WO2010003784A2 - Siliziumsolarzelle mit passivierter p-typ-oberfläche und verfahren zur herstelllung derselben - Google Patents
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Definitions
- a method of manufacturing a silicon solar cell has at least the following process steps: provision of a silicon substrate; Forming an aluminum-containing layer on a surface of the silicon substrate; Firing the aluminum-containing layer in a high-temperature step to form an aluminum-doped p + silicon region on the surface of the silicon substrate; Removing residues of the aluminum-containing layer by etching; partially back etching the aluminum-doped p + silicon region on the surface of the silicon substrate; Depositing a dielectric layer on the etched back p + silicon surface; and forming metal contacts on the dielectric layer for electrically contacting the re-etched surface through the dielectric layer.
- the surface can also be coated with other methods.
- an aluminum-containing layer can be produced by vapor deposition or sputtering of aluminum.
- a silicon solar cell comprising a silicon substrate, an aluminum-doped silicon region on a surface of the silicon substrate, a dielectric layer on the aluminum-doped silicon region, and metal contacts on the dielectric layer for electrically contacting the aluminum-doped silicon region through the dielectric layer.
- such a silicon solar cell can be manufactured by the manufacturing method described above in relation to the first aspect of the present invention.
- the back can also be metallized with a dot pattern and these Point contacts are fired through the dielectric layer.
- the back side is then metallized over the entire surface, eg by vapor deposition of a metal layer.
- this metal layer can form very good reflection properties in the infrared and thus increase the photocurrent of the solar cell.
- a planar emitter 5 is produced in a silicon substrate 2 on the front side adjacent to a base region 3 by a POCl 3 diffusion.
- On the front then one as Antireflection layer serving dielectric layer 19 generates.
- the back of the solar cell 1 is printed by screen printing with an aluminum paste and then fired at temperatures of 750-900 0 C for 1-30 seconds, for example, in a conventional, used in industry continuous furnace. In this process, an aluminum-doped p-type silicon region 13 is formed, which acts as BSF for the solar cell.
- an Ag finger structure is applied by screen printing on the passivated with the dielectric layers 15, 19 semiconductor surfaces and at a high temperature firing step at about 750-900 0 C by the SiN x - fired layers.
- a high temperature firing step at about 750-900 0 C by the SiN x - fired layers.
- this high-temperature step there may be a diffusion of hydrogen contained in the dielectric layers 15, 19 in the adjacent thereto silicon substrate and thus to a surface and bulk passivation.
- An advantage of the proposed method is that the full passivation effect of the SiN 2 layer on the / »-type, Al-doped silicon surface is often only achieved after a short high-temperature step.
- the Passivier Angel can advantageously simultaneously with the electrical contacting of the front and the back of the solar cell tile close in a single firing step, ie by means of co-firing, can be achieved.
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Abstract
Es wird eine Silizium-Solarzelle (1) und ein Verfahren zu deren Herstellung vorgeschlagen. Dabei wird eine Aluminium-haltige Schicht auf eine Oberfläche eines Siliziumsubstrates (2) aufgebracht, vorzugsweise mittels Siebdruck, und anschließend eingefeuert, so dass sich ein Aluminium-dotierter Siliziumbereich (13) bildet. Überschüssiges Aluminium sowie das Aluminium-Silizium-Eutektikum wird anschließend weggeätzt und außerdem der Aluminium-dotierte Siliziumbereich (13) zurückgeätzt. Anschließend wird die Oberfläche des Aluminium-dotierten Siliziumbereichs (13) mit einer Dielektrikumschicht, vorzugsweise aus Wasserstoff-haltigem Siliziumnitrid, passiviert. Auf diese Weise können Solarzellen hohen Wirkungsgrades unter Nutzung bekannter Fertigungstechnologien gefertigt werden.
Description
Siliziumsolarzelle mit passivierter p-Typ-Oberfläche und Verfahren zur Herstellung derselben
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Silizium-Solarzelle mit einer passivierten p-Typ-Oberfläche und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Silizium-Solarzelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Solarzellen dienen der direkten Umwandlung von Licht in elektrischen Strom. Hierzu werden in einem Halbleitermaterial verschiedenartig dotierte Bereiche erzeugt, wobei an einer Grenzfläche, an der ein p-Typ-Bereich an einen n-Typ-Bereich grenzt, ein pn-Übergang entsteht, der aufgrund des dort vorherrschenden Potentialgefälles durch Licht generierte Ladungsträgerpaare räumlich trennen kann.
Bei der industriellen Fertigung von Silizium-Solarzellen kommt derzeit überwiegend p-Typ- Silizium als Substrat- bzw. Basismaterial zum Einsatz. In der einfachsten Form, wie sie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist, weist eine industriell gefertigte Solarzelle 101 ganzflächige Basisbereiche 103 und Emitterbereiche 105 auf. Dabei liegt der n+-dotierte Emitterbereich 105 üblicherweise auf der dem Licht zugewandten Seite, das heißt, der
RAK: sis
Vorderseite der Solarzelle. Der Emitter wird im industriellen Maßstab häufig über einen Phosphor-Diffusionsprozess in einer Gasatmosphäre, die POCl3-/N2-/θ2-Gas enthält, in das Basismaterial bei Temperaturen von typischerweise 8000C - 9500C eindiffundiert. Anschließend wird auf der Vorderseite meist eine als Antireflexschicht und Oberflächenpassivierung dienende Dielektrikumschicht 107 aufgebracht. Nachfolgend werden auf der Vorderseite fingerförmige Metallkontakte 109 und auf der Rückseite ganzflächige Aluminiumkontakte 111 aufgebracht und anschließend in einem Hochtemperaturschritt bei etwa 600 - 9000C zur Bildung eines elektrischen Kontakts mit dem darunter liegenden Siliziumsubstrat eingefeuert.
Im industriellen Maßstab wird für das Aufbringen der Metallkontakte häufig die etablierte Siebdrucktechnologie verwendet. Für die Metallisierung des n+-Emitters wird dabei meist eine Silberpartikel-haltige Paste in Form einer Fingerstruktur auf die Solarzellenvorderseite gedruckt. Für die Bildung des Rückseitenkontakts wird meist eine Aluminiumpartikel-haltige Paste ganzflächig auf die Rückseite der Solarzelle gedruckt. Nach dem Trocknen der Metallpartikel-haltigen Pasten wird der Vorderseitenkontakt und der Rückseitenkontakt gleichzeitig in das Siliziumsubstrat eingefeuert, was auch als „Co-Feuern" bezeichnet wird. Dabei bildet sich einerseits ein guter Ohmscher Kontakt zwischen der Metallisierung und dem Siliziumsubstrat, andererseits bildet das auf der Rückseite aufgebrachte Aluminium einen oberflächennahen, stark mit Aluminium dotierten p+ Siliziumbereich. Dieser Bereich wird als Rückseitenfeld oder BSF 113 (Back Surface Field) bezeichnet und vermindert Rekombinationsverluste an der Solarzellenrückseite, da Ladungsträger teilweise gehemmt werden, hin zur metallisierten Rückseitenoberfläche zu diffundieren und dort zu rekombinieren.
Der hauptsächliche Grund für die überwiegende Verwendung von p-Typ-Silizium anstelle von n-Typ-Silizium als Basismaterial bei der heutigen industriellen Silizium-Solarzellen- Fertigung ist unter anderem der weit verbreitete und etablierte Prozess der Phosphordiffusion
zur Herstellung des n -Emitters an der Solarzellen- Vorderseite. Die hohe und stabile Ladungsträger-Lebensdauer von n-Typ-Silizium ist jedoch ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem standardmäßig verwendeten p-Typ-Silizium. Hohe Ladungsträger-Lebensdauern sind eine wichtige Voraussetzung für das Erreichen höchster Wirkungsgrade.
Bei einem auf n-Typ-Silizium-Basismaterial beruhenden Solarzellen-Fertigungsprozess muss der Emitter p-Typ-dotiert werden. Im Labormaßstab werden solche p -Emitter meist durch Eindiffusion von Bor bei sehr hohen Temperaturen von bis zu 11000C erzeugt. Für eine Fertigung im industriellen Maßstab wurden Fertigungsprozesse untersucht, bei denen eine Aluminium-haltige Paste mittels Siebdruck auf der Solarzellen-Rückseite aufgedruckt und anschließend eingefeuert wurde. Der entstehende p -dotierte oberflächennahe Bereich wirkt hierbei nicht als BSF wie bei p-Typ-Solarzellen, sondern stellt einen rückseitigen Emitter der n-Typ-Solarzelle bereit.
Bei den oben geschilderten herkömmlichen Solarzellen-Konzepten ist die Solarzellen- Rückseite, das heißt das p -dotierte BSF im Falle einer p-Typ-Substrat-Solarzelle bzw. der p - dotierte Emitter im Falle der n-Typ-Substrat-Solarzelle, im allgemeinen ganzflächig metallisiert. Dies erlaubt einerseits einen guten elektrischen Kontakt mit dem Siliziumsubstrat und geringe Leistungsverluste aufgrund von Serienwiderständen innerhalb der Metallkontakte. Andererseits wurde jedoch erkannt, dass metallisierte Bereiche einer Siliziumoberfläche als starke Rekombinationszentren wirken können. Das Erreichen hoher und höchster Wirkungsgrade setzt bei Solarzellen jedoch voraus, dass die Rekombination von Ladungsträgern sowohl innerhalb der Solarzelle wie auch an den Oberflächen der Solarzelle möglichst gering sein soll. Mit anderen Worten soll die Wahrscheinlichkeit, mit der Minoritätsladungsträger insbesondere zur Oberfläche der Solarzelle gelangen und dort rekombinieren können und somit nicht zur Energieerzeugung beitragen können, möglichst gering sein.
- A -
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es kann daher ein Bedarf an einer Silizium-Solarzelle und an einem Verfahren zum Fertigen einer solchen Silizium-Solarzelle bestehen, bei der ein im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen erhöhtes Wirkungsgradpotential erreicht werden kann. Insbesondere sollen dabei industriell einsetzbare Fertigungsschritte wie beispielsweise die Siebdrucktechnologie eingesetzt werden können. Ferner kann ein Bedarf daran bestehen, sowohl bei n-Typ- als auch bei p-Typ-Solarzellen Wirkungsgradverluste aufgrund von Oberflächenrekombination zu minimieren.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Silizium-Solarzelle vorgeschlagen. Das Verfahren weist zumindest die nachfolgenden Prozessschritte auf: Bereitstellen eines Siliziumsubstrates; Ausbilden einer Aluminium- haltigen Schicht an einer Oberfläche des Siliziumsubstrates; Einfeuern der Aluminium- haltigen Schicht in einem Hochtemperaturschritt, um einen Aluminium-dotierten p+- Siliziumbereich an der Oberfläche des Siliziumsubstrates zu bilden; Entfernen von Rückständen der Aluminium-haltigen Schicht durch Ätzen; teilweises Rückätzen des Aluminium-dotierten p+-Siliziumbereichs an der Oberfläche des Siliziumsubstrates; Abscheiden einer Dielektrikumschicht an der rückgeätzten p+-Siliziumoberfläche; und Ausbilden von Metallkontakten an der Dielektrikumschicht zur elektrischen Kontaktierung der rückgeätzten Oberfläche durch die Dielektrikumschicht hindurch.
Mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Silizium- Solarzellen werden im Anschluss detaillierter beschrieben.
Bei dem bereitgestellten Siliziumsubstrat kann es sich um einen mono- oder multikristallinen Siliziumwafer, der eine p-Typ-Grunddotierung oder eine n-Typ-Grunddotierung aufweist,
handeln. Alternativ können auch entsprechende Siliziumdünnschichten als Substrat dienen.
Die Aluminium-haltige Schicht kann beispielsweise dadurch ausgebildet werden, dass eine Aluminiumpartikel-haltige viskose Paste großflächig auf die zu beschichtende Oberfläche aufgedruckt wird, beispielsweise im Siebdruckverfahren. Die Siebdruckpaste kann dabei neben Aluminiumpartikeln auch Glasfritte und Lösungsmittel enthalten. Vorzugsweise wird die zu beschichtende Oberfläche, bei der es sich um die Rückseitenoberfläche des Siliziumsubstrats handeln kann, ganzflächig beschichtet.
Alternativ zur Siebdrucktechnologie kann die Oberfläche auch mit anderen Verfahren beschichtet werden. Beispielsweise kann eine Aluminium-haltige Schicht durch Aufdampfen oder Aufsputtern von Aluminium erzeugt werden.
Die derart auf der Siliziumoberfläche abgeschiedene Aluminium- haltige Schicht wird nachfolgend in einem Hochtemperaturschritt eingefeuert. Der Hochtemperaturschritt erfolgt dabei bei Temperaturen oberhalb der eutektischen Temperatur von 577°C. Beispielsweise kann die Aluminium-haltige Schicht in einem Durchlaufofen eingefeuert werden, bei dem das mit der Aluminium- haltigen Schicht versehene Siliziumsubstrat auf einem Gürtel durch eine beheizte Zone wandert und für eine Dauer von wenigen Sekunden bis hin zu wenigen Minuten einer erhöhten Temperatur von 600 - 9000C ausgesetzt ist. Bei solchen Temperaturen bildet Aluminium mit Silizium eine eutektische Phase, das heißt, eine flüssige Siliziumphase, in der ein gewisser Anteil von Aluminium gelöst ist. Beim Abkühlen nach dem Hochtemperaturschritt wächst aus dem flüssigen Eutektikum ein mit Aluminium p- dotierter Siliziumbereich von einigen Mikrometern Tiefe epitatkisch auf dem Siliziumsubstrat. Auf der Oberfläche dieses Aluminium-dotierten Siliziumbereichs erstarrt das restliche Aluminium-Silizium-Eutektikum und darüber wiederum das verbliebene Aluminium.
Es hat sich herausgestellt, dass der Aluminium-dotierte p+ Siliziumbereich an der Grenzfläche zum Eutektikum die höchste Aluminium- Konzentration aufweist.
Die Rückstände der verbliebenen Aluminium-haltigen Schicht, inklusive des Aluminium- Silizium-Eutektikums, werden anschließend durch chemisches Ätzen entfernt. Hierzu können sowohl flüssige Ätzlösungen wie auch reaktive Gase verwendet werden, die Aluminium ätzen. Beispielsweise können die Aluminiumrückstände in einer hoch konzentrierten Salzsäurelösung (HCl) nasschemisch weggeätzt, das heißt möglichst rückstandsfrei entfernt werden.
Die auf diese Weise freigelegte und aufgrund des darin gelösten Aluminiums hoch p-dotierte oberflächennahe Region des zuvor erzeugten Aluminium-dotierten p+ Siliziumbereichs wird anschließend oberflächlich rückgeätzt. Auch dies kann sowohl in einer Ätzlösung als auch in einem reaktiven Gas erfolgen. Beispielsweise kann eine hochkonzentrierte Kaliumhydroxidlösung (KOH) verwendet werden. Der Aluminium-dotierte Siliziumbereich kann beispielsweise um 0,1 μm bis 5 μm zurückgeätzt werden. Nach dem Rückätzen soll jedoch eine ausreichende Schichtdicke des Aluminium-dotierten p+ Siliziumbereichs verbleiben, um als BSF bzw. als Emitter dienen zu können.
Optional kann das Wegätzen der Aluminium-haltigen Schicht und das Rückätzen des Aluminium-dotierten Siliziumbereichs auch in einem gemeinsamen Ätzschritt durchgeführt werden.
Auf die derart rückgeätzte Oberfläche wird anschließend eine Dielektrikumschicht abgeschieden. Alternativ kann die Dielektrikumschicht auch thermisch an der Oberfläche aufgewachsen werden. Wie weiter unten in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen detaillierter beschrieben, kann die Dielektrikumschicht verschiedene vorteilhafte Eigenschaften aufweisen und mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden. Die
Dielektrikumschicht kann insbesondere überall dort abgeschieden werden, wo zuvor der Aluminium-dotierte Siliziumbereich erzeugt wurde. Vorzugsweise wird die Dielektrikumschicht ganzflächig auf der gesamten rückseitigen Oberfläche des Siliziumsubstrats abgeschieden. Alternativ kann die Dielektrikumschicht auch derart erzeugt werden, dass sowohl die rückseitige als auch die vorderseitige Oberfläche des Siliziumsubstrats gleichzeitig beschichtet werden.
Die Dielektrikumschicht soll hauptsächlich zur Passivierung der rückgeätzten Oberfläche dienen. Sie kann aber auch weitere Aufgaben erfüllen. Beispielsweise kann sie als Antireflexschicht oder als Rückseitenspiegel für die Solarzelle dienen.
Anschließend werden an der Dielektrikumschicht Metallkontakte ausgebildet, die die rückgeätzte Oberfläche des Siliziumsubstrats durch die Dielektrikumschicht hindurch elektrisch kontaktieren soll. Beispielsweise können die Metallkontakte in Siebdrucktechnik unter Verwendung einer Silberpartikel-haltigen Paste aufgedruckt werden und anschließend durch die Dielektrikumschicht hindurchgefeuert werden. Alternativ kann die Dielektrikumschicht partiell lokal geöffnet werden, z.B. linien- oder punktförmig, sodass die Metallisierung das darunter liegende Siliziumsubstrat durch die Öffnungen hindurch kontaktieren kann. Die Metallkontakte können als fingerförmiges Grid ausgebildet sein, sodass die Rückseite nicht ganzflächig sondern nur lokal elektrisch kontaktiert wird. Dadurch verringert sich die mit Metallkontakten in Kontakt stehende Oberfläche des Siliziumsubstrates und somit auch die dort auftretende Rekombination. Zwischen den fingerförmigen Kontakten ist die Siliziumoberfläche durch die Dielektrikumschicht gut passiviert.
Es wird darauf hingewiesen, dass die gesamte Fertigungssequenz zur Herstellung der Solarzelle noch weitere Fertigungsschritte umfassen kann wie z.B. Reinigungsschritte, Ätzschritte, Texturierungsschritte, Diffusionsschritte, Beschichtungsschritte, Getterschritte etc, wie sie z.B. für herkömmliche Fertigungsverfahren bekannt sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Dielektrikumschicht Wasserstoff-haltig. Mit anderen Worten ist in die Dielektrikumschicht atomarer oder molekularer Wasserstoff eingelagert. Der Wasserstoffanteil sollte wenigstens lat%, vorzugsweise wenigstens 2at% und stärker bevorzugt wenigstens 5at% betragen. Der in der Dielektrikumschicht enthaltene Wasserstoff kann beispielsweise in einem nachfolgenden Hochtemperaturschritt an die Grenzfläche zwischen der Dielektrikumschicht und dem Aluminium-dotierten p+ Siliziumbereich diffundieren und dort, beispielsweise durch Sättigen von freien Bindungen („Dangling Bonds"), passivierend wirken.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Dielektrikumschicht Siliziumnitrid (SiNx) und/oder Aluminiumoxid (AI2O3) auf. Es hat sich herausgestellt, dass mit solchen Dielektrika beschichtete hoch Aluminium-dotierte Siliziumoberflächen eine besonders geringe Oberflächenrekombination aufweisen. Außerdem kann insbesondere Siliziumnitrid in einer Weise abgeschieden werden, dass besonders viel Wasserstoff darin enthalten ist. Hierzu kann die Dielektrikumschicht beispielsweise mit Hilfe von plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung (PECVD - Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) abgeschieden werden. Zum Beispiel wird Siliziumnitrid beim Beschichten mittels PECVD nicht-stöchiometrisch abgeschieden und enthält einen hohen Anteil an Wasserstoff. Aluminiumoxid mit sehr gut passivierenden Eigenschaften kann beispielsweise mit Atomlagenabscheidung (ALD - Atomic Layer Deposition) abgeschieden werden. Es können auch Doppelschichten aus einer dünnen A^Ch-Schicht und einer dickeren SiNx-Schicht verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Dielektrikumschicht Siliziumdioxid (SiO2) auf. Es hat sich herausgestellt, dass sich eine gute Passivierwirkung durch thermische Oxidation in einer Sauerstoff-haltigen Atmosphäre beispielsweise bei Temperaturen unterhalb oder gleich 9000C erreichen lässt. Es hat sich
weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, die Schichtdicke der Siθ2-Dielektrikumschicht auf <50 nm zu begrenzen und eine weitere Dielektrikumschicht aus SiNx oder SiOx mittels PECVD auf der thermisch gewachsenen SiO2-ScMcM abzuscheiden. Die mittels PECVD aufgebrachten Schichten haben einen wesentlich höheren Wasserstoffgehalt als die thermisch aufgewachsene SiO2-ScMcM. Dies kann bei einer anschließenden Temperaturbehandlung zu einer Diffusion des Wasserstoffs durch die thermisch aufgewachsene SiO2-ScMcM bis zur Grenzfläche mit dem Siliziumsubstrat führen, wo der Wasserstoff unabgesättigte Siliziumbindungen passivieren kann, was zu einer weiteren Verbesserung der Oberflächenpassivierung führen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nach dem Abscheiden der Dielektrikumschicht ein Hochtemperaturschritt derart durchgeführt, dass Wasserstoff aus der Dielektrikumschicht an die Grenzfläche mit dem darunter liegenden Aluminium-dotierten Siliziumbereich diffundiert. Bei dem Hochtemperaturschritt kann es sich beispielsweise um den Feuerschritt handeln, mit dem nachfolgend aufgebrachte Metallkontakte durch die Dielektrikumschicht hindurch hin zu dem Siliziumsubstrat durchgefeuert werden. Der Feuerschritt kann somit durch die gleichzeitig auftretende Wasserstoff-Diffusion auch einen passivierenden Effekt haben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Metallkontakte durch lokales Aufbringen einer Metallpartikel-haltigen viskosen Paste auf die Dielektrikumschicht und anschließendes Durchfeuern der Metallpartikel-haltigen Paste durch die Dielektrikumschicht hindurch ausgebildet. Die Paste kann dabei beispielsweise Aluminiumpartikel oder vorzugsweise Silberpartikel enthalten. Ferner können Glasfritte, die das Durchdringen der Paste durch die Dielektrikumschicht unterstützen können, sowie Lösungsmittel in der Paste enthalten sein. Die Pasten können lokal, beispielsweise fingerförmig, aufgedruckt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Aluminium- haltige Schicht durch Aufbringen einer Aluminiumpartikel-haltigen Paste ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Metallpartikel- haltige Paste für die Bildung der Metallkontakte und/oder die Aluminiumpartikel-haltige Paste für die Bildung der Aluminium-haltigen Schicht mittels Siebdruck aufgebracht. Siebdruck ist in der industriellen Solarzellen-Fertigung ein etabliertes Verfahren, so dass die einzelnen Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens einfach im industriellen Maßstab umgesetzt werden können.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Silizium-Solarzelle vorgeschlagen, die ein Siliziumsubstrat, einen Aluminium-dotierten Siliziumbereich an einer Oberfläche des Siliziumsubstrats, eine Dielektrikumschicht auf dem Aluminium-dotierten Siliziumbereich und Metallkontakte an der Dielektrikumschicht zur elektrischen Kontaktierung des Aluminium-dotierten Siliziumbereichs durch die Dielektrikumschicht hindurch aufweist.
Eine solche Silizium-Solarzelle kann insbesondere durch das oben in Bezug auf den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschriebene Fertigungsverfahren hergestellt werden.
Die Dielektrikumschicht grenzt vorzugsweise direkt an den darunter liegenden Aluminiumdotierten p+ Siliziumbereich des Siliziumsubstrats an. Mit anderen Worten soll zwischen der Dielektrikumschicht und dem darunter liegenden Aluminium-dotierten Siliziumbereich keine zusätzliche Schicht beispielsweise in Form von Aluminiumrückständen vorhanden sein sondern die Dielektrikumschicht soll direkt am Siliziumsubstrat anliegen. Auf diese Weise kann die Dielektrikumschicht besonders gut als Oberflächenpassivierung dienen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Aluminiumdotierte p+ Siliziumbereich eine maximale Konzentration von Aluminium von weniger als 1 x 1019 cm"3 auf. Das Aluminium-Dotierpro fϊl zeigt in der Regel ein breites Maximum von ca. 6 x 1018 cm"3 in einer Tiefe von einigen Mikrometern sowie einen scharfen Peak in der Aluminium-Dotierkonzentration an der Oberfläche mit einer typischen Aluminum- Dotierkonzentration von ca. 7 x 1018 cm"3 . Es hat sich herausgestellt, dass derart stark mit Aluminium dotierte Siliziumbereiche schwer passivierbar sind. Indem, wie weiter oben in Bezug auf das Fertigungsverfahren beschrieben, die oberste Schicht des Aluminium-dotierten P+ Siliziumbereichs rückgeätzt wird, kann die maximale Aluminiumkonzentration innerhalb des p+ Siliziumbereichs erheblich reduziert werden, was sich vorteilhaft auf die Passivierbarkeit der Oberfläche mit einem Dielektrikum auswirken kann.
Nachfolgend werden eine zugrunde liegende Idee und Vorteile der Erfindung zusammengefasst.
Das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt und die Solarzelle gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung können auf der nachfolgenden Idee beruhend angesehen werden: Zur Herstellung der Solarzelle wird eine Aluminium-haltige Schicht an einer Oberfläche des Siliziumsubstrats abgeschieden und nachfolgend eingefeuert, um einen Aluminium-dotierten p -leitenden Siliziumbereich zu bilden. Dieser Aluminium-dotierte Siliziumbereich kann, im Falle eines p-Typ-Siliziumsubstrats, als BSF dienen bzw., im Fall eines n-Typ- Siliziumsubstrats, als Emitter dienen. Im Gegensatz zur herkömmlichen Solarzellenfertigung sollen die an der Oberfläche des Siliziumsubstrates verbleibenden Rückstände der Aluminium-haltigen Schicht jedoch nicht als Metallkontakt verwendet werden. Stattdessen werden diese Rückstände (inklusive des sich beim Hochtemperaturschritt ausbildenden Aluminium-Silizium-Eutektikums) in einem Ätzschritt entfernt. Zusätzlich wird der zuvor
gebildete Aluminium-dotierte Siliziumbereich in einem weiteren Ätzschritt teilweise entfernt, das heißt, zurückgeätzt. Auf die derart von Aluminium- Rückständen und von einer stark dotierten, oberflächennahen Aluminium-dotierten Siliziumschicht befreiten Oberfläche des Siliziumsubstrats wird anschließend eine Dielektrikumschicht beispielsweise in Form einer wasserstoffhaltigen Siliziumnitridschicht abgeschieden, die zur Oberflächenpassivierung dienen kann. Zur Bildung von Metallkontakten kann anschließend an der Dielektrikumschicht eine weitere Metallschicht aufgebracht werden, beispielsweise in Form eines fmgerartigen Metallgrids, und die Metallkontakte können in einem nachfolgenden Hochtemperaturschritt durch die darunter liegende Dielektrikumschicht lokal hindurchgefeuert werden. Auf diese Weise kann einerseits ein elektrischer Kontakt zu dem darunter liegenden Aluminiumdotierten Siliziumbereich des Siliziumsubstrats gebildet werden und andererseits Wasserstoff aus der Dielektrikumschicht zu Defekten an der Grenzfläche zwischen Substrat und Dielektrikumschicht bzw. in das darunter liegende Substrat eindiffundiert werden, so dass es zusätzlich zu einer Oberflächenpassivierung durch die Dielektrikumschicht auch zu einer Bulkpassivierung kommen kann.
Das vorgeschlagene Konzept ermöglicht einerseits die Bildung eines großflächigen p+-BSFs bzw. eines großflächigen p+-Emitters, vermeidet jedoch, dass dieses BSF bzw. dieser Emitter großflächig metallisiert ist. Rückstände der zuvor großflächig aufgebrachten Aluminium- haltigen Schicht werden hierzu ebenso wie oberflächennahe Bereiche des zuvor gebildeten Aluminium-dotierten p+ Siliziumbereichs vor dem Abscheiden der passivierenden Dielektrikumschicht weggeätzt.
Aufgrund der Tatsache, dass die Solarzellenrückseite vorzugsweise nicht ganzflächig sondern gridförmig metallisiert ist, kommt es auch nicht zu dem insbesondere bei dünnen Solarzellen gefürchteten Durchbiegen der Solarzellen nach dem Einfeuern der Metallkontakte.
Alternativ kann die Rückseite auch mit einem Punktmuster metallisiert werden und diese
Punktkontakte durch die Dielektrikumschicht durchgefeuert werden. Nach dem Feuerschritt wird die Rückseite dann ganzflächig metallisiert, z.B. durch aufdampfen einer Metallschicht. In Kombination mit dem Dielektrikum kann diese Metallschicht sehr gute Reflexionseigenschaften im Infraroten ausbilden und so den Fotostrom der Solarzelle erhöhen.
Das Konzept kann unter Einsatz bekannter und erprobter Fertigungstechniken wie z.B. der Siebdrucktechnologie realisiert werden. Somit kann bei der Fertigung der Solarzellen eine hohe Zuverlässigkeit erreicht werden. Außerdem kann das Konzept in einfacher Weise durch Umrüsten bereits bestehender Fertigungslinien genutzt werden.
Mit Hilfe des Konzeptes lassen sich sowohl Solarzellen auf p-Typ Siliziumwafern mit frontseitigem n+-Typ Emitter und rückseitigem p+-BSF als auch Solarzellen auf n-Typ Siliziumwafern mit rückseitigem p -Typ Emitter fertigen. Aufgrund der mit dem vorgeschlagenen Konzept erreichbaren guten Oberflächenpassivierung können dabei sehr hohe Offene-Klemmen-Spannungen Voc erreicht werden. Im Labormaßstab wurden bereits Solarzellen mit einer Voc von etwa 65OmV gefertigt.
Es wird angemerkt, dass die Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der Erfindung teilweise in Bezug auf das erfmdungsgemäße Solarzellenherstellungsverfahren und teilweise in Bezug auf die erfindungsgemäße Solarzelle beschrieben wurden. Ein Fachmann wird jedoch aus der vorangehenden und auch aus der nachfolgenden Beschreibung erkennen, dass, sofern dies nicht anders angegeben ist, die Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung auch jeweils analog auf die Solarzelle bzw. das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren übertragen werden können und umgekehrt. Insbesondere können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen auch in beliebiger Weise untereinander kombiniert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungs formen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen ist, und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Siliziumsolarzelle auf Basis von p-Typ-Silizium.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Siliziumsolarzelle auf Basis von n-Typ-Silizium.
Fig. 3 zeigt eine herkömmliche Siliziumsolarzelle.
Alle Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die in Fig. 2 dargestellte Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle beispielhaft erläutert. Es handelt sich dabei um eine Solarzelle auf Basis eines p-Typ-Siliziumwafers mit frontseitigem n+-Emitter.
Nach vorbereitenden Prozessschritten wie einem Ätzschritt zum Entfernen von Sägeschäden in einem Siliziumwafer und zum Erzeugen einer Oberflächentextur, wird in einem Siliziumsubstrat 2 an der Vorderseite angrenzend an einen Basisbereich 3 ein flächiger Emitter 5 durch eine POCl3-Diffusion erzeugt. Auf der Vorderseite wird dann eine als
Antireflexschicht dienende Dielektrikumschicht 19 erzeugt. Die Rückseite der Solarzelle 1 wird mittels Siebdruck mit einer Aluminium-Paste bedruckt und anschließend bei Temperaturen von 750-9000C für 1-30 Sekunden beispielsweise in einem konventionellen, in der Industrie eingesetzten Durchlauffeuerofen gefeuert. Bei diesem Prozess wird ein Aluminium-dotierter p -leitender Siliziumbereich 13 gebildet, die als BSF für die Solarzelle wirkt. Die ganzflächig metallisierte /»-leitende Rückseitenoberfläche wird anschließend nasschemisch für die Passivierung vorbereitet, indem die verbleibende Al-Siebdruckpaste zusammen mit dem sich im Feuerprozess bildende Al-Si-Eutektikum z. B. in einer auf ca. 1000C erhitzten 37%igen Salzsäurelösung entfernt wird und der Aluminium-dotierte Siliziumbereich 13 um 0,1-5 μm in 50%iger KOH Lösung rückgeätzt wird. Die derart gereinigte Siliziumoberfläche des BSF kann dann mit einer Dielektrikumschicht 15 aus Siliziumnitrid (SiNx) im PECVD-Verfahren beschichtet werden. Für die elektrische Kontaktierung des Emitters 5 wie auch des Aluminium-dotierten Siliziumbereichs 13 des BSF wird eine Ag-Fingerstruktur mittels Siebdruck auf die mit den Dielektrikumschichten 15, 19 passivierten Halbleiteroberflächen aufgebracht und bei einem Hochtemperaturfeuerschritt bei ca. 750-9000C durch die SiNx- Schichten gefeuert. Bei diesem Hochtemperaturschritt kann es zu einer Diffusion von in den Dielektrikumschichten 15, 19 enthaltenem Wasserstoff in das daran angrenzende Siliziumsubstrat und somit zu einer Oberflächen- und Bulkpassivierung kommen.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfmdungsgemäßen Solarzelle 51. Es handelt sich dabei um eine Solarzelle auf Basis eines n-Typ-Siliziumwafers mit rückseitigem p -Emitter.
Auf die rückseitige Oberfläche eines Siliziumsubstrates 52 wird eine Al- haltige Paste aufgedruckt und eingefeuert. Es bildet sich ein als p -dotierter Emitter 55 wirkender Aluminium-dotierter Siliziumbereich 63 angrenzend an die Basis 53. Überschüssiges Aluminium wird dann in HCl weggeätzt und der Emitter 5 in KOH zurückgeätzt.
Anschließend werden Siliziumnitridschichten 65, 69 auf Vorder- und Rückseite abgeschieden. Danach werden Vorder- und Rückseitenkontakte 59 aufgedruckt und eingefeuert.
Ein Vorteil des vorgestellten Verfahrens ist, dass die volle Passivierwirkung der SiN^-Schicht auf der /»-leitenden, AI-dotierten Siliziumoberfläche häufig erst nach einem kurzen Hochtemperaturschritt erreicht wird. Die Passivierwirkung kann vorteilhaft gleichzeitig mit dem elektrischen Kontaktieren der Vorder- und der Rückseite der Solarzelle industrienah in einem einzigen Feuerschritt, also mittels Co-Feuern, erreicht werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Solarzelle ist, dass aufgrund der über die gesammte Solarzellenfläche ausgedehnten Emitter- bzw. BSF-Gebiete kein lateraler Stromfluss auftritt, so dass kaum Einschränkungen bezüglich des spezifischen Widerstandes des Siliziumsubstrats bestehen und damit auch relativ hochohmige Siliziumsubstrate verwendet werden können. Hochohmiges Silizium weist in der Regel erheblich höhere Ladungsträgerlebensdauern auf als niederohmiges Material, was zu erhöhten Solarzellenwirkungsgraden führen kann.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen", „aufweisen" etc. das Vorhandensein weiterer Elemente nicht ausschließen. Der Begriff „ein" schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Gegenständen nicht aus. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise einschränken.
Claims
1. Verfahren zum Herstellen einer Siliziumsolarzelle (1, 51), aufweisend: Bereitstellen eines Siliziumsubstrates (2, 52);
Ausbilden einer Aluminium-haltigen Schicht an einer Oberfläche des
Siliziumsubstrates (2, 52);
Einfeuern der Aluminium-haltigen Schicht in einem Hochtemperaturschritt, um einen
Aluminium-dotierten p+ Siliziumbereich (13, 63) an der Oberfläche des
Siliziumsubstrates zu bilden;
Entfernen von Rückständen der Aluminium-haltigen Schicht inklusive des sich beim
Hochtemperaturschritt ausbildenden Aluminium-Silizium-Eutektikums durch Ätzen;
Rückätzen des Aluminium-dotierten p+ Siliziumbereichs (13, 63) an der Oberfläche des Siliziumsubstrates;
Abscheiden einer Dielektrikumschicht (15, 65) an der rückgeätzten Oberfläche; und
Ausbilden von Metallkontakten (9, 59) an der Dielektrikumschicht (15, 65) zur elektrischen Kontaktierung der rückgeätzten Oberfläche durch die
Dielektrikumschicht (15, 65) hindurch.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dielektrikumschicht (15, 65) Wasserstoff- haltig ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dielektrikumschicht Siliziumnitrid und/oder Aluminiumoxid aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Dielektrikumschicht (15, 65) Siliziumoxid aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dielektrikumschicht (15, 65) mittels plasmaunterstützter Gasphasenabescheidung abgeschieden wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dielektrikumschicht (15, 65) mittels Atomlagenabscheidung abgeschieden wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Dielektrikumschicht (15, 65) mittels thermischer Oxidation der Siliziumoberfläche bei Temperaturen unterhalb oder gleich 9000C hergestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei nach dem Abscheiden der Dielektrikumschicht (15, 65) ein Hochtemperaturschritt derart durchgeführt wird, dass Wasserstoff aus der Dielektrikumschicht (15, 65) an die Grenzfläche des Dielektrikums mit dem Aluminium-dotierten Siliziumbereich (13, 63) diffundiert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Metallkontakte durch lokales Aufbringen einer Metallpartikel-haltigen Paste auf die Dielektrikumschicht (15, 65) und anschließendes Durchfeuern der Metallpartikel-haltigen Paste durch die Dielektrikumschicht (15, 65) ausgebildet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Metallkontakte durch lokales Öffnen der Dielektrikumschicht (15, 65) und anschließendes Aufdampfen von Metall auf die lokal geöffnete Dielektrikumschicht (15, 65) ausgebildet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Aluminium- haltige Schicht durch Aufbringen einer Aluminiumpartikel-haltigen Paste ausgebildet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 11, wobei die Metallpartikel- haltige Paste und/oder die Aluminiumpartikel-haltige Paste mittels Siebdruck aufgebracht wird.
13. Siliziumsolarzelle, aufweisend: ein Siliziumsubstrat (2, 52); ein Aluminium-dotierter p+ Siliziumbereich (13, 63) an einer Oberfläche des
Siliziumsubstrates (2, 52); eine Dielektrikumschicht (15, 65) auf dem Aluminium-dotierten p+ Siliziumbereich
(13, 63); und
Metallkontakte (9) an der Dielektrikumschicht zur elektrischen Kontaktierung des
Aluminium-dotierten Siliziumbereichs (13, 63) durch die Dielektrikumschicht (15, 65) hindurch.
14. Siliziumsolarzelle nach Anspruch 13, wobei der Aluminium-dotierte p+
Siliziumbereich (13, 63) eine maximale Konzentration von Aluminium von weniger als IxIO19Cm"3 aufweist.
15. Siliziumsolarzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei die Dielektrikumschicht (15, 65) Siliziumnitrid aufweist.
16. Siliziumsolarzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Dielektrikumschicht (15, 65) Aluminiumoxid aufweist.
17. Siliziumsolarzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Dielektrikumschicht (15, 65) Siliziumoxid aufweist.
18. Siliziumsolarzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Metallkontakte (9) als Siebdruckkontakte ausgebildet sind.
19. Siliziumsolarzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Metallkontakte (9) als Aufdampfkontakte ausgebildet sind.
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