WO2010049230A2 - Verfahren zur herstellung monokristalliner n-silizium-rückseitenkontakt-solarzellen - Google Patents

Verfahren zur herstellung monokristalliner n-silizium-rückseitenkontakt-solarzellen Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing monocrystalline n-silicon back contact solar cells with a special structure for a light-remote back, passivated p + emitter and spatially separated n + - (BSF) areas and front n + " profile according to the preamble of patent claim 1 and a backside contact silicon silicon cell Ie prepared by such a method.
  • the required electrical separation of adjacent n-doped and p-doped semiconductor regions on the same surface is basically solvable in various ways. So it is possible to set the two areas to a different height.
  • RISE series see P. Engelhardt, NP Harder, T. Neubert, H. Plagwitz, R. Meyer and R.
  • the emitter doping with phosphorus simultaneously into the deeper areas of the back, into the front and the connecting holes between front emitter and Rear emitter made.
  • the metallization of both regions then takes place by a single aluminum vapor deposition step, whereby the contact regions are electrically separated from one another by demolition of the thin metal layer on the generated almost vertical step structure in the semiconductor surface.
  • the deposition of an aluminum or aluminum-containing thin film on the back side of an n-silicon wafer and the subsequent structuring of this thin film with the provision of openings in the area of the later base contacts has already been proposed.
  • This unprecedented approach also includes diffusing the aluminum into the n-type silicon wafer to form a patterned emitter layer. Accordingly, the aluminum or aluminum-containing layer is patterned before it itself is diffused into the wafer.
  • the structuring of the deposited aluminum thin layer is carried out in a strip-like manner by selective etching, using dry etching methods via a metal shadow mask, but it is also possible to use an organic mask.
  • the structured emitter layer is covered in a further process step over its entire surface with a dielectric protective layer. Furthermore, we opened this protective layer in areas of later base doping, which in turn can be realized by etching or with the aid of an etching mask.
  • a high emitter coverage can only be achieved with a very narrow BSF finger width, which is difficult to realize because a minimum lateral distance to the surrounding emitter area of approx. 75 ⁇ m be guaranteed on both sides of each strip to avoid additional isolation trenches, z. B. by laser bombardment to produce.
  • the occupancy of the BSF stripe regions with a phosphorus-containing precursor also causes a simultaneous and thus not independently controllable diffusion of the phosphor during the heating up to the temperature of> 1000 ° C. required for aluminum diffusion.
  • the application, drying and post-diffusion removal of the paste remnants means a number of additional processing steps that increase the complexity and hence the cost of the manufacturing process.
  • the object of the invention is achieved by a method according to the definition according to claim 1 and with a back-contact silicon solar cell according to the combination of features according to claim 11, wherein the dependent claims represent at least expedient refinements and developments.
  • n + - (BSF) regions as well as anterior n + profile is assumed.
  • an aluminum or aluminum-containing thin film is applied to the back side of the silicon wafer.
  • this layer is z.
  • a vapor deposition, sputtering or the like process conceivable.
  • the structuring of the thin layer takes place to obtain local recesses for the later n + doping.
  • a corresponding masking is used for this structuring.
  • the structure thus obtained is provided with a dielectric.
  • the dielectric is then locally removed by means of masking, whereby the masking in the recess or island region takes place in such a way that in the subsequent phosphorus doping contact between emitter and BSF dopants is excluded.
  • the mask for forming the recesses in the aluminum layer has openings which are larger than those of the mask for masking the dielectric layer, wherein the positioning of the respective masks in the process is carried out so that the mentioned island structure is retained.
  • the recesses or islands may have a circular, oval, square, rectangular or polygonal surface shape.
  • a first high-temperature treatment step Al diffusion takes place from the applied aluminum-containing swelling layer or swelling layer sequence to form a p + emitter layer.
  • the furnace is charged with a phosphorus source to form the n + doping profile on the front and back of the wafer and exposed areas therein train.
  • the first high-temperature treatment step takes place at temperatures of> 1000 ° C.
  • the second temperature-treatment step is carried out in the cooling phase, namely at temperatures between 800 0 C and 1000 0 C.
  • POCl3 As a phosphorus source, for example, POCl3 is used.
  • reaction products of the executed diffusion processes are removed in a conventional manner by etching.
  • the wafer front side is provided with an optically optimized antireflection coating.
  • the back side of the wafer is subject to a passivation coating which is set to a minimum rate of recombination at the surface of the p + emitter.
  • the rear-contact silicon solar cell according to the invention is characterized in that the n + - (BSF) regions separated from the p + emitter have an insular shape deviating from a stripe shape, and further wherein an all-sided distance surface from the p + emitter layer on the Island is present.
  • BSF n + -
  • the insular n.sup. + -BSF regions are arranged in the x and y directions on the wafer in a narrow grid in such a way that, at each point, the charge current carrier generation the path of the minority carrier to the BSF region is smaller than the diffusion length of the generated charge carriers.
  • the grid dimension is preferably uniformly or uniformly distributed on the wafer.
  • the lateral distance of the edge of an n + -BSF region from the inner edge of the recess in the p + emitter layer is produced by masking a dielectric layer which is dense against phosphorus diffusion and is in the range of a minimum of 50 ⁇ m to a maximum of 150 ⁇ m.
  • the emitter-BSF structure according to the invention and the proposed process sequence in the production leads to a number of advantageous effects.
  • the island-shaped, preferably circular shape of the BSF regions allows an approximately 80% emitter coverage even with a BSF diameter of 350 .mu.m. Even smaller diameter and thus higher Emitterüberdeckept are possible according to the invention. As a result, the BSF areas are shrunk to the size of known so-called local contacts.
  • the aluminum diffusion is carried out at the required temperatures of> 1000 ° C prior to the diffusion of phosphorus, since at high temperatures no phosphorus-containing precursor is present on the surface. Only at a lower temperature level, a POCh gas flow is generated in the treatment furnace, so that in this way both diffusion processes can be optimized separately from each other and yet can be performed in a single high-temperature process.
  • FIGS. 1 a and 1 b show the representation of an emitter overlay in known strip-shaped BSF regions, taking into account an exemplary symmetrical cell of dimensions of 1 mm.sup.-1 mm;
  • Fig. 2 to 7 results of or measures in the implementation of
  • Fig. 8 is a schematic illustration of the treatment step of the independent diffusion of the emitter and BSF dopants in a single furnace process
  • FIG. 9 shows a section through a solar cell according to the invention, which is present as a result of an etching step, the emitter areas, the BSF areas and the front-side n + layer (FSF) being exposed;
  • Fig. 10a is an illustration of emitter and BSF according to the invention.
  • Fig. 12 is an illustration of the cell in section with on the
  • the entire back 2b of an untextured n-type silicon wafer 1 is covered with an aluminum or aluminum-containing layer 3, which forms the emitter dopant.
  • the front side of the wafer is identified by the reference numeral 2a and the back by the reference numeral 2b.
  • the aluminum-containing layer 3 is brought into contact with a shadow mask 5a and structured by a dry etching step in a chlorine-containing plasma 7a (FIG. 4).
  • a shadow mask 5a is structured by a dry etching step in a chlorine-containing plasma 7a (FIG. 4).
  • an organic mask layer can be applied, for. B. by so-called ink-jetting, and then the aluminum etched with wet-chemical agents in the remaining areas remained free.
  • the mask 5a has island-shaped openings 6a, so that corresponding island-shaped openings 4 result in the region of the openings 6a of the mask 5a.
  • the shape of the openings 6a and 6b in the masks 5a and 5b is preferably designed in the form of circles, wherein the circular shape with preferably the same distance from each other repeated in the x and y direction on the mask distributed.
  • a dielectric layer 8 preferably with an oxide, z.
  • oxide, z. As SiO 2 , TiO 2 , Al 2 Ü3 and / or a nitride, which is dense as a masking layer against phosphorus diffusion.
  • the deposition of this layer can be achieved by z. B. reactive sputtering, but also by CVD, z. B. PECVD done.
  • the dielectric layer 8 is removed by a local etching step in the region of the openings 6b of the mask 5b (FIG. 6) by etching.
  • This may be a dry etching step in fluorine-containing plasma 7b through a metal foil mask or else a dry etching step in fluorine-containing plasma 7b through an organic masking layer or a wet-chemical etching process by a corresponding organic mask.
  • the inventively preferred circular openings 6b in the mask 5b and the resulting round openings 9 in the dielectric layer 8 according to the invention have a smaller diameter than the likewise round openings 6a in the mask 5a and thus in the aluminum-containing layer 3.
  • a material contact between the emitter and BSF dopants may occur.
  • z As an alkaline etching bath of KOH and isopropyl alcohol (IPA) both the wafer front side 2a and in the exposed round openings 9b of the wafer back (see Fig. 7) is not codiffusion in the next process step, but an independent diffusion of the emitter and BSF dopants realized in a single oven process.
  • IPA isopropyl alcohol
  • the prepared in the previous process steps wafer in a high-temperature furnace, first at about 1000 0 C to 1100 0 C in an inert gas, eg. Nitrogen, annealed for 30 minutes to 60 minutes.
  • an inert gas eg. Nitrogen
  • the BSF diffusion in the exposed and textured areas of the front face 2a and the through holes 9b of the Waferr Wegseite (Fig. 8) is carried out in situ at a holding temperature between 800 0 C and 1000 0 C in a phosphorus-containing gas 13, preferably POCl 3.
  • a thin silicon oxide layer possibly formed during diffusion at> 1000 ° C. may slightly hinder, but not prevent, phosphorus diffusion.
  • the first high-temperature step causes Al diffusion from the aluminum-containing swelling layer or swelling layer sequence 3, from which the p + emitter layer develops with a multi-micron aluminum profile 11.
  • the furnace interior is filled with preferably POCI 3 at a temperature between 800 0 C and 1000 0 C.
  • the phosphorus then diffuses into the silicon surface from the phosphorosilicate glass layer 14a and 14b formed by POCl 3 , so that it forms a flat n + doping (BSF 12 or FSF 14) both on the front side and on the back side in the exposed surface regions.
  • the phosphosilicate glass formed (PSG 14a or 14b), the dielectric masking layer 8 and the Al-containing swelling layer or swelling layer sequence are formed in suitable etching baths 3b, so that the emitter regions 11, the BSF regions 12, and the front n + layer FSF 14 are exposed (see FIG. 9).
  • the Fig. 10a shows, by way of example, an emitter and BSF structure according to the invention of the rear side in a top view.
  • the shape of the BSF region can also be oval or polygonal.
  • n-base areas 10 left free during the diffusion steps of dopants between the p + emitter surface and the island-like n + -BSF region serve as insulation between the p + n junction and the nn + junction.
  • the BSF regions are provided with such a small diameter that the lifetime of the minority charge carriers (here: holes), determined by the quality of the chosen base material and the quality of the surface passivation, is sufficient to reach the nearest emitter region from any location of its generation before recombination takes place, and they are distributed over the wafer surface in such a narrow pitch that the cross conduction losses of the majority carriers (here: electrons) remain low enough from the middle of the emitter regions to the nearest BSF region.
  • This grid can be chosen arbitrarily per se, but is preferably the same and regular in the x and y direction, z. B. executed square (see Fig. 10b).
  • the entire rear side is coated with an optimized passivation layer 15 suitable for the p + emitter surface (FIG. 11).
  • the deposition can be carried out by plasma-assisted CVD, but also, for example, by reactive sputtering or atomic layer deposition (ALD).
  • plasma-assisted CVD but also, for example, by reactive sputtering or atomic layer deposition (ALD).
  • ALD atomic layer deposition
  • an antireflection layer 16 is deposited on the front side (FIG. 12).
  • This antireflective layer is optimized in terms of thickness and refractive index on the capture of sunlight.
  • the passivation may consist of silicon nitride. But there are others too Materials such as Al 2 O 3 , SiC x , SiO x or a-Si: H or combinations thereof may be used, e.g. For example, oxide-nitride-oxide (ONO stacks) or a-Si: H + SiN x .
  • the deposition can be carried out as in the standard process by plasma-assisted CVD, but also by reactive sputtering.
  • the Fig. Figure 12 shows the unfinished state of the backside emitter solar cell, which may then be subjected to contact metallization.
  • first of all local contact openings are produced in a matrix-like arrangement both in the BSF regions and on the emitter surfaces.
  • the methods known in the art of local wet chemistry or the laser ablation with picosecond lasers or the new method of masked plasma etching, preferably with Reactive Ion Etching (RIE) can be applied, which is shown in Fig. 6.
  • RIE Reactive Ion Etching
  • the entire cell backside is covered with a thin-film metallization, preferably with aluminum, which is divided by local etching into the two contact structures for the emitter and the base.
  • solderable metal surfaces are deposited as solder contacts of the emitter and the base metallization, which preferably consist of a silver-containing paste, which must be sintered at temperatures below 600 0 C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung monokristalliner n- Silizium-Rückseitenkontakt-Solarzellen mit spezieller Struktur für einen lichtabgewandten rückseitigen, passivierten p+ -Emitter und räumlich getrennten n+ -(BSF)-Bereichen sowie vorderseitigem n+ -Profil. Erfindungsgemäß wird auf der Rückseite des Siliziumwafers eine Aluminium- oder aluminiumhaltige Dünnschicht aufgebracht und anschließend eine Strukturierung der Dünnschicht zum Erhalt lokaler Ausnehmungen vorgenommen. Weiterhin wird die so erhaltene Struktur mit einem Dielektrikum versehen, welches darauffolgend mittels Maskierung lokal entfernt wird, wobei die Maskierung im Ausnehmungsbereich so erfolgt, dass bei der anschließenden Phosphordotierung ein Kontakt zwischen Emitter- und BSF-Dotanden ausgeschlossen ist.

Description

Verfahren zur Herstellung monokristalliner n-Silizium-Rückseitenkontakt-
Solarzellen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung monokristalliner n-Silizium-Rückseitenkontakt-Solarzellen mit spezieller Struktur für einen lichtabgewandten rückseitigen, passivierten p+-Emitter und räumlich getrennten n + -(BSF)Bereichen sowie vorderseitigem n+"Profil gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine nach einem solchen Verfahren hergestellte Rückseiten kontakt-Si I izium-Solarzel Ie.
Rückseitenkontakt-Solarzellen auf monokristallinen n-Silizium-Wafern werden seit vielen Jahren von verschiedenen Solarzellen-Herstellern entwickelt und sind zum Teil bereits auf dem Markt erhältlich.
Die erforderliche elektrische Trennung von nebeneinander liegenden n-dotierten und p-dotieren Halbleiterbereichen auf derselben Oberfläche ist grundsätzlich auf verschiedene Weise lösbar. So besteht die Möglichkeit, die beiden Bereiche auf eine unterschiedliche Höhe zu legen. Bei der sogenannten RISE-ZeIIe (vgl . dazu P. Engelhardt, N. P. Härder, T. Neubert, H . Plagwitz, R. Meyer und R. Brendel, Proceedings of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2006, Dresden, Germany, p. 773-776) werden (a) mittels Laserablation das auf der Rückseitenoberfläche abgeschiedene Siliziumoxid um die als Basiskontakte vorgesehenen Bereiche herum entfernt und (b) in den freigelegten Bereichen mittels nasschemischer Ätzung mit KOH die durch den Laserprozess hevorgerufene Oberflächenschädigung sowie etwa 20μm des Siliziums abgetragen. Anschließend wird mit dem Standard-POC^-Prozess die Emitterdotierung dieser tiefer liegenden Bereiche mit Phosphor vorgenommen.
Nachdem mit nasschemischer Ätzung die durch den Laserprozess hervorgerufene Oberflächenschädigung sowie etwa 20μm des Siliziums abgetragen worden sind, wird mit einem Standard-POC^-Prozess die Emitterdotierung mit Phosphor gleichzeitig in die tiefer gelegenen Bereiche der Rückseite, in die Vorderseite und die Verbindungslöcher zwischen Frontemitter und Rückseitenemitter vorgenommen. Die Metallisierung beider Bereiche erfolgt dann durch einen einzigen Aluminium-Aufdampfschritt, wobei die Kontaktbereiche durch Abriss der dünnen Metallschicht an der erzeugten fast senkrechten Stufenstruktur in der Halbleiteroberfläche elektrisch voneinander getrennt werden.
Aus der DE 696 31 815 T2 ist es bekannt, als Leiterbasis für die p-Emitter- struktur ein AISi-Eutektikum zu verwenden, das nach der Diffusion von Aluminium durch eine vorher eindiffundierte n + -Schicht der Rückseite hindurch in das Silizium oberflächig entsteht. Die dortige Lösung verwendet weiterhin ein Siebdrucken von Aluminiumpaste durch Oxidfenster hindurch über den n-Basisbereichen. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass die Aluminiumdotierung und die Kontaktierung des Aluminiumemitters in einem Schritt, d . h. großflächig ausgeführt werden muss, so dass die Fläche des Emitters und die Fläche der Metallkontaktierung identisch sind. Damit ist keine Passivierung des Emitters mit lokalen Kontakten möglich. Die Folge hiervon ist eine große Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und damit ein relativ niedriger Wirkungsgrad einer derart hergestellten Zelle.
Betriebsintern wurde bereits das Abscheiden einer Aluminium- oder aluminiumhaltigen Dünnschicht auf der Rückseite eines n-Siliziumwafers sowie die anschließende Strukturierung dieser Dünnschicht mit Erhalt von Öffnungen im Bereich der späteren Basiskontakte vorgeschlagen. Dieser nicht vorveröffentlichte Lösungsansatz umfasst auch das Eindiffundieren des Aluminiums in den n-Siliziumwafer zur Ausbildung einer strukturierten Emitterschicht. Es wird demnach die Aluminium- oder aluminiumhaltige Schicht strukturiert, bevor sie selbst in den Wafer eindiffundiert wird . In einer bevorzugten Ausführungsform des erläuterten Vorschlags erfolgt die Strukturierung der abgeschiedenen Aluminium-Dünnschicht streifenförmig durch selektives Ätzen, wobei Trockenätzverfahren über eine Metallschattenmaske genutzt werden, aber auch der Einsatz einer organischen Maske möglich ist. Die strukturierte Emitterschicht wird in einem weiteren Verfahrensschritt vollflächig mit einer dielektrischen Schutzschicht bedeckt. Weiterhin wir diese Schutzschicht in Bereichen späterer Basisdotierung geöffnet, was wiederum durch Ätzen bzw. mit Hilfe einer Ätzmaske realisiert werden kann. Bei streifenförmigen BSF(Back Surface Field)-Bereichen kann eine hohe Emitterüberdeckung nur mit einer sehr schmalen BSF-Fingerbreite erreicht werden, die schwierig zu realisieren ist, denn es muss ein minimaler lateraler Abstand zum umgebenden Emitterbereich von ca . 75μm auf beiden Seiten jeden Streifens gewährleistet sein, um nicht zusätzliche Isolationsgräben, z. B. durch Laserbeschuss, herstellen zu müssen. Folglich würde bei einem vorgegebenen Pitch (BSF-BSF-Abstand) von beispielsweise lmm, d. h. in einer Symmetriezelle von lmm xl mm und bei 75μm breiten basisdotierten Isolationsstreifen auf den beiden Seiten des BSF-Streifens die Herstellung von 80% Emitterüberdeckung eine BSF-Streifenbreite von 50 μm nach sich ziehen, was herstellungsseitig schwer zu realisieren ist. Diesbezüglich sei auf die prinzipiellen Darstellungen gemäß den Fig. Ia und Ib verwiesen.
Auch die Belegung der BSF-Streifenbereiche mit einem phosphorhaltigen Precursor bedingt beim Hochheizen auf die für Aluminiumdiffusion erforderliche Temperatur von > 1000°C eine simultane und damit nicht unabhängig kontrollierbare Diffusion des Phosphors. Außerdem bedeutet das Aufbringen, Trocknen und die nach der Diffusion erforderliche Entfernung der Pastenreste eine Reihe von zusätzlichen Prozessschritten, die die Komplexität und damit die Kosten des Herstellungsverfahrens erhöhen.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung monokristalliner n-Silizium-Rückseiten- kontakt-Solarzellen mit spezieller Struktur für einen lichtabgewandten rückseitigen, passivierten p+-Emitter und räumlich getrennten n + -(BSF)- Bereichen sowie vorderseitigem n + -Profil anzugeben, welches die Nachteile in der Schilderung des Standes der Technik vermeidet und das eine Struktur für einen Emitter- und die BSF-Bereiche gestattet, welche eine hohe Emitterüberdeckung von >80% leichter ermöglicht. Erfindungsgemäß gilt es darüber hinaus, eine diesbezügliche Rückseitenkontakt-Silizium-Solarzelle hoher Leistungsausbeute, d . h. mit einem großen Wirkungsgrad, zu realisieren.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Verfahren gemäß Definition nach Patentanspruch 1 sowie mit einer Rückseitenkontakt-Silizium- Solarzelle gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 11, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Demnach wird von einem Verfahren zur Herstellung monokristalliner n- Silizium-Rückseitenkontakt-Solarzellen mit spezieller Struktur für einen lichtabgewandten rückseitigen, passivierten p+-Emitter und räumlich getrennten n + -(BSF)-Bereichen sowie vorderseitigem n + -Profil ausgegangen.
Erfindungsgemäß wird auf die Rückseite des Siliziumwafers eine Aluminiumoder aluminiumhaltige Dünnschicht aufgebracht. Als Technologie des Aufbringens dieser Schicht ist z. B. ein Aufdampfen, ein Sputtern oder dergleichen Verfahren denkbar.
Anschließend erfolgt die Strukturierung der Dünnschicht zum Erhalt lokaler Ausnehmungen für die spätere n + -Dotierung. Für diese Strukturierung wird eine entsprechende Maskierung genutzt.
Weiterhin wird die so erhaltene Struktur mit einem Dielektrikum versehen. Das Dielektrikum wird anschließend mittels Maskierung lokal entfernt, wobei die Maskierung im Ausnehmungs- oder Inselbereich derart erfolgt, dass bei der anschließenden Phosphordotierung ein Kontakt zwischen Emitter- und BSF-Dotanden ausgeschlossen ist.
Die Maske zur Ausbildung der Ausnehmungen in der Aluminiumschicht weist Öffnungen auf, welche größer als diejenigen der Maske für die Maskierung der Dielektrikumsschicht sind, wobei die Positionierung der jeweiligen Masken im Prozess so vorgenommen wird, dass die erwähnte Inselstruktur erhalten bleibt.
Die Ausnehmungen oder Inseln können eine kreisrunde, ovale, quadratische, rechteckige oder vieleckige Flächenform aufweisen.
In einem ersten Hochtemperatur-Behandlungsschritt erfolgt eine AI-Diffusion aus der aufgebrachten Aluminium-haltigen Quellschicht oder Quellschichtfolge zur Ausbildung einer p+-Emitterschicht. In einem weiteren Temperatur-Behandlungsschritt, der sich dem ersten Hochtemperatur-Behandlungsschritt anschließt und der vorzugsweise im selben Behandlungsofen ausgeführt wird, wird der Ofen mit einer Phosphorquelle beschickt, um auf der Vorder- und Rückseite des Wafers und dort freiliegenden Bereichen das n + -Dotierungsprofil auszubilden.
Der erste Hochtemperatur-Behandlungsschritt findet bei Temperaturen von > 1000°C statt. Der zweite Temperatur-Behandlungsschritt wird in der Abkühlphase, und zwar bei Temperaturen zwischen 8000C und 10000C ausgeführt.
Als Phosphorquelle wird beispielsweise POCI3 eingesetzt.
Die Reaktionsprodukte der ausgeführten Diffusionsprozesse werden in an sich bekannter Weise durch Ätzen entfernt.
Nach dem Ätzen wird die Wafervorderseite mit einer optisch optimierten Antireflexionsschicht versehen.
Die Rückseite des Wafers unterliegt einer Passivierungsbeschichtung, die auf eine minimale Rekombinationsgeschwindigkeit an der Oberfläche des p+- Emitters eingestellt wird .
Die erfindungsgemäße Rückseitenkontakt-Silizium-Solarzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die vom p+-Emitter getrennten n + -(BSF)-Bereiche eine von einer Streifenform abweichende, inselförmige Gestalt besitzen und wobei weiterhin eine allseitige Abstandsfläche von der p+-Emitterschicht auf der Insel vorliegt. Durch diese Maßnahme ist eine zusätzliche Isolation unnötig, d . h. ein nachträglicher Isolationsprozess, z. B. durch Laserbeschuss, wird überflüssig . Die bei den Diffusionsschritten von Dotanden freigebliebenen n- Basis-Flächen zwischen der p + -Emitterfläche und dem inselartigen n + -BSF- Bereich wirkt nämlich als Isolation zwischen dem p+n-Übergang und dem nn + -Übergang.
Die inselförmigen n + -BSF-Bereiche sind in x- und y-Richtung auf dem Wafer in einem engen Raster derart angeordnet, dass an jeder Stelle der Ladungs- trägergeneration der Weg der Minoritätsladungsträger zum BSF-Bereich kleiner ist als die Diffusionslänge der generierten Ladungsträger.
Das Rastermaß ist bevorzugt gleichmäßig oder gleichverteilt auf dem Wafer ausgebildet. Der laterale Abstand des Randes eines n + -BSF-Bereichs vom inneren Rand der Aussparung in der p+-Emitterschicht wird durch Maskierung einer dielektrischen Schicht, die dicht gegen Phosphordiffusion ist, hergestellt und liegt im Bereich von minimal 50μm bis maximal 150μm.
Die erfindungsgemäße Emitter-BSF-Struktur und die vorgeschlagene Prozessfolge bei der Herstellung führt zu einer Reihe von vorteilhaften Effekten.
Die inselförmige, vorzugsweise kreisförmige Gestalt der BSF-Gebiete ermöglicht eine ca. 80%ige Emitterüberdeckung bereits bei einem BSF- Durchmesser von 350μm. Noch kleinere Durchmesser und damit höhere Emitterüberdeckungen sind erfindungsgemäß möglich. Damit werden die BSF- Gebiete in die Größenordnung bekannter sogenannter lokaler Kontakte geschrumpft.
Die Aluminiumdiffusion wird bei den hierfür erforderlichen Temperaturen von > 1000°C vor der Diffusion des Phosphors ausgeführt, da bei hohen Temperaturen kein phosphorhaltiger Precursor auf der Oberfläche anwesend ist. Erst bei einem tieferen Temperaturniveau wird ein POCh-Gasfluss im Behandlungsofen erzeugt, so dass auf diese Weise beide Diffusionsprozesse getrennt voneinander optimierbar sind und dennoch in einem einzigen Hochtemperaturprozess vollzogen werden können.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen :
Fig . Ia und Ib die Darstellung einer Emitterüberdeckung bei bekannten streifenförmigen BSF-Bereichen unter Beachtung einer beispielhaften Symmetriezelle der Abmessungen von lmm x lmm; Fig. 2 bis 7 Ergebnisse von bzw. Maßnahmen bei der Durchführung von
Prozessschritten mit dem Ziel der Herstellung erfindungsgemäßer Solarzellen;
Fig. 8 eine prinzipielle Darstellung des Behandlungsschritts der unabhängigen Diffusion der Emitter- und BSF-Dotanden in einem einzigen Ofenprozess;
Fig. 9 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Solarzelle, die im Ergebnis eines Ätzschritts vorliegt, wobei die Emitterbereiche, die BSF-Bereiche und die vorderseitige n + -Schicht (FSF) frei liegen;
Fig . 10a eine Darstellung erfindungsgemäßer Emitter- und BSF-
Strukturen der Rückseite des Wafers in Draufsicht;
Fig. 10b eine Detaildarstellung gemäß der Fig . 10a unter Berücksichtigung eines ausgewählten, in x- und y-Richtung gleich verteilten Rastermaßes mit dem Raster = Pitch = lmm;
Fig. 11 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Struktur mit optimierter Passivierungsschicht und
Fig. 12 eine Darstellung der Zelle im Schnitt mit auf der
Vorderseite abgeschiedener Antireflexionsschicht.
Gemäß der Fig . 2 wird die gesamte Rückseite 2b eines untexturierten n- Siliziumwafers 1 mit einer Aluminium- bzw. aluminiumhaltigen Schicht 3 bedeckt, welche den Emitterdotanden bildet. Die Vorderseite des Wafers ist mit dem Bezugszeichen 2a und die Rückseite mit dem Bezugszeichen 2b gekennzeichnet.
In einem weiteren Schritt wird die aluminiumhaltige Schicht 3 in Kontakt zu einer Schattenmaske 5a gebracht und durch einen Trockenätzschritt in einem chlorhaltigen Plasma 7a (Fig . 4) strukturiert. Alternativ kann auch eine organische Maskenschicht aufgebracht werden, z. B. durch sogenanntes Ink-Jetting, und dann das Aluminium mit nasschemischen Mitteln in den frei gebliebenen Bereichen geätzt werden.
Die Maske 5a weist inselförmige Öffnungen 6a auf, so dass sich entsprechende inselförmige Öffnungen 4 im Bereich der Durchbrüche 6a der Maske 5a ergeben. Die Form der Öffnungen 6a bzw. 6b in den Masken 5a und 5b ist bevorzugt in Gestalt von Kreisen ausgeführt, wobei die Kreisform mit vorzugsweise gleichem Abstand zueinander sowohl in x- als auch y-Richtung auf der Maske sich verteilt wiederholt.
Im Prozessschritt gemäß Fig. 5 erfolgt eine Beschichtung der inselförmig durchlöcherten aluminiumhaltigen Schicht 3 mit einer Dielektrikumsschicht 8, vorzugsweise mit einem Oxid, z. B. SiO2, TiO2, AI2Ü3 und/oder einem Nitrid, die als Maskierungsschicht gegen Phosphordiffusion dicht ist. Die Abscheidung dieser Schicht kann durch z. B. reaktives Sputtern, aber auch durch CVD, z. B. PECVD, erfolgen.
Im nächstfolgenden Prozessschritt wird die Dielektrikumsschicht 8 durch einen lokalen Ätzschritt im Bereich der Durchbrüche 6b der Maske 5b (Fig. 6) durch Ätzen entfernt. Dabei kann es sich um einen Trockenätzschritt in fluorgashaltigem Plasma 7b durch eine Metallfolienmaske hindurch oder aber auch um einen Trockenätzschritt in fluorgashaltigem Plasma 7b durch eine organische Maskierungsschicht hindurch oder um einen nasschemischen Ätzprozess durch eine entsprechend organische Maske handeln.
Die erfindungsgemäß bevorzugt kreisförmigen Durchbrüche 6b in der Maske 5b und die damit entstandenen runden Durchbrüche 9 in der Dielektrikumsschicht 8 besitzen erfindungsgemäß einen kleineren Durchmesser als die ebenfalls runden Durchbrüche 6a in der Maske 5a und damit in der aluminiumhaltigen Schicht 3. So wird verhindert, dass bei der Phosphordotierung im nächsten Prozessschritt ein Materialkontakt zwischen den Emitter- und BSF-Dotanden auftreten kann. Nach der folgenden standardgemäßen Texturierug in einem Tauchbad, z. B. einem alkalischen Ätzbad aus KOH und Isopropylalkohol (IPA) sowohl der Wafervorderseite 2a als auch in den freigelegten runden Durchbrüchen 9b der Waferrückseite (siehe Fig. 7) wird im nächsten Prozessschritt keine Kodiffusion, sondern eine unabhängige Diffusion der Emitter- und BSF- Dotanden in einem einzigen Ofenprozess realisiert.
Hierfür werden die in den vorangegangenen Prozessschritten vorbereiteten Wafer in einem Hochtemperaturofen zunächst bei ca. 10000C bis 11000C in einem Inertgas, z. B. Stickstoff, 30min bis 60min lang getempert.
Beim Abkühlen erfolgt in situ bei einer Haltetemperatur zwischen 8000C und 10000C in einem phosphorhaltigen Gas 13, vorzugsweise POCI3, die BSF- Diffusion in den freiliegenden und texturierten Bereichen der Vorderseite 2a und den Durchbrüchen 9b der Waferrrückseite (Fig . 8). Dabei kann eine möglicherweise bei der Diffusion bei > 1000°C entstandene dünne Siliziumoxidschicht die Phosphor-Diffusion zwar leicht behindern, jedoch nicht verhindern.
Der erste Hochtemperaturschritt bewirkt eine AI-Diffusion aus der Aluminium- haltigen Quellschicht oder Quellschichtfolge 3, aus der sich die p + -Emitter- schicht mit einem mehrere μm tiefen Aluminiumprofil 11 entwickelt.
Im zweiten Temperatur-Behandlungsschritt, der in der Abkühlphase ausgehend vom ersten Hochtemperaturschritt liegt, wird bei einer Temperatur zwischen 8000C und 10000C der Ofeninnenraum mit bevorzugt POCI3 gefüllt. Aus der durch POCI3 entstehenden Phosphorsilikatglasschicht 14a und 14b diffundiert dann der Phosphor in die Siliziumoberfläche, so dass diese sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite in den freiliegenden Oberflächenbereichen eine flache n + -Dotierung (BSF 12 bzw. FSF 14) ausbildet.
Im folgenden Verfahrensschritt werden in geeigneten Ätzbädern das gebildete Phosphorsilikatglas (PSG 14a bzw. 14b), die dielektrische Maskierungsschicht 8 und die Al-haltige Quellschicht oder Quellschichtfolge 3b abgeätzt, so dass die Emitterbereiche 11, die BSF-Bereiche 12 und die vorderseitige n + -Schicht FSF 14 freiliegen (siehe Fig . 9).
Die Fig . 10a zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Emitter- und BSF- Struktur der Rückseite in Aufsicht. Die Form des BSF-Bereichs kann aber auch oval oder vieleckig sein.
Die bei den Diffusionsschritten von Dotanden frei gebliebenen n-Basis- Flächen 10 zwischen der p + -Emitterfläche und dem inselartigen n + -BSF- Bereich dienen als Isolation zwischen dem p+n-Übergang und dem nn + - Übergang . Hierdurch wird ein nachträglicher Isolationsprozess, z. B. durch Laserbeschuss, überflüssig .
Die BSF-Bereiche sind erfindungsgemäß mit so kleinem Durchmesser versehen, dass die durch die Qualität des gewählten Basismaterials und die Qualität der Oberflächenpassisivierung bestimmte Lebensdauer der Minoritätsladungsträger (hier: Löcher) ausreicht, um von jedem beliebigen Ort ihrer Generation zum nächstgelegenen Emitter-Bereich zu gelangen, bevor eine Rekombination stattfindet, und sie werden in einem so engen Raster über die Waferoberfläche verteilt, dass die Querleitverluste der Majoritätsträger (hier: Elektronen) von mitten über den Emittergebieten bis zum nächstgelegenen BSF-Bereich gering genug bleiben. Dieses Raster kann an sich beliebig gewählt werden, ist aber vorzugsweise in x- und y-Richtung gleich und regelmäßig, z. B. quadratisch ausgeführt (siehe Fig. 10b).
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die gesamte Rückseite mit einer für die p + -Emitteroberfläche geeignete optimierte Passivierungsschicht 15 beschichtet (Fig . 11).
Die Abscheidung kann durch plasmagestütztes CVD, aber beispielsweise auch durch reaktives Sputtern oder Atomic Layer Deposition (ALD) erfolgen.
Im nächsten Verfahrensschritt wird eine Antireflexschicht 16 auf der Vorderseite abgeschieden (Fig. 12). Diese Antireflexschicht ist hinsichtlich Dicke und Brechnungsindex auf den Einfang des Sonnenlichts optimiert. Da die Oberfläche der Vorderseite mit Phosphor dotiert ist, kann die Passivierung aus Siliziumnitrid bestehen. Es können aber auch andere Materialien wie AI2O3, SiCx, SiOx oder a-Si : H oder Kombinationen aus diesen verwendet werden, z. B. Oxid-Nitrid-Oxid (ONO-Stacks) oder a-Si : H +SiNx. Die Abscheidung kann wie im Standardprozess durch Plasma-gestütztes CVD, aber auch durch reaktives Sputtern vorgenommen werden.
Die Fig . 12 zeigt den unfertigen Zustand der Rückseitenemitter-Solarzelle, die dann einer Kontakt-Metallisierung unterzogen werden kann.
Dazu werden zunächst lokale Kontaktöffnungen in einer matrixartigen Anordnung sowohl in den BSF-Bereichen als auch auf den Emitteroberflächen erzeugt. Hierfür können die im Stand der Technik bekannten Methoden der lokalen Nasschemie oder die Laserablation mit Picosekundenlasern oder die neue Methode der maskierten Plasmaätzung, vorzugsweise mit Reactive Ion Etching (RIE) angewandt werden, die in Fig. 6 dargestellt ist. Anschließend wird die gesamte Zellrückseite mit einer Dünnschichtmetallisierung, vorzugsweise mit Aluminium, bedeckt, die durch lokale Ätzung in die beiden Kontaktstrukturen für den Emitter und die Basis aufgeteilt wird .
Abschließend werden noch lötfähige Metallflächen als Lötkontakte der Emitter- und zur Basismetallisierung abgeschieden, die vorzugsweise aus einer Silber-haltigen Paste bestehen, die bei Temperaturen unterhalb von 6000C gesintert werden muss.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung monokristalliner n-Silizium-Rückseitenkontakt- Solarzellen mit spezieller Struktur für einen lichtabgewandten rückseitigen, passivierten p+-Emitter und räumlich getrennten n + -(BSF)-Bereichen sowie vorderseitigem n + -Profil, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite des Siliziumwafers eine Aluminium-haltige Quellschicht oder Quellschichtfolge mit Dünnschichtabscheidungsmethoden aufgebracht wird und anschließend eine Strukturierung der Dünnschicht zum Erhalt von lokalen Ausnehmungen erfolgt, weiterhin die so erhaltene Struktur mit einem Dielektrikum versehen wird, welches darauffolgend mittels Maskierung und Ätzung lokal entfernt wird, wobei die Maskierung im Bereich der Ausnehmungen so erfolgt, dass bei der anschließenden Phosphordotierung ein Kontakt zwischen Emitter- und BSF-Dotanden ausgeschlossen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske zur Ausbildung der lokalen Ausnehmungem in der Aluminiumschicht Öffnungen aufweist, welche größer als diejenigen der Maske für die Maskierung der Dielektrikumsschicht sind, wobei die Positionierung der jeweiligen Masken im Prozess so vorgenommen wird, dass die Inselstruktur erhalten bleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Ausnehmungen eine kreisrunde, ovale, quadratische, rechteckige oder vieleckige Flächenform aufweisen.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Hochtemperatur-Behandlungsschritt eine AI-Diffusion aus der aufgebrachten Aluminium-haltigen Quellschicht oder Quellschichtfolge zur Ausbildung einer p+-Emitterschicht entsteht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Temperatur-Behandlungsschritt, der vorzugsweise im selben Behandlungsofen durchgeführt weden kann, dieser mit einer Phosphorquelle beschickt wird, um auf der Vorder- und Rückseite des Wafers und dort freiliegenden Bereichen das n + -Dotierungsprofil auszubilden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hochtemperatur-Behandlungsschritt bei einer Temperatur von > 1000°C abläuft und der zweite Temperatur-Behandlungsschritt in der Abkühlphase bei 10000C bis 8000C ausgeführt wird .
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Phosphorquelle POCI3 eingesetzt wird .
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsprodukte ausgeführter Diffusionsprozesse durch Ätzen entfernt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ätzen die Wafervorderseite mit einer optisch optimierten Antireflexionsschicht versehen wird .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite des Wafers mit einer auf die minimale Rekombinationsgeschwindigkeit an der Oberfläche des p+-Emitters optimierte isolierende Passivierungsschicht versehen wird, die lokal auf den n + - und p+-Gebieten geöffnet wird, so dass eine später aufgebrachte und strukturierte Metallschicht die lokalen Kontakte gleicher Polarität jeweils miteinander verbinden kann.
11. Rückseitenkontakt-Silizium-Solarzelle, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vom p+-Emitter getrennten n + -(BSF)-Bereiche eine von einer Streifenform abweichende Gestalt aufweisen und einen allseitigen Abstand zum inneren Rand der Aussparung in der p + -Emitterschicht besitzen, wodurch eine zusätzliche Isolation vermeidbar ist.
12. Zelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vom p+-Emitter getrennten n + -BSF-Bereiche in einem Raster in x- und y- Richtung so nahe zueinander benachbart angeordnet sind, dass die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger ausreicht, um von jedem beliebigen Ort ihrer Generation zum nächstgelegenen Emitter-Bereich zu gelangen, bevor eine Rekombination stattfindet, und dabei die Querleitverluste der Majoritätsladungsträger vom Ort ihrer Generation über dem Emittergebiet bis zum nächstgelegenen BSF-Gebiet hinreichend klein bleiben.
13. Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Raster gleichmäßig oder gleich verteilt auf dem Wafer ausgebildet ist.
14. Zelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der laterale Abstand des Randes eines n + -BSF-Bereichs vom inneren Rand der Aussparung in der p+-Emitterschicht minimal 50μm und maximal 150μm beträgt.
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