • a substrate made of a semiconductor such as silicon is provided with differently doped regions.
  • a base region of the substrate may be formed as a p-type semiconductor, while e.g. on the surface directed toward the incident light, an emitter layer of n-type semiconductor may be formed.
  • an emitter layer of n-type semiconductor may be formed at the boundary between the base region and the emitter layer.
  • a pn junction is formed.
  • the potential gradient arising at this pn junction serves to spatially separate charge carriers, which are formed by absorption of incident light in the semiconductor substrate.
  • the carrier pairs which are spatially separated in this way can then be supplied to an external circuit via metal contacts applied to the semiconductor substrate in the base region and the emitter region.
  • the dielectric layer can serve different purposes.
  • a protective layer acting as a protective layer during manufacture serve to protect certain areas of the surface of the semiconductor substrate against external influences.
  • the dielectric layer may serve to protect the surface during a subsequent diffusion step against ingress of dopants into the region protected by the dielectric layer, and thus act as a diffusion barrier.
  • the dielectric layer may also protect areas of the substrate surface to be protected from attack by an etching solution, so that certain areas of the surface of the semiconductor substrate may be etched and thereby possibly textured, while other areas are not attacked. The dielectric layer then acts as an etching barrier.
  • the dielectric layer can also serve as an antireflection layer on a side of the solar cell facing the light or as a mirror layer on a side of the solar cell facing away from the light.
  • dielectric layers which are produced as a protective layer, antireflection layer and / or mirror layer therefore usually have to have a considerable thickness of, for example, 200 nm and are often deposited by means of cost-effective methods, usually have no good surface-passivating properties.
  • the dielectric layer is to serve as an antireflection layer or as a mirror layer, conventionally often before the deposition of the thick dielectric layer, an additional, higher-quality dielectric layer, for example in the form of a thin, thermally grown silicon dioxide layer, is produced.
  • This silicon dioxide layer is usually generated on the entire surface of the silicon wafer substrate. If the thicker dielectric layer later used as an antireflection layer or mirror layer should also serve as a protective layer during the manufacturing process, which should protect certain surface areas and leave others unprotected and therefore only deposited locally, the underlying silicon dioxide layer must also be removed locally. This requires additional processing steps and, furthermore, subregions of the surface of the finished solar cell may possibly remain unprotected by the passivating silicon dioxide layer, which may lead to surface recombination losses and thus to a loss of efficiency there.
  • the dielectric layer is to serve as a protective layer during a dopant diffusion step or during an etching step, conventionally the dielectric layer is often removed after it has served its purpose.
  • a new layer sequence consisting of a thin, high-quality dielectric layer, for example thermally grown silicon dioxide, and a thick, cost-effectively produced dielectric layer as an antireflection or mirror layer can subsequently be produced.
  • this requires additional work and expense.
  • a method for manufacturing a solar cell with two dielectric layers on a surface of the solar cell which inter alia at least partially obviates the above-mentioned problems.
  • a method may be desired in which a cost-effective dielectric layer can be used both as a protective layer during the production of the solar cell and as an antireflection layer and / or mirror layer for the finished solar cell, if possible without additional labor and / or cost Solar cell can be protected by a further, high-quality dielectric layer.
  • a method of fabricating a solar cell comprises the following manufacturing steps in the order given: providing a silicon substrate; Generating a first dielectric layer on a surface of the silicon substrate to be coated; and producing a second dielectric layer in the form of a silicon dioxide layer at an interface between the dielectric layer and the surface of the silicon substrate to be coated by means of a thermal oxidation.
  • the invention may be considered as based on the idea of first producing a first dielectric layer on the surface of a silicon substrate.
  • This first dielectric layer can serve different purposes during the subsequent further process steps for producing the solar cell. For example, it can serve as a diffusion barrier during a subsequent diffusion step. Or it can serve as an etching barrier to protect the covered substrate surface locally against the attack of an etching solution.
  • the first dielectric layer After the first dielectric layer has fulfilled its task during the subsequent manufacturing process steps, it can remain on the surface of the solar cell and serve the solar cell later, for example as an antireflection layer or as a back mirror layer.
  • the first dielectric layer probably does not have good surface passivating properties due to the possibly cost-effective production process used for its production or due to possible damage by the subsequent manufacturing process steps, such as the diffusion process or the etching process, a second dielectric layer subsequently becomes generates the interface between the silicon substrate and the first dielectric layer. It is exploited that oxygen atoms, oxygen molecules or water molecules can partially diffuse through the first dielectric layer and can oxidize a superficial layer on the underlying silicon surface. The thermal silicon dioxide layer produced thereby has good surface-passivating properties, even if it is produced only with a small thickness of a few nanometers.
  • the second dielectric layer serving for the surface passivation is produced on the surface of the silicon substrate only after the first dielectric layer has been produced, and preferably only after further processing steps have been carried out, such as diffusion steps, etching steps, etc., it can cover the entire surface of the silicon substrate and thus Passivate well. In particular, it does not need to be opened locally for carrying out certain diffusion or etching steps.
  • the second dielectric layer can be produced in a very late production stage of the solar cell, for example, only shortly before the final application of the metal contacts. This also reduces the risk that the surface-passivating second dielectric layer is damaged by subsequent process steps.
  • a double-layered dielectric layer can be produced in which a first dielectric layer can fulfill certain tasks, for example as a diffusion or etching barrier, during the production process and can subsequently remain on the cell as an antireflection layer or mirror layer, a second dielectric layer covering the surface of the silicon substrate can passivate in an advantageous manner, but is only generated in a later processing step and thus can have optimal and on the entire surface of the solar cell related passivation properties.
  • the silicon substrate used may be provided, for example, in the form of a monocrystalline or multicrystalline silicon wafer having, for example, a thickness of 50 to 300 ⁇ m and an area of, for example, 20 ⁇ 20 cm 2 , or also in the form of a crystalline or amorphous silicon thin film.
  • the solar cell may be formed with a conventional geometry in which the carrier-collecting pn junction is formed on the sun-facing front side and the carrier discharging metal contacts are disposed on the front and back surfaces.
  • the pn junction may be located either at the front of the solar cell and be connected by small channels in the solar cell or over the edge of the solar cell to the back contacts or the pn junction may be located on the back of the solar cell.
  • the dielectric layer is produced on a surface of the silicon wafer to be coated.
  • the surface to be coated may be, for example, the sun-facing front side of the solar cell, and the dielectric layer may serve as an antireflection layer to the finished solar cell in addition to its property as a diffusion or etching barrier during solar cell production.
  • the first dielectric layer can also be produced on the rear side of the solar cell and remain there as an optical mirror layer after it has also served as a diffusion or etching barrier during production, for example.
  • a second dielectric layer in the form of a silicon dioxide layer is then produced.
  • this silicon dioxide layer is produced at the interface between the first dielectric layer and the surface of the silicon substrate to be coated by thermal oxidation.
  • the silicon substrate with the first dielectric layer located thereon can be exposed at high temperatures of about 800 to 1200 ° C to an oxygen or water vapor-containing gas phase.
  • High-energy oxygen or water vapor molecules or atoms thereby strike the outer surface of the first dielectric layer and can diffuse through the first dielectric layer to the interface between the first dielectric layer and the surface of the silicon substrate to be coated.
  • the silicon is oxidized and consequently a high-quality silicon dioxide layer is formed. This silicon dioxide layer can serve the finished solar cell later as a nearly optimal surface passivation.
  • the interface between the first dielectric layer and the surface of the silicon substrate to be coated be oxidized, but generally the entire surface of the silicon substrate is oxidized in the same thermal oxidation step.
  • the first dielectric layer is produced by means of spinning, plasma deposition, sputtering, spin-coating, spraying, vapor deposition or printing.
  • a particularly interesting process for industrial use is the spinning of the first dielectric layer (spin-on deposition).
  • spin-on deposition a viscous liquid having certain glass-forming constituents, on the surface to be coated of the Dried on silicon substrate.
  • the silicon substrate By rotating the silicon substrate and the resulting centrifugal forces, the liquid is then evenly distributed over the surface.
  • the liquid is cured in a temperature step, also referred to as "baking," forming a vitreous dielectric layer
  • the first dielectric layer can also be produced using other industrially proven and cost-effective deposition methods
  • plasma deposition also known as PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition )
  • the surface to be coated is placed in a plasma consisting of, for example, a dielectric-forming reactant, which attaches to the surface to form the first dielectric layer, and sputtering reacts the reactants in a vacuum, for example by means of an electron beam or an ion beam ejected from a source called a target and deposited, inter alia, on the surface to be coated to form the first dielectric layer thereon, upon spraying, a liquid containing dielectric-forming reactants is deposited; sprayed evenly onto the surface to be coated, then dried and cured at elevated temperature.
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • reactants are deposited in a planar manner on the surface to be coated from a reactant source at very high temperatures above the evaporation temperature of the reactants and form the first dielectric layer there.
  • a viscous paste containing corresponding reactants such as glass particles, for example by screen printing or so-called ink-jet method printed on the surface to be coated of the silicon wafer and then baked at high temperatures.
  • the first dielectric layer is produced using silicon oxide (SiO 2 , SiO 2 ), silicon nitride (Si x N y, Si 3 N 4 ), silicon carbide (SiC) or so-called spin-on glass.
  • silicon oxide SiO 2 , SiO 2
  • silicon nitride Si x N y, Si 3 N 4
  • silicon carbide SiC
  • spin-on glass is well suited as a back mirror for the solar cell.
  • the fabrication method further comprises a dopant diffusion step to produce a doped region on a surface of the silicon wafer.
  • the first dielectric layer is generated before the dopant diffusion step and serves as a diffusion barrier during the dopant diffusion step.
  • the first dielectric layer must be produced sufficiently dense and sufficiently thick that during the dopant diffusion step dopants, which inevitably also diffuse into the first dielectric layer, can not diffuse therethrough and reach the underlying silicon layer.
  • a silicon nitride layer having a thickness of at least about 200 nm is suitable for this purpose.
  • the manufacturing method further comprises an etching step to produce a surface texture on a surface of the silicon wafer.
  • the first dielectric layer is produced before the etching step and serves as an etching barrier during the etching step.
  • the silicon substrate with the first dielectric layer thereon is exposed to a corrosive fluid, such as a caustic solution or a corrosive gas, wherein the etching fluid and the material of the dielectric layer are selected to attack the silicon of the substrate
  • the first dielectric layer is not or only slightly attacked.
  • the first dielectric layer should be dense in this case and if it should be slightly attacked by the corrosive fluid, it should have a thickness sufficient to do their job as an etching barrier during the entire etching step.
  • an alkaline etching solution may be used KOH and IPA are used against which glassy dielectrics or silica are resistant.
  • an acidic, eg hydrofluoric acid-containing texture solution the dielectrics must have a sufficient thickness, as they are attacked.
  • the first dielectric layer is produced with a thickness of between 50 and 300 nm, preferably between 100 and 250 nm, and more preferably between 180 and 220 nm.
  • the first dielectric layer is formed with a material such as silicon nitride, which may later remain on the solar cell surface as an antireflection layer in the finished solar cell.
  • the dielectric layer serving as an antireflection layer should be matched in its thickness so that it comes to a reflection minimum at wavelengths in the range of 500 to 600 nm, at which the typically irradiated sunlight has an intensity maximum due to negative interference on the first dielectric layer.
  • the second dielectric layer is produced with a thickness of approximately between 3 and 30 nm, preferably between 5 and 20 nm and more preferably between 8 and 12 nm.
  • the second dielectric layer serves primarily to passivate the surfaces of the silicon substrate and therefore does not need to be thick. However, it should be produced densely and in high quality in order to passivate the surface as well as possible. Their contribution to the optical properties of the finished solar cell can usually be neglected.
  • the first step is the Dielectric (for example, spin-on glass, SiO x , SiN x , SiC, etc. with, for example, 200 nm thickness) applied in a separate process (for example, plasma deposition, sputtering, spin-coating, spraying, etc.).
  • the dielectric may have the property of a diffusion barrier against dopants and / or may be suitable as an efficient dielectric mirror, but does not normally have an efficient surface passivation (surface recombination speed S> 1000 cm / s.). If the application of the dielectric takes place on only one side of the silicon substrate, this approach allows asymmetric structures.
  • the applied dielectric layer acts on one side only as a diffusion barrier for the subsequent diffusion step, on the untreated side will be formed in a subsequent process step, a doped region, for example, a pn junction.
  • the passivation of thermal oxide can be grown.
  • the previously applied dielectric must allow the diffusion of oxygen or water vapor, so that the oxidation can take place at the interface between the first dielectric and the silicon surface.
  • the thermal oxide grows on the front side and at the interface with the dielectric on the back surface of the silicon substrate.
  • the optical and / or barrier properties of the first dielectric may be independent of the passivation quality of the dielectric
  • the passivation quality of the second dielectric layer serving as passivation layer can be independent of the separately applied first dielectric
  • the passivation can be temperature stable;
  • an antireflection coating can be carried out solely on the basis of optical considerations without a condition of good passivation quality;
  • the first dielectric layer is resistant to a chemical for the texturing of silicon surfaces, it can also be used as a mask for the one-sided texturing of solar cells.
  • FIG. 1 schematically shows essential processing stages of a manufacturing method for a solar cell according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 schematically shows essential processing stages of a manufacturing method for a solar cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 schematically shows essential processing stages for a production method for a solar cell with a textured surface and a serving as a mirror layer dielectric layer on the solar cell back according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows schematically essential processing steps of a production method for a solar cell with a back emitter and a diffusion barrier serving as a first dielectric layer according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows the two main process steps to be used in manufacturing a solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • a first dielectric layer 5 of silicon oxide is produced on a surface 3 of the silicon substrate 1 to be coated in a spin-on process (FIG.
  • a dielectric-forming liquid is spun and then dried.
  • the spun-on layer is baked at high temperatures and at the same time a thermal oxidation is effected at the interface between the resulting first dielectric layer 5 and the surface 3 to be coated, whereby the second Dielectric layer 7 acting high-quality silicon oxide layer with a thickness of about 10 nm forms (Fig. Ib).
  • the solar cell front side surface passivating silicon oxide layer 9 is also forms on the solar cell front side surface passivating silicon oxide layer 9.
  • a dopant diffusion step is performed between these two processing steps (FIG. 2 b).
  • the silicon wafer already coated with the first dielectric layer 5 is exposed at high temperatures of more than 800 ° C. to a phosphorus-containing atmosphere, for example in the context of a so-called POCb gas-phase diffusion. While the surface 3 covered by the first dielectric layer 5 is protected by the first dielectric layer 5 acting as a diffusion barrier, an emitter 11 of the n-type semiconductor is diffused into the originally p-type silicon wafer on the opposite surface.
  • the passivating oxide layer forms not only at the interface 3 between the first dielectric layer 5 and the substrate 1 but also at the opposite surface of the silicon wafer, this emitter 11 becomes excellent through the oxide layer 9 passivated, which contributes to increasing the efficiency of the finally produced solar cell.
  • FIG. 3 shows a further alternative embodiment of the method according to the invention for manufacturing a solar cell in its essential steps.
  • the substrate 1 is exposed to a corrosive solution ( Figure 3b). While the back of the substrate 1 is protected by the first dielectric layer 5 against the etching solution, the front side is attacked, whereby a surface texture can form.
  • suitable etching solutions such as, for example, an alkaline NaOH solution, pyramid-like structures can form on the front surface, which can lead to a reduction in loss reflection in the finished solar cell, which in turn contributes to increasing the efficiency of the solar cell.
  • an emitter 11 is superficially diffused into the textured front-side surface, the back being protected by the first dielectric layer 5, which now acts as a diffusion barrier (FIG. 3c).
  • an additional antireflection layer 13 is produced, for example, by means of a PECVD deposition of silicon nitride in a suitable thickness (FIG. 3e).
  • FIG. 4 shows an alternative processing sequence with the essential method steps for producing a solar cell with a back emitter.
  • n + type semiconductor layer 17 is first formed on both sides, for example, by diffusion of phosphorus (FIG. 4a).
  • This n + layer can act as a so-called front surface field (FSF) on the solar cell front and as a back surface field (BSF) on the back of the solar cell in order to reduce surface recombination losses.
  • FSF front surface field
  • BSF back surface field
  • a first dielectric layer 5, 15 is produced both on the solar cell front side and on the solar cell rear side (FIG. 4b). Both layers can be produced for example by means of the spin-on method. It may be advantageous, the two first dielectric layers 5, 15 in terms to optimize their later purpose.
  • the first dielectric layer 15 produced on the solar cell front side can later act as an antireflection layer for the finished solar cell.
  • the first dielectric layer 5 formed on the solar cell back side may serve as an optical mirror for the finished solar cell, so that light completely penetrating the silicon substrate in a first pass is totally reflected at the back interface between the silicon substrate 1 and the adjacent dielectric layer 5 and thus the silicon substrate 1 passes through a second time, whereby the absorption probability and ultimately the efficiency of the solar cell can be increased.
  • the first dielectric layer 5 produced on the rear side should be chosen differently with regard to its refractive index and its thickness than the first dielectric layer 15 serving as antireflection layer on the front side.
  • the first dielectric layer 5 produced on the solar cell rear side is locally removed in opening regions 19 (FIG. 4c).
  • the dielectric layer 5 can be removed by means of a high-energy laser locally, for example in the form of elongated fingers by ablation.
  • the dielectric layer 5 can also be partially removed by wet-chemical or dry etching.
  • the local removal of the backside dielectric layer 5 may be performed such that also the underlying n + layer 17 is locally removed.
  • a p + layer acting as an emitter 11 is generated (FIG. 4d).
  • the doped regions may be e.g. separated by a laser (e.g., laser ditch).
  • the entire surface of the solar cell is protected by forming an approximately 10 nm-thick silicon oxide layer 7, 9 by thermal oxidation (FIG. 4e).
  • the substrate 1 is exposed to this for some minutes at about 1000 ° C an oxygen-containing atmosphere, wherein the oxygen can directly oxidize the silicon surface in the exposed areas, but can also diffuse through the first dielectric layers 5, 15 and the underlying silicon surfaces with can protect a silicon oxide.
  • This silicon oxide layer thus also passivates the regions (trenches) which serve to isolate the heavily doped regions 17 and 11.
  • processing sequences can only represent a few essential process steps of an overall processing sequence for producing a silicon solar cell. It is clear to the person skilled in the art that the overall processing sequence can contain further process steps. For example, you can Before or between individual processing steps further cleaning, etching or masking process steps may be necessary or advantageous. Furthermore, further process steps for forming metal contacts, for example by screen printing or by vapor deposition of metal contacts, may be provided for completing the solar cell.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Fertigen einer Silizium-Solarzelle vorgestellt, das die folgenden Prozessschritte in der angegebenen Reihenfolge aufweist: Bereitstellen eines Siliziumsubstrates (1); Erzeugen einer ersten Dielektrikumschicht (5) an einer zu beschichtenden Oberfläche (3) des Siliziumsubstrates (1); und Erzeugen einer zweiten Dielektrikumschicht (7) in Form einer Siliziumdioxidschicht an einer Grenzfläche zwischen der ersten Dielektrikumschicht (5) und der zu beschichtenden Oberfläche des Siliziumsubstrates (1) durch thermische Oxidation. Durch das vorgestellte Verfahren kann einerseits die erste Dielektrikumschicht (5) verschiedenen Zwecken wie zum Beispiel einer Wirkung als Diffusionsbarriere oder Ätzbarriere während der Fertigung selbst und einer Eigenschaft als Antireflexschicht oder Rückseiten-Spiegel-Schicht für die fertige Solarzelle dienen, während andererseits die zweite Dielektrikumschicht (7) für eine optimale Oberflächenpassivierung des Siliziumwafers (1) sorgen kann.

Description

Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle mit einer doppellagigen Dielektrikumschicht
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle, wobei an einer Oberfläche der Solarzelle zwei verschiedenen Dielektrikumschichten erzeugt werden.
Hintergrund der Erfindung
Solarzellen dienen der Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Hierzu wird ein Substrat aus einem Halbleiter wie beispielsweise Silizium mit verschieden dotierten Bereichen versehen. Zum Beispiel kann ein Basisbereich des Substrats als p-Typ-Halbleiter ausgebildet sein, während z.B. an der Oberfläche, die hin zu dem einfallenden Licht gerichtet ist, eine Emitterschicht aus einem n-Typ-Halbleiter ausgebildet sein kann. An der Grenze zwischen dem Basisbereich und der Emitterschicht entsteht ein pn-Übergang. Das an diesem pn-Übergang entstehende Potentialgefälle dient dazu, Ladungsträger, die durch Absorption einfallenden Lichts in dem Halbleitersubstrat gebildet werden, räumlich zu trennen. Die derart räumlich getrennten Ladungsträgerpaare können anschließend über auf das Halbleitersubstrat in dem Basisbereich und dem Emitterbereich aufgebrachte Metallkontakte einem externen Stromkreis zugeführt werden.
Es ist bekannt, dass es während der Fertigung der Solarzelle vorteilhaft oder notwendig sein kann, an einer Oberfläche des Halbleitersubstrats eine oder mehrere Dielektrikumschichten zu erzeugen. Die Dielektrikumschicht kann unterschiedlichen Zwecken dienen. Beispielsweise kann eine als Schutzschicht wirkende Dielektrikumschicht während der Herstellung dazu dienen, bestimmte Bereiche der Oberfläche des Halbleitersubstrats gegen äußere Einflüsse zu schützen. Zum Beispiel kann die Dielektrikumschicht dazu dienen, die Oberfläche während eines nachfolgenden Diffusionsschrittes gegen ein Eindiffundieren von Dotanden in den durch die Dielektrikumschicht geschützten Bereich zu schützen, und somit als Diffusionsbarriere wirken. Alternativ kann die Dielektrikumschicht auch zu schützende Bereiche der Substratoberfläche gegen den Angriff durch eine Ätzlösung schützen, so dass bestimmte Bereiche der Oberfläche des Halbleitersubstrats geätzt, und dadurch eventuell texturiert, werden können, während andere Bereiche nicht angegriffen werden. Die Dielektrikumschicht wirkt dann als Ätzbarriere.
Alternativ kann die Dielektrikumschicht auch als Antireflexschicht an einer dem Licht zugewandten Seite der Solarzelle oder als Spiegelschicht an einer dem Licht abgewandten Seite der Solarzelle dienen.
Allerdings weisen Dielektrikumschichten, die als Schutzschicht, Antireflexschicht und/oder Spiegelschicht erzeugt werden, daher meist eine erhebliche Dicke von beispielsweise 200nm aufweisen müssen und oft mittels kostengünstiger Verfahren abgeschieden werden, meist keine guten oberflächenpassivierende Eigenschaften auf. Um die Oberfläche zu passivieren, damit Rekombinationsverluste an der Oberfläche zu minimieren und so den Wirkungsgrad der Solarzelle zu steigern, kann es daher vorteilhaft sein, eine weitere, gut oberflächenpassivierende Dielektrikumschicht direkt an der Oberfläche des Siliziumsubstrates auszubilden.
In dem Fall, dass die Dielektrikumschicht als Antireflexschicht oder als Spiegelschicht dienen soll, wird daher herkömmlich oft vor dem Abscheiden der dicken Dielektrikumschicht eine zusätzliche, qualitativ hochwertigere Dielektrikumschicht, beispielsweise in Form einer dünnen, thermisch gewachsenen Siliziumdioxidschicht, erzeugt. Diese Siliziumdioxidschicht wird üblicherweise an der gesamten Oberfläche des Siliziumwafersubstrats erzeugt. Wenn die später als Antireflexschicht oder Spiegelschicht dienende dicke Dielektrikumschicht während des Herstellungsvorgangs zusätzlich auch als Schutzschicht dienen soll, die bestimmte Oberflächenbereiche schützen soll und andere ungeschützt lassen soll und daher nur lokal abgeschieden wird, muss auch die darunterliegende Siliziumdioxidschicht lokal entfernt werden. Dies erfordert zusätzliche Prozessierungsschritte und ferner können eventuell Teilbereiche der Oberfläche der fertiggestellten Solarzelle ungeschützt durch die passivierende Siliziumdioxidschicht verbleiben, was dort zu Oberflächenrekombinationsverlusten und damit zu einer Wirkungsgradeinbuße führen kann.
Alternativ, wenn die Dielektrikumschicht als Schutzschicht während eines Dotandendiffusionsschrittes oder während eines Ätzschrittes dienen soll, wird herkömmlich die Dielektrikumschicht oft, nachdem sie ihren Zweck erfüllt hat, wieder entfernt. Eine neue Schichtenfolge aus einer dünnen, hochwertigen Dielektrikumschicht, beispielsweise thermisch gewachsenem Siliziumdioxid, und einer dicken, kostengünstig erzeugten Dielektrikumschicht als Antireflex- oder Spiegelschicht kann nachfolgend erzeugt werden. Dies erfordert jedoch zusätzlichen Arbeits- und Kostenaufwand.
Es kann daher als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, ein Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle mit zwei Dielektrikumschichten an einer Oberfläche der Solarzelle bereitzustellen, das unter anderem die oben genannten Probleme zumindest teilweise vermeidet. Insbesondere kann ein Verfahren erwünscht sein, bei dem möglichst ohne zusätzlichen Arbeits- und/oder Kostenaufwand eine kostengünstige Dielektrikumschicht sowohl als Schutzschicht während der Fertigung der Solarzelle als auch als Antireflexschicht und/oder Spiegelschicht für die fertige Solarzelle verwendet werden kann, wobei zudem die Oberfläche der Solarzelle durch eine weitere, hochwertige Dielektrikumschicht geschützt sein kann. Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgaben können durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs erfüllt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle bereitgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Fertigungsschritte in der angegebenen Reihenfolge auf: Bereitstellen eines Siliziumsubstrates; Erzeugen einer ersten Dielektrikumschicht an einer zu beschichtenden Oberfläche des Siliziumsubstrates; und Erzeugen einer zweiten Dielektrikumschicht in Form einer Siliziumdioxidschicht an einer Grenzfläche zwischen der Dielektrikumschicht und der zu beschichtenden Oberfläche des Siliziumsubstrates mit Hilfe einer thermischen Oxidation.
Die Erfindung kann als auf der Idee basierend angesehen werden, zunächst an der Oberfläche eines Siliziumsubstrates eine erste Dielektrikumschicht zu erzeugen. Diese erste Dielektrikumschicht kann während der nachfolgenden weiteren Prozessschritte zur Fertigung der Solarzelle unterschiedlichen Zwecken dienen. Beispielsweise kann sie während eines nachfolgenden Diffusionsschrittes als Diffusionsbarriere dienen. Oder sie kann als Ätzbarriere dienen, um die bedeckte Substratoberfläche lokal gegen den Angriff einer Ätzlösung zu schützen. Nachdem die erste Dielektrikumschicht ihre Aufgabe während der nachfolgenden Fertigungsprozeßschritte erfüllt hat, kann sie an der Oberfläche der Solarzelle verbleiben und der Solarzelle später zum Beispiel als Antireflexschicht oder als rückseitige Spiegelschicht dienen. Da die erste Dielektrikumschicht jedoch aufgrund des für ihre Herstellung verwendeten, eventuell kostengünstigen Herstellungsverfahrens oder aufgrund einer eventuellen Schädigung durch die nachfolgenden Fertigungsprozessschritte, wie den Diffusionsprozess oder den Ätzprozess, wahrscheinlich keine guten Oberflächen- passivierenden Eigenschaften aufweist, wird nachfolgend eine zweite Dielektrikumschicht an der Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat und der ersten Dielektrikumschicht erzeugt. Dabei wird ausgenutzt, dass Sauerstoffatome, Sauerstoffmoleküle oder Wassermoleküle durch die erste Dielektrikumschicht teilweise hindurch diffundieren können und an der darunter liegenden Siliziumoberfläche eine oberflächliche Schicht aufoxidieren können. Die dabei erzeugte thermische Siliziumdioxidschicht weist gute Oberflächen-passivierende Eigenschaften auf, selbst wenn sie nur mit einer geringen Dicke von wenigen Nanometern erzeugt wird. Da die der Oberflächenpassivierung dienende zweite Dielektrikumschicht erst nach dem Erzeugen der ersten Dielektrikumschicht und vorzugsweise auch erst nach der Durchführung weiterer Prozessierungsschritte wie beispielsweise Diffusionsschritten, Ätzschritten, etc., an der Oberfläche des Siliziumsubstrates erzeugt wird, kann sie die gesamte Oberfläche des Siliziumsubstrates bedecken und somit gut passivieren. Insbesondere braucht sie zur Durchführung bestimmter Diffusions- oder Ätzschritte nicht lokal geöffnet zu werden. Die zweite Dielektrikumschicht kann dabei in einem sehr späten Fertigungsstadium der Solarzelle erzeugt werden, zum Beispiel erst kurz vor dem abschließenden Aufbringen der Metallkontakte. Damit wird auch das Risiko reduziert, dass die Oberflächen passivierende zweite Dielektrikumschicht durch nachfolgende Prozessschritte geschädigt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine doppellagige Dielektrikumschicht erzeugt werden, bei der eine erste Dielektrikumschicht während des Fertigungsverfahrens gewisse Aufgaben zum Beispiel als Diffusions- oder Ätzbarriere erfüllen kann und nachfolgend auf der Zelle als Antireflexschicht oder Spiegelschicht verbleiben kann, wobei eine zweite Dielektrikumschicht die Oberfläche des Siliziumsubstrats in vorteilhafter Weise passivieren kann, aber erst in einem späteren Prozessierungsschritt erzeugt wird und somit optimale und auf die gesamte Oberfläche der Solarzelle bezogene Passivierungseigenschaften haben kann.
Nachfolgend werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens diskutiert. Prinzipiell ist das vorgestellte Verfahren zur Fertigung von unterschiedlichen Typen von Solarzellen auf Basis von Silizium geeignet. Das verwendete Siliziumsubstrat kann zum Beispiel in Form eines monokristallinen oder multikristallinen Siliziumwafers, der beispielsweise eine Dicke von 50 bis 300 μm aufweist und eine Fläche von beispielsweise 20 x 20 cm2 aufweist, oder auch in Form einer kristallinen oder amorphen Silizium-Dünnschicht bereitgestellt werden.
Die Solarzelle kann mit einer herkömmlichen Geometrie, bei der der Ladungsträgersammelnde pn-Übergang an der der Sonne zugewendeten Vorderseite ausgebildet ist und bei der die Ladungsträger abführenden Metallkontakte an der Vorder- und Rückseite angeordnet sind, ausgebildet werden. Alternativ können auch sogenannte Rückkontaktsolarzellen gefertigt werden, bei denen die die n-Typ-Bereiche wie auch die p-Typ-Bereiche kontaktierenden Metallkontakte an der Rückseite der Solarzelle ausgebildet sind. Hierbei kann sich der pn-Übergang entweder an der Vorderseite der Solarzelle befinden und durch kleine Kanäle in der Solarzelle oder über den Rand der Solarzelle zu den rückseitigen Kontakten verbunden sein oder der pn-Übergang kann sich auf der Rückseite der Solarzelle befinden.
Die Dielektrikumschicht wird an einer zu beschichtenden Oberfläche des Siliziumwafers erzeugt. Die zu beschichtende Oberfläche kann beispielsweise die der Sonne zugewandte Frontseite der Solarzelle sein und die Dielektrikumschicht kann zusätzlich zu ihrer Eigenschaft als beispielsweise Diffusions- oder Ätzbarriere während der Solarzellenfertigung anschließend der fertigen Solarzelle als Antireflexschicht dienen.
Alternativ kann die erste Dielektrikumschicht auch an der Solarzellenrückseite erzeugt werden und dort, nachdem sie während der Fertigung ebenfalls beispielsweise als Diffusionsoder Ätzbarriere gedient hat, als optische Spiegelschicht verbleiben. Nachdem die erste Dielektrikumschicht erzeugt wurde und eventuell auch nach der Durchführung weiterer zwischengelagerter Prozessschritte wird dann eine zweite Dielektrikumschicht in Form einer Siliziumdioxidschicht erzeugt. Erfindungsgemäß wird diese Silizium-Dioxidschicht an der Grenzfläche zwischen der ersten Dielektrikumschicht und der zu beschichtenden Oberfläche des Siliziumsubstrats durch thermische Oxidation erzeugt. Hierzu kann das Siliziumsubstrat mit der darauf befindlichen ersten Dielektrikumschicht bei hohen Temperaturen von ca. 800 bis 1200°C einer Sauerstoff- bzw. wasserdampfhaltigen Gasphase ausgesetzt werden. Energiereiche Sauerstoff- bzw. Wasserdampfmoleküle bzw. — atome treffen dabei auf die außenliegende Oberfläche der ersten Dielektrikumschicht und können durch die erste Dielektrikumschicht hindurch zu der Grenzfläche zwischen der ersten Dielektrikumschicht und der zu beschichtenden Oberfläche des Siliziumsubstrates hindurch diffundieren. An der zu beschichtenden Oberfläche des Siliziumsubstates kommt es zu einem Aufoxidieren des Siliziums und folglich zur Bildung einer qualitativ hochwertigen Siliziumdioxidschicht. Diese Siliziumdioxidschicht kann der fertigen Solarzelle später als nahezu optimale Oberflächenpassivierung dienen.
Selbstverständlich kann nicht nur die Grenzfläche zwischen der ersten Dielektrikumschicht und der zu beschichtenden Oberfläche des Siliziumsubstrates aufoxidiert werden, sondern in der Regel wird die gesamte Oberfläche des Siliziumsubstrates im selben thermischen Oxidationsschritt aufoxidiert.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die erste Dielektrikumschicht mittels Aufspinnen, Plasmaabscheiden, Sputtern, Aufschleudern, Aufsprühen, Aufdampfen oder Aufdrucken erzeugt.
Ein für den industriellen Einsatz besonders interessantes Verfahren stellt das Aufspinnen der ersten Dielektrikumschicht dar (Spin-On-Abscheidung). Dabei wird eine viskose Flüssigkeit, die bestimmte Glas-bildende Bestandteile aufweist, auf die zu beschichtende Oberfläche des Siliziumsubstrats aufgetropft. Durch Rotieren des Siliziumsubstrats und die dabei entstehenden Zentrifugalkräfte wird dann die Flüssigkeit gleichmäßig über die Oberfläche verteilt. Anschließend wird die Flüssigkeit in einem auch als „Ausbacken" bezeichneten Temperaturschritt ausgehärtet, wobei sich eine glasartige Dielektrikumschicht bildet. Alternativ kann die erste Dielektrikumschicht auch mit anderen industriell bewährten und kostengünstigen Abscheidungsmethoden erzeugt werden. Beim Plasmaabscheiden, auch als PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition) bekannt, wird die zu beschichtende Oberfläche in ein Plasma gebracht, das aus z.B. ein Dielektrikum bildenden Reaktanten besteht, die sich an der Oberfläche anlagern und dort die erste Dielektrikumschicht bilden. Beim Aufsputtern werden die Reaktanten in einem Vakuum beispielsweise mittels eines Elektronenstrahls oder eines Ionenstrahls aus einer als Target bezeichneten Quelle herausgeschlagen und lagern sich unter anderem an der zu beschichtenden Oberfläche ab, um dort die erste Dielektrikumschicht zu bilden. Beim Aufsprühen wird eine Flüssigkeit, die Dielektrikum-bildende Reaktanten enthält, auf die zu beschichtende Oberfläche gleichmäßig aufgesprüht, anschließend getrocknet und bei erhöhter Temperatur ausgehärtet. Beim Aufdampfen werden aus einer Reaktantenquelle bei sehr hohen Temperaturen oberhalb der Verdampfungstemperatur der Reaktanten, Reaktanten flächig auf die zu beschichtende Oberfläche aufgedampft und bilden dort die erste Dielektrikumschicht. Beim Aufdrucken kann eine viskose Paste, die entsprechende Reaktanten wie zum Beispiel Glaspartikel enthält, zum Beispiel im Siebdruckverfahren oder sogenannten Ink- Jet- Verfahren auf die zu beschichtende Oberfläche des Siliziumwafers aufgedruckt und anschließend bei hohen Temperaturen eingebrannt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die erste Dielektrikumschicht mit Siliziumoxid (SiO, SiO2), Siliziumnitrid (SixNy, Si3N4), Siliziumcarbid (SiC) oder sogenanntem Spin-On- Glas erzeugt. Je nach späterer Aufgabe der ersten Dielektrikumschicht beispielsweise als Antireflex- oder Spiegelschicht können unterschiedliche Materialien vorteilhaft sein. Angesichts seiner kostengünstigen Herstellung bei gleichzeitig guten optischen Eigenschaften ist z.B. Spin-on-Glas gut als Rückseitenspiegel für die Solarzelle geeignet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Fertigungsverfahren ferner einen Dotandendiffusionsschritt auf, um einen dotierten Bereich an einer Oberfläche des Siliziumwafers zu erzeugen. Gemäß dieser Ausführungsform wird die erste Dielektrikumschicht vor dem Dotandendiffusionsschritt erzeugt und dient während des Dotandendiffusionsschritts als Diffusionsbarriere. Hierzu muss die erste Dielektrikumschicht ausreichend dicht und ausreichend dick erzeugt werden, damit während des Dotandendiffusionsschrittes Dotanden, die unweigerlich auch in die erste Dielektrikumschicht eindiffundieren, nicht durch diese hindurch diffundieren und die darunter liegende Siliziumschicht erreichen können. Erfahrungsgemäß ist zum Beispiel eine Siliziumnitridschicht mit einer Dicke von mindestens etwa 200 nm für diesen Zweck geeignet.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung weist das Fertigungsverfahren ferner einen Ätzschritt auf, um an einer Oberfläche des Siliziumwafers eine Oberflächentextur zu erzeugen. Die erste Dielektrikumschicht wird hierbei vor dem Ätzschritt erzeugt und dient während des Ätzschrittes als Ätzbarriere. Während des Ätzschrittes wird das Siliziumsubstrat mit der darauf befindlichen ersten Dielektrikumschicht einem ätzenden Fluid wie beispielsweise einer ätzenden Lösung oder einem ätzenden Gas, ausgesetzt, wobei das ätzende Fluid und das Material der Dielektrikumschicht so gewählt werden, dass zwar das Silizium des Substrats angegriffen wird, die erste Dielektrikumschicht jedoch nicht oder nur wenig angegriffen wird. Die erste Dielektrikumschicht sollte hierbei dicht sein und falls sie doch geringfügig von dem ätzenden Fluid angegriffen werden sollte, sollte sie eine ausreichende Dicke aufweisen, um während des gesamten Ätzschrittes ihrer Aufgabe als Ätzbarriere gerecht zu werden.
Zum Beispiel kann zur Ausprägung einer Oberflächentextur eine alkalische Ätzlösung mit KOH und IPA verwendet werden, gegen die glasartige Dielektrika oder Siliziumoxid resistent sind. Bei Verwendung einer sauren, z.B. Flusssäure-haltigen Texturlösung müssen die Dielektrka eine ausreichende Dicke aufweisen, da sie angegriffen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die erste Dielektrikumschicht mit einer Dicke von zwischen 50 und 300 nm, vorzugsweise zwischen 100 und 250 nm und stärker bevorzugt zwischen 180 und 220 nm erzeugt.
Vorzugsweise wird die erste Dielektrikumschicht mit einem Material wie zum Beispiel Siliziumnitrid erzeugt, das später bei der fertiggestellten Solarzelle als Antireflexschicht auf der Solarzellenoberfläche verbleiben kann. Eine solche als Antireflexschicht dienende Dielektrikumschicht sollte einen vergleichsweise hohen Brechungsindex beispielsweise von n=l,8 bis n=2,4, vorzugsweise zwischen n=2,2 bis 2,4, aufweisen. Ferner sollte die als Antireflexschicht dienende Dielektrikumschicht bezüglich ihrer Dicke derart abgestimmt sein, dass es aufgrund von negativen Interferenzen an der ersten Dielektrikumschicht zu einem Reflexionsminimum bei Wellenlängen im Bereich von 500 bis 600 nm, bei denen das typischerweise eingestrahlte Sonnenlicht ein Intensitätsmaximum aufweist, kommt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die zweite Dielektrikumschicht mit einer Dicke von etwa zwischen 3 und 30 nm, vorzugsweise zwischen 5 und 20 nm und stärker bevorzugt zwischen 8 und 12 nm erzeugt. Die zweite Dielektrikumschicht dient vornehmlich der Passivierung der Oberflächen des Siliziumsubstrats und braucht daher nicht dick zu sein. Allerdings sollte sie dicht und in hoher Qualität erzeugt werden, um die Oberfläche möglichst gut zu passivieren. Ihr Beitrag zu den optischen Eigenschaften der fertiggestellten Solarzelle kann meist vernachlässigt werden.
Zusammenfassend könnten Aspekte der vorliegenden Erfindung wie folgt mit anderen Worten ausgedrückt werden: Bei der hier beschriebenen Prozesssequenz wird zuerst das dicke Dielektrikum (zum Beispiel Spin-On-Glas, SiOx, SiNx, SiC, etc. mit zum Beispiel 200 nm Dicke) in einem separaten Prozess (zum Beispiel Plasmaabscheidung, Sputtern, Aufschleudern, Sprühen, etc.) aufgebracht. Das Dielektrikum kann die Eigenschaft einer Diffusionsbarriere gegen Dotanden aufweisen und/oder kann als effizienter dielektrischer Spiegel geeignet sein, weist jedoch im Normalfall keine effiziente Oberflächenpassivierung auf (Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit S>1000 cm/s.). Erfolgt das Aufbringen des Dielektrikums auf nur einer Seite des Siliziumsubstrats, so ermöglicht dieses Vorgehen asymmetrische Strukturen. In diesem Fall wirkt die aufgebrachte dielektrische Schicht nur einseitig als Diffusionsbarriere für den nachfolgenden Diffusionsschritt, auf der unbehandelten Seite wird in einem nachfolgenden Prozessschritt ein dotierter Bereich entstehen, zum Beispiel ein pn-Übergang. In einem anschließenden Prozessschritt kann die Passivierschicht aus thermischem Oxid aufgewachsen werden. Das zuvor aufgebrachte Dielektrikum muss dabei die Diffusion von Sauerstoff bzw. Wasserdampf ermöglichen, damit die Oxidation an der Grenzfläche zwischen dem ersten Dielektrikum und der Siliziumoberfläche stattfinden kann. In diesem Fall wächst gleichzeitig das thermische Oxid auf der Vorderseite und an der Grenzfläche zum Dielektrikum auf der Rückseite des Siliziumsubstrats.
Mögliche Vorteile dieses Verfahrens können sein:
- Die optischen und/oder Barriereeigenschaften des ersten Dielektrikums können unabhängig von der Passivierqualität des Dielektrikums sein;
- Die Passivierqualität der als Passivierschicht dienenden zweiten Dielektrikumschicht kann unabhängig vom separat aufgebrachten ersten Dielektrikum sein;
- Die Passivierung kann temperaturstabil sein; - Bei asymmetrischer Ausführung mit einer dünnen Passivierschicht auf der Vorderseite kann eine Antireflexbeschichtung alleine nach optischen Gesichtspunkten erfolgen ohne Randbedingung einer guten Passivierqualität;
- Da die Passivieroxidation nach dem Diffusionsprozess erfolgt, wird die Oberflächenkonzentration des von Dotanden eines zuvor eindiffundierten Emitters herabgesenkt, was zu einer verbesserten Blauempfindlichkeit der Solarzelle führen kann;
- Sofern die erste Dielektrikumschicht resistent gegenüber einer Chemikalie für die Texturierung von Siliziumoberflächen ist, kann sie ebenfalls als Maskierung für die einseitige Texturierung von Solarzellen verwendet werden.
Die vorangehend in Bezug auf einzelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmale können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
Die vorangehend beschriebenen und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt schematisch wesentliche Prozessierungsstadien eines Fertigungsverfahrens für eine Solarzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt schematisch wesentliche Prozessierungsstadien eines Fertigungsverfahrens für eine Solarzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt schematisch wesentliche Prozessierungsstadien für ein Fertigungsverfahren für eine Solarzelle mit einer texturierten Oberfläche und einer als Spiegelschicht dienenden Dielektrikumschicht an der Solarzellen-Rückseite gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt schematisch wesentliche Prozessierungsschritte eines Fertigungsverfahrens für eine Solarzelle mit rückseitigem Emitter und einer als Diffusionsbarriere dienenden ersten Dielektrikumschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Zeichnungen sind jeweils nur Prinzipskizzen und nicht maßstabsgetreu. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen gleiche oder ähnliche Elemente.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt die beiden wesentlichen Prozessschritte, die beim Fertigen einer Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden sollen.
Nach eventuell vorangehenden Prozessierungsschritten, wie beispielsweise der Reinigung eines als Siliziumsubstrat 1 dienenden Siliziumwafers und möglicherweise dessen Oberflächentexturierung, wird an einer zu beschichtenden Oberfläche 3 des Siliziumsubstrats 1 eine erste Dielektrikumschicht 5 aus Siliziumoxid im Spin-On- Verfahren erzeugt (Fig. Ia). Hierzu wird eine Dielektrikum-bildende Flüssigkeit aufgesponnen und anschließend getrocknet. Hieran anschließend können weitere Prozessierungsschritte durchgeführt werden, bevor dann in einem späteren Prozessierungsschritt die aufgesponnene Schicht bei hohen Temperaturen ausgebacken wird und gleichzeitig eine thermische Oxidation an der Grenzfläche zwischen der entstandenen ersten Dielektrikumschicht 5 und der zu beschichtenden Oberfläche 3 bewirkt wird, wodurch sich die als zweite Dielektrikumschicht 7 wirkende qualitativ hochwertige Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von etwa 10 nm bildet (Fig. Ib). Gleichzeitig bildet sich auch an der Solarzellenvorderseite eine oberflächenpassivierende Siliziumoxidschicht 9.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Prozessierungssequenz wird zusätzlich zu dem Erzeugen der ersten Dielektrikumschicht 5 (Fig. 2a) und dem Erzeugen der zweiten Dielektrikumschicht 7 durch thermische Oxidation (Fig. 2c) zwischen diesen beiden Prozessierungsschritten ein Dotandendiffusionsschritt durchgeführt (Fig. 2b). Hierzu wird der bereits mit der ersten Dielektrikumschicht 5 beschichtete Siliziumwafer bei hohen Temperaturen von mehr als 800°C einer phosphorhaltigen Atmosphäre beispielsweise im Rahmen einer sogenannten POCb-Gasphasendiffusion ausgesetzt. Während die von der ersten Dielektrikumschicht 5 bedeckte Oberfläche 3 durch die als Diffusionsbarriere wirkende erste Dielektrikumschicht 5 geschützt ist, wird an der gegenüberliegenden Oberfläche ein Emitter 11 vom n-Halbleitertyp in den ursprünglich p-leitenden Siliziumwafer eindiffundiert. Da bei der nachfolgenden thermischen Oxidation zur Bildung der zweiten Dielektrikumschicht sich die passivierende Oxidschicht nicht nur an der Grenzfläche 3 zwischen der ersten Dielektrikumschicht 5 und dem Substrat 1, sondern auch an der gegenüberliegenden Oberfläche des Siliziumwafers bildet, wird dieser Emitter 11 durch die Oxidschicht 9 hervorragend passiviert, was zur Erhöhung des Wirkungsgrads der letztendlich hergestellten Solarzelle beiträgt.
Fig. 3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fertigen einer Solarzelle in seinen wesentlichen Schritten. Nach dem Bilden der ersten Dielektrikumschicht 5 an der Rückseite des Substrats 1 (Fig. 3a) wird das Substrat 1 einer ätzenden Lösung ausgesetzt (Fig. 3b). Während die Rückseite des Substrats 1 durch die erste Dielektrikumschicht 5 gegen die Ätzlösung geschützt ist, wird die Frontseite angegriffen, wobei sich eine Oberflächentextur ausbilden kann. Bei Verwendung geeigneter Ätzlösungen wie zum Beispiel einer alkalischen NaOH-Lösung können sich an der frontseitigen Oberfläche pyramidenartige Strukturen bilden, die bei der fertigen Solarzelle zu einer Reduzierung einer Verlustreflexion führen können, was wiederum zur Steigerung des Wirkungsgrads der Solarzelle beiträgt. In einem anschließenden Schritt wird in die texturierte frontseitige Oberfläche ein Emitter 11 oberflächlich eindiffundiert, wobei die Rückseite durch die jetzt als Diffusionsbarriere wirkende erste Dielektrikumschicht 5 geschützt ist (Fig. 3c).
Daran anschließend folgt wieder der thermische Oxidationsschritt, bei dem sowohl an der Rückseite des Substrats 1 als auch an der mit dem Emitter 11 versehenen, texturierten Frontseite des Substrats die passivierenden Dielektrikumschichten 7, 9 erzeugt werden (Fig. 3d).
Abschließend wird in einem separaten Prozessschritt an der Frontseite eine zusätzliche Antireflexschicht 13 beispielsweise mit Hilfe einer PECVD-Abscheidung von Siliziumnitrid in geeigneter Dicke erzeugt (Fig. 3e).
In Fig. 4 ist eine alternative Prozessierungssequenz mit den wesentlichen Verfahrensschritten zur Fertigung einer Solarzelle mit rückseitigem Emitter dargestellt.
In einen Siliziumwafer vom n-Halbleitertyp, der zuvor gereinigt und eventuell einseitig texturiert wurde, wird zunächst auf beiden Seiten eine stark dotierte Schicht 17 vom n+- Halbleitertyp beispielsweise durch Eindiffusion von Phosphor erzeugt (Fig 4a). Diese n+- Schicht kann an der Solarzellenfrontseite als sogenanntes Front-Surface-Field (FSF) und an der Solarzellenrückseite als Back-Surface-Field (BSF) wirken, um Oberflächenrekombinationsverluste zu reduzieren.
In einem nächsten Prozessierungsschritt wird sowohl an der Solarzellen-Frontseite als auch an der Solarzellen-Rückseite jeweils eine erste Dielektrikumschicht 5, 15 erzeugt (Fig. 4b). Beide Schichten können beispielsweise mittels des Spin-On- Verfahrens erzeugt werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, die beiden ersten Dielektrikumschichten 5, 15 hinsichtlich ihres späteren Zweckes zu optimieren. Beispielsweise kann die an der Solarzellen- Vorderseite erzeugte erste Dielektrikumschicht 15 später als Antireflexschicht für die fertiggestellte Solarzelle wirken. Hierzu sollte diese frontseitige erste Dielektrikumschicht 15 einen geeigneten Brechungsindex von etwa n=l,8 bis n=2,4, vorzugsweise etwa n=2,2, und eine geeignete Dicke von zwischen 40 und 150nm, vorzugsweise zwischen 60 und 80nm, aufweisen. Die an der Solarzellen-Rückseite erzeugte erste Dielektrikumschicht 5 kann für die fertiggestellte Solarzelle als optischer Spiegel dienen, so dass Licht, welches das Siliziumsubstrat in einem ersten Durchgang vollständig durchdringt, an der rückseitigen Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und der angrenzenden Dielektrikumschicht 5 total reflektiert wird und somit das Siliziumsubstrat 1 ein zweites Mal durchläuft, wodurch die Absorptionswahrscheinlichkeit und letztendlich der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht werden kann. Die an der Rückseite erzeugte erste Dielektrikumschicht 5 sollte hierfür hinsichtlich ihres Brechungsindexes und ihrer Dicke anders gewählt werden als die als Antireflexschicht dienende erste Dielektrikumschicht 15 an der Frontseite. Beispielsweise können gute Spiegelschichteigenschaften mit einem Brechungsindex von n=l,0 - 1,4 und einer Dicke von ca. 200 - 260nm erreicht werden. Beispielsweise kann eine Siliziumoxidschicht mit typischerweise n=l,4 verwendet werden.
In einem nachfolgenden Schritt wird die an der Solarzellen-Rückseite erzeugte erste Dielektrikumschicht 5 in Öffnungsbereichen 19 lokal entfernt (Fig. 4c). Beispielsweise kann die Dielektrikumschicht 5 mittels eines hochenergetischen Lasers lokal beispielsweise in Form von länglichen Fingern durch Ablatieren entfernt werden. Alternativ kann die Dielektrikumschicht 5 auch nasschemisch oder durch Trockenätzen teilweise entfernt werden. Optional kann das lokale Entfernen der rückseitigen Dielektrikumschicht 5 derart durchgeführt werden, dass auch die darunter liegende n+-Schicht 17 lokal entfernt wird.
In einem nachfolgenden Schritt wird in den von der ersten Dielektrikumschicht 5 freigelegten Bereichen eine p+-Schicht, die als Emitter 11 wirkt, erzeugt (Fig. 4d). Hierzu wird das Siliziumsubstrat 1 in eine borhaltige Atmosphäre bei etwa 800 bis 1100°C eingebracht, so dass Boratome in das Siliziumsubstrat 1 in den frei liegenden Öffnungsbereichen 19 eindiffundieren können, in den von der Dielektrikumschicht 5, 15 geschützten Bereichen jedoch nicht eindiffundieren können.
Um Kurzschlüsse zwischen der p+-Schicht 11 und den n+-Bereichenl7 zu vermeiden können die dotierten Gebiete z.B. mittels eines Lasers von einander getrennt werden (z.B. Lasergraben).
Nachfolgend wird die gesamte Oberfläche der Solarzelle durch Bilden einer etwa 10 nm dicken Siliziumoxidschicht 7, 9 durch thermische Oxidation geschützt (Fig. 4e). Das Substrat 1 wird hierzu einige Minuten lang bei etwa 1000°C einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt, wobei der Sauerstoff die Siliziumoberfläche in den frei liegenden Bereichen direkt aufoxidieren kann, aber auch durch die ersten Dielektrikumschichten 5, 15 hindurch diffundieren kann und die darunter liegenden Siliziumoberflächen mit einem Siliziumoxid schützen kann. Diese Siliziumoxidschicht passiviert damit auch die Bereiche (Gräben), die zur Isolation der hochdotierten Bereiche 17 und 11 dienen.
Durch die sehr gute Oberflächenpassivierung mit Hilfe dieses thermisch erzeugten Siliziumoxids lassen sich insbesondere bei einem Solarzellenkonzept mit lokalem rückseitigen Emitter, das auf qualitativ hochwertigem Silizium als Solarzellensubstrat basiert, sehr hohe Wirkungsgrade von über 20% mit einer vergleichsweise einfachen Prozessierungssequenz erreichen.
Es wird daraufhingewiesen, dass die vorgestellten Prozessierungssequenzen lediglich einige wenige wesentliche Prozessschritte einer Gesamtprozessierungssequenz zur Herstellung einer Silizium-Solarzelle darstellen können. Dem Fachmann ist klar, dass die Gesamtprozessierungssequenz weitere Prozessschritte enthalten kann. Beispielsweise können vor oder zwischen einzelnen Prozessierungsschritten weitere Reinigungs-, Ätz- oder Maskierungsprozessschritte notwendig oder vorteilhaft sein. Ferner können zur Fertigstellung der Solarzelle weitere Prozessschritte zum Bilden von Metallkontakten beispielsweise im Siebdruckverfahren oder durch Aufdampfen von Metallkontakten vorgesehen sein.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen", „aufweisen", etc. das Vorhandensein weiterer Elemente nicht ausschließen sollen. Der Begriff „ein" schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Gegenständen oder Prozessschritten nicht aus. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise einschränken.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle, aufweisend die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge:
(a) Bereitstellen eines Siliziumsubstrates (1);
(b) Erzeugen einer ersten Dielektrikumschicht (5) an einer zu beschichtenden Oberfläche (3) des Siliziumsubstrates (1);
(c) Erzeugen einer zweiten Dielektrikumschicht (7) in Form einer Siliziumdioxidschicht an einer Grenzfläche zwischen der ersten Dielektrikumschicht (5) und der zu beschichtenden Oberfläche (3) des Siliziumsubstrates (1) durch thermische Oxidation.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die erste Dielektrikumschicht (5) mittels eines der folgenden Verfahren erzeugt wird: Aufspinnen, Plasmaabscheiden, Sputtern, Aufschleudern, Aufsprühen, Aufdampfen, Aufdrucken.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Dielektrikumschicht (5) mit einem der folgenden Materialien erzeugt wird: Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Spin-on-Glas.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend einen Dotandendiffusionsschritt, um einen dotierten Bereich an einer Oberfläche des Siliziumsubstrates (1) zu erzeugen, wobei die erste Dielektrikumschicht (5) vor dem Dotandendiffusionsschritt erzeugt wird, und wobei die erste Dielektrikumschicht (5) als Diffusionsbarriere erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend einen Ätzschritt, um an einer Oberfläche des Siliziumsubstrates eine Oberflächentextur zu erzeugen, wobei die erste Dielektrikumschicht (5) vor dem Ätzschritt erzeugt wird, und wobei die erste Dielektrikumschicht (5) als Ätzbarriere erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Dielektrikumschicht (5) als optische Antireflexschicht erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Dielektrikumschicht (5) mit einer Dicke von zwischen 50 und 300nm, vorzugsweise zwischen 100 und 250nm und stärker bevorzugt zwischen 180 und 220nm erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zweite Dielektrikumschicht (5) mit einer Dicke von zwischen 3 und 30nm, vorzugsweise zwischen 5 und 20nm und stärker bevorzugt zwischen 8 und 12nm erzeugt wird.
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