WO2011124409A2 - Verfahren zur herstellung einer solarzelle - Google Patents

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WO2011124409A2
WO2011124409A2 PCT/EP2011/052257 EP2011052257W WO2011124409A2 WO 2011124409 A2 WO2011124409 A2 WO 2011124409A2 EP 2011052257 W EP2011052257 W EP 2011052257W WO 2011124409 A2 WO2011124409 A2 WO 2011124409A2
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a solar cell from a silicon substrate according to claim 1.
  • Solar cells usually consist of a silicon substrate.
  • solar cells are provided with a passivation layer.
  • passivation layer To passivate silicon surfaces of solar cells, dielectric thin films have hitherto been used.
  • silicon nitride films deposited primarily with a plasma process have become established.
  • thermally grown silicon oxide layers offer significantly better passivation properties.
  • the process requires a high thermal budget, which can adversely affect the diffusion profiles.
  • Another disadvantage is that the process is inherently two-sided. However, since the passivation layer is typically required only on one side of the solar cell, the other side of the solar cell must be masked.
  • the one-sidedness of the oxidation is achieved by front side masking with deposited SiN.
  • a thin layer ( ⁇ 20 nm) of oxide is grown and then thickened by deposited oxide or nitride. Since the boundary layer between Si0 2 and Si is primarily relevant for the passivation, a passivation quality comparable to the purely thermal oxide is achieved by the layer stack.
  • the disadvantage of this, however, is that the method is technically complex and expensive.
  • the present invention relates to a method for producing a solar cell from a silicon substrate, which has a first main surface serving as a light incident side in use and a second main surface serving as a back side, with a passivation layer on the second main surface, comprising the following steps: Applying an oxide-containing layer to the second main surface of the silicon substrate; and heating the silicon substrate to a temperature of at least 800 ° C to densify the oxide-containing layer and to oxidize the interface between the oxide-containing layer and the second major surface of the substrate
  • Silicon substrate for the formation of thermal oxide wherein an oxygen source releases oxygen for the oxidation.
  • a process atmosphere of the silicon substrate in particular 0 2 and / or H 2 0 comprising, can act as an oxygen source.
  • the oxide-containing layer can be applied such that it, in particular Si0 2 , Zr0 2 , SiO a N b and / or SiO a C b , wherein each b ⁇ a, comprising, is oxygen-permeable.
  • the oxide-containing layer in particular comprising SiO 2
  • SiH 4 can be applied to the second main surface of the silicon substrate by a CVD or a PECVD method, in particular using SiH 4 . This further reduces the cost of the process since the CVD and PECVD processes are very cost effective.
  • the oxide-containing layer is applied uniformly to the second main surface.
  • the oxide-containing layer may be a superstoichiometric oxide, in particular SiO 2 + x : H and / or a low-density oxide and / or a hygroscopic oxide Oxide, preferably BSG, PSG and / or TEOS oxide, and the oxide-containing layer may function as the oxygen source.
  • a silicon oxide layer formed during heating of the silicon substrate therefrom may be etched away from the first main surface and a portion of the oxide-containing layer may be etched away from the second main surface.
  • a dopant in particular boron, preferably by means of boron tribromide, and / or phosphorus, preferably by means of phosphorus oxychloride, can be further diffused into the two main surfaces after the application of the oxide-containing layer, wherein the dopant is diffused during the step of heating the silicon substrate the first major surface diffuses, and wherein the oxide-containing layer acts as a masking layer of the second major surface during heating.
  • a doped layer can easily be formed on the first main surface of the silicon substrate, which can function as an emitter, while the dopant does not diffuse into the second main surface of the silicon substrate.
  • Dopant-silicon compound layers formed during heating of the silicon substrate may be etched away from the first main surface and / or the second main surface.
  • An advantage of this is that the silicon of the silicon substrate is exposed on the first major surface and the oxide-containing layer is exposed on the second major surface.
  • a surface structure may be applied to the first main surface and / or the second main surface before the application of the oxide-containing layer.
  • the second main surface can be planarized before the application of the oxide-containing layer.
  • the application of the oxide-containing layer on the second main surface is significantly improved.
  • the first main surface and / or the second main surface can be cleaned before the application of the oxide-containing layer, in particular with HNO 3 .
  • An advantage of this is that the application of the oxide-containing layer is further improved.
  • boron or phosphorus may also be diffused into the second major surface or implanted by ion implantation, which is activated upon heating of the silicon substrate, to create a back surface field (BSF) layer.
  • BSF back surface field
  • the back-surface field improves the efficiency of the solar cell because the back-surface field is a barrier to the electrons, which therefore does not gain access to the surface of the silicon substrate.
  • a SiN anti-reflection layer may further be applied to the first main surface and / or the oxide-containing layer of the second main surface.
  • the anti-reflection layer reflects less light from the silicon substrate, thereby providing more light into the substrate
  • Silicon substrate penetrates. This increases the efficiency of the solar cell.
  • one or more holes can be produced by means of a laser through the silicon substrate for connecting the first main surface to the second main surface, in particular by means of a laser, before the application of the oxide-containing layer.
  • the advantage of this is that an electrical connection is formed from the first main surface to the second main surface or vice versa through the holes in a simple manner.
  • a dopant in particular boron, preferably by means of boron tribromide, and / or phosphorus, preferably by means of phosphorus oxychloride, is diffused into both main surfaces; the dopant is diffused by heating the silicon substrate into the silicon substrate to form an emitter layer on the first major surface and an emitter layer on the second major surface; dopant-silicon compound layers formed by heating the silicon substrate are etched away from the first main surface and / or the second main surface; a masking layer, preferably SiN, is applied to the first major surface; and the emitter layer of the second main surface is removed, in particular by etching, wherein the SiN layer functions as a masking layer of the first main surface during the removal.
  • a dopant in particular boron, preferably by means of boron tribromide, and / or phosphorus, preferably by means of phosphorus oxychloride, is diffused into both main surfaces; the dopant is diffused by heating the silicon substrate into
  • Solar cell made of a silicon substrate with a passivation layer
  • FIGS. 1 a to 1 d show a silicon substrate 1 in each case after steps of a method according to the invention for producing a solar cell from a silicon substrate with a passivation layer on the rear side of the silicon substrate
  • FIG. La a silicon wafer or silicon substrate 1 is shown.
  • the silicon substrate 1 is made of crystalline silicon 2 and has a first main surface 3, also called the front side, and a second main surface 4, also referred to as a back side, which is opposite the first main surface 3.
  • FIG. 1b shows the silicon substrate 1 after the first method step.
  • silicon dioxide is applied to the second main surface 4 of the silicon substrate 1 by a PECVD method.
  • PECVD method instead of silicon dioxide, other oxide-containing layers are conceivable. Other methods for applying the layer are conceivable.
  • the silicon substrate 1 is in a second process step to a
  • the source of oxygen can be the
  • the deposited oxide-containing layer 5 is permeable to oxygen, which is the case, for example, for SiO 2 and SiO a N b or SiO a C b , when b is much smaller than a.
  • an oxide-containing layer are other oxygen-conducting metal oxides, such as. B. Zr0 2 .
  • the oxygen source may also be the oxide-containing layer 5 itself.
  • a superstoichiometric oxide is applied as the oxide-containing layer to the second main surface 4 of the silicon substrate 1.
  • the superstoichiometric oxide releases water and / or oxygen during heating of the silicon substrate.
  • the superstoichiometric oxide may be, for example
  • Si0 2 + x H or a hygroscopic oxide such as BSG, PSG, or TEOS oxide.
  • a low density oxide is useful to facilitate oxygen diffusion. This is typically the case in SiH 4 processes at low temperatures.
  • An amorphous Si0 2 layer on the silicon substrate is produced by means of Si H 4 and an oxygen source by a PECVD method.
  • an oxygen source for example, nitrous oxide or pure oxygen can act as an oxygen source for this purpose.
  • the SiH 4 processes take place at temperatures between room temperature and about 500 ° C, preferably at a temperature around 200 ° C.
  • Fig. Lc shows the silicon substrate 1 after heating.
  • a silicon dioxide layer 6 has formed on the first main surface 3.
  • a thermal oxide 6 has formed at the interface between the silicon 2 and the oxide-containing layer 5.
  • a one-sided oxide, ie a solar cell with a passivation layer on only one side of the silicon 2 is now formed by etching the two main surfaces 3, 4. The etching removes the silicon dioxide layer on the first main surface 3 of the silicon substrate 1.
  • On the second main surface 4 only part of the oxide-containing layer 5 is removed by the etching.
  • FIGS. 2 a to 2 d show a silicon substrate 1 after successive steps of a further method according to the invention for producing a solar cell with a passivation layer on the rear side.
  • a silicon-containing substrate 1 which comprises a wafer made of silicon 2
  • phosphorus is diffused. This forms PSG 7,
  • Phosphorus silicate glass on the first main surface 3 of the silicon substrate 1 and on the silicon dioxide 5 on the second main surface 4.
  • the diffused phosphorus is driven by heating the silicon substrate 1 in the silicon 2 of the silicon substrate 1, to form an emitter. 8 on the first main surface 3 of the silicon substrate 1.
  • a thermal oxide layer 6 is formed at the interface between the silicon 2 and the silicon dioxide 5 deposited on the second main surface 4 of the silicon substrate 1. The state of the layer sequence after this process step is shown in Fig. 2b.
  • the PSG 7 is removed from the two main surfaces 3, 4.
  • Fig. 2c the result after the etching of the two main surfaces 3, 4 is shown.
  • the silicon 2 is now exposed, which comprises a thin layer 8 doped with phosphorus.
  • Fig. 2c the state of the silicon substrate 1 is shown after this process step.
  • a SiN antireflection layer 9 is then applied to the first main surface 3 of the silicon substrate 1.
  • Fig. 2d the silicon substrate 1 is shown after completion of the process.
  • the silicon substrate 1 has only on the back of a passivation layer comprising a thermal oxide 6.
  • FIGS. 3 a to 3d show a silicon substrate 1 after successive steps of a further method according to the invention for producing a solar cell with a passivation layer on one side of the silicon substrate 1.
  • a boron layer 10 is introduced as a back-surface field into the second main surface 4 of the silicon substrate 1, for example by diffusion.
  • the silicon substrate 1 after this first step is shown in FIG. 3a.
  • a silicon dioxide layer 5 is applied to the second main surface 4 of the silicon substrate 1.
  • the sequence of layers after this step is shown in FIG. 3b.
  • phosphorus is diffused to form an emitter 8.
  • PSG 7 is formed on the first main surface 3 and on the silicon dioxide 5 on the second main surface 4.
  • a thermal heat is generated at the interface between the silicon 2 and the silicon dioxide 5 deposited on the second main surface 4 Oxide layer 6.
  • the thermal step of heating the silicon substrate 1 also activates the boron of the boron layer 10, and damages from the implantation steps are healed.
  • the silicon substrate 1 after this process step is shown in FIG. 3c.
  • a SiN antireflection layer 9 is then applied to the first main surface 3 of the silicon substrate 1.
  • Step 7) of the previously known Sinto process i. Standard Cleaning 1 / Standard Cleaning 2-step, which is expensive and time-consuming to remove metal contamination, is omitted or can be omitted.
  • the PERC cell produced by this process can be expanded to a PERT cell using a boron implant.
  • the POCI 3 / BBr 3 diffusion additionally fulfills the function of activation of the implanted dose, so that a total of two high-temperature steps can be saved.
  • New PERC process according to the present invention: 1) texture (+ backside planarization)
  • this process can be combined with a MWT (metal wrap through) process flow.
  • the proposed process flows are also applicable without restriction to a cell process flow with selective front diffusion.
  • the quality of the backside passivation can be further improved by a long drive-in step of the front diffusion.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle aus einem Silizium-Substrat, das eine im Gebrauchszustand als Lichteinfallsseite dienende erste Hauptoberfläche und eine als Rückseite dienende zweite Hauptoberfläche aufweist, mit einer Passivierungsschicht auf der zweiten Hauptoberfläche, umfassend die Schritte : Aufbringen einer oxidhaltigen Schicht auf die zweite Hauptoberfläche des Silizium-Substrats; und Erhitzen des Silizium-Substrats auf eine Temperatur von mindestens 800 °C zum Verdichten der oxidhaltigen Schicht und zur Oxidation der Grenzfläche zwischen der oxidhaltigen Schicht und der zweiten Hauptoberfläche des Silizium-Substrats zur Bildung von thermischem Oxid, wobei eine Sauerstoffquelle Sauerstoff für die Oxidation abgibt.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle aus einem Silizium-Substrat gemäß Patentanspruch 1.
Stand der Technik Solarzellen bestehen meist aus einem Siliziumsubstrat. Um die Langzeitstabilität von Solarzellen sicherzustellen und ein Eindringen von Fremdatomen in das Substrat zu verhindern, werden Solarzellen mit einer Passivierungsschicht versehen. Zur Passivierung von Siliziumoberflächen von Solarzellen werden bisher dielektrische Dünnfilme eingesetzt. In der industriellen Praxis haben sich vor allem mit einem Plasmaverfahren abgeschiedene Siliziumnitridfilme durchgesetzt. Es ist jedoch bekannt, dass thermisch aufgewachsene Siliziumoxidschichten deutlich bessere Passivierungseigenschaften bieten. Dieses ist vor allem bei der Passivierung von p-dotierten Oberflächen der Fall, da hier hohe positive Ladungen in Siliziumnitrid leistungsmindernden Einfluss haben (Erzeugung einer Inversionsschicht und„parasitäres Shunting"). Insbesondere für die Passivierung von Rückseiten von PERC (passivated emitter and rear cell)-/ PERT (passivated emitter, rear totally-diffused)-/ PERL (passivated emitter, rear locally-diffused)-Zellen ist daher der Einsatz von thermischem Oxid wünschenswert. Bei den bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von thermischen Oxiden in der Solarzellenfertigung gibt es viele Nachteile: Der Prozess dauert sehr lange, da die Prozesszeit mit der Schichtdicke quadratisch zunimmt, was zu hohen Prozesskosten führt. Zudem erfordert der Prozess ein hohes thermisches Budget, welches die Diffusionsprofile nachteilig verändern kann. Nachteilig ist außerdem, dass der Prozess inhärent zweiseitig ist. Da die Passivierungs- schicht typischerweise jedoch nur auf einer Seite der Solarzelle benötigt wird, muss die andere Seite der Solarzelle maskiert werden.
Für PERC-Zellen ist z.B. ein Prozess bekannt („All-Screen-Printed 120-pm-Thin Large-Area Silicon Solar Cells Applying Dielectric Rear Passivation and Laser-Fired Contacts Reaching 18% Efficiency", L. Gautero et al., 24th EU-PVSEC 2009, Hamburg, Session 2D0.2.5), der -knapp zusammengefasst- folgende Schritte umfasst:
1) Textur
2) Reinigung (HN03)
3) Diffusion von POCI3 mit Eintreibschritt
4) Wegätzung von PSG (Phosphorsilikatglas)
5) SiN Abscheidung Vorderseite
6) Emitterentfernung Rückseite
7) Reinigung Standard Cleaning 1/Standard Cleaning 2
8) Oxidation
9) Si02 Abscheidung Rückseite
10) SiN Abscheidung Rückseite
Hierbei wird die Einseitigkeit der Oxidation durch eine Vorderseitenmaskierung mit abgeschiedenem SiN erreicht. Um die Prozesszeit zu reduzieren, wird nur eine dünne Schicht (~20 nm) Oxid aufgewachsen und dieses anschließend durch abgeschiedenes Oxid oder Nitrid aufgedickt. Da für die Passivierung vorrangig die Grenzschicht zwischen Si02 und Si relevant ist, wird durch den Schichtstapel eine dem rein thermischen Oxid vergleichbare Passivierqualität erreicht. Nachteilig hieran ist jedoch, dass das Verfahren technisch aufwändig und teuer ist. Offenbarung der Erfindung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle aus einem Silizium-Substrat, das eine im Gebrauchszustand als Lichteinfallsseite dienende erste Hauptoberfläche und eine als Rückseite dienende zweite Hauptoberfläche aufweist, mit einer Passivierungsschicht auf der zweiten Hauptoberfläche, umfassend folgende Schritte: Aufbringen einer oxidhaltigen Schicht auf die zweite Hauptoberfläche des Silizium-Substrats; und Erhitzen des Silizium-Substrats auf eine Temperatur von mindestens 800 °C zum Verdichten der oxidhaltigen Schicht und zur Oxidation der Grenzfläche zwischen der oxidhaltigen Schicht und der zweiten Hauptoberfläche des
Silizium-Substrats zur Bildung von thermischem Oxid, wobei eine Sauerstoff- quelle Sauerstoff für die Oxidation abgibt. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass es technisch einfach und kostengünstig ist.
Eine Prozessatmosphäre des Silizium-Substrats, insbesondere 02 und/oder H20 umfassend, kann als Sauerstoffquelle fungieren. Die oxidhaltige Schicht kann derart aufgebracht werden, dass sie, insbesondere Si02, Zr02, SiOaNb und/oder SiOaCb, wobei jeweils b<<a ist, umfassend, sauerstoffdurchlässig ist.
Vorteilhaft hieran ist, dass das Verfahren technisch weiter vereinfacht wird und kostengünstiger wird. Die oxidhaltige Schicht, insbesondere Si02 umfassend, kann durch ein CVD- oder ein PECVD-Verfahren, insbesondere unter Verwendung von SiH4, auf die zweite Hauptoberfläche des Silizium-Substrats aufgebracht werden. Hierdurch werden die Kosten des Verfahrens weiter erniedrigt, da das CVD- sowie das PECVD-Verfahren sehr kostengünstige Verfahren sind. Zudem wird die oxidhal- tige Schicht gleichmäßig auf die zweite Hauptoberfläche aufgebracht.
Die oxidhaltige Schicht kann ein überstöchiometrisches Oxid, insbesondere Si02+x:H und/oder ein Oxid mit geringer Dichte und/oder ein hygroskopisches Oxid, vorzugsweise BSG, PSG und/oder TEOS-Oxid, umfassen und die oxidhal- tige Schicht kann als die Sauerstoffquelle fungieren. Hierdurch wird das Verfahren technisch weiter vereinfacht, da keine zusätzliche Sauerstoffquelle benötigt wird. Bei dem Verfahren kann ferner eine während des Erhitzens des Silizium- Substrats dort entstandene Siliziumoxid-Schicht von der ersten Hauptoberfläche und ein Teil der oxidhaltigen Schicht von der zweiten Hauptoberfläche weggeätzt werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass auf einfache Art und Weise das Siliziumsubstrat auf der ersten Hauptoberfläche freigelegt wird, während die Passivierungsschicht auf der zweiten Hauptoberfläche nur teilweise entfernt wird.
Bei dem Verfahren kann ferner in die beiden Hauptoberflächen nach dem Aufbringen der oxidhaltigen Schicht ein Dotierstoff, insbesondere Bor, vorzugsweise mittels Bortribromid, und/oder Phosphor, vorzugsweise mittels Phosphoroxychlorid, eindiffundiert werden, wobei der Dotierstoff während des Schritts des Erhitzens des Silizium-Substrats in die erste Hauptoberfläche diffundiert, und wobei die oxidhaltige Schicht während des Erhitzens als Maskierungsschicht der zweiten Hauptoberfläche fungiert. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise eine dotierte Schicht auf der ersten Hauptoberfläche des Silizium-Substrats gebildet werden, die als Emitter fungieren kann, während der Dotierstoff nicht in die zweite Hauptoberfläche des Silizium- Substrats diffundiert. Während des Erhitzens des Silizium-Substrats entstandene Dotierstoff-Silizium- Verbindungsschichten können von der ersten Hauptoberfläche und/oder der zweiten Hauptoberfläche weggeätzt werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Silizium des Silizium-Substrats auf der ersten Hauptoberfläche freigelegt wird und die oxidhaltige Schicht auf der zweiten Hauptoberfläche freigelegt wird.
Bei dem Verfahren kann ferner vor dem Aufbringen der oxidhaltigen Schicht eine Oberflächenstruktur auf die erste Hauptoberfläche und/oder die zweite Hauptoberfläche aufgebracht werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass gezielt auf Teile der ersten und/oder zweiten Hauptoberfläche keine oxidhaltige Schicht aufgebracht werden kann.
Bei dem Verfahren kann ferner vor dem Aufbringen der oxidhaltigen Schicht die zweite Hauptoberfläche planarisiert werden. Hierdurch wird das Aufbringen der oxidhaltigen Schicht auf der zweiten Hauptoberfläche deutlich verbessert. Ferner kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren die erste Hauptoberfläche und/oder die zweite Hauptoberfläche vor dem Aufbringen der oxidhaltigen Schicht, insbesondere mit HN03, gereinigt werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Aufbringen der oxidhaltigen Schicht weiter verbessert wird.
Bei dem Verfahren kann ferner Bor oder Phosphor zur Erzeugung einer Back- Surface-Field (BSF)-Schicht in die zweite Hauptoberfläche diffundiert oder durch Ionenimplantation implantiert werden, das beim Erhitzen des Silizium- Substrats aktiviert wird. Durch das Back-Surface-Field wird der Wirkungsgrad der Solarzelle verbessert, da das Back-Surface-Field eine Barriere für die Elektronen darstellt, die daher keinen Zugang zur Oberfläche des Silizium- Substrats erhalten.
Bei dem Verfahren kann ferner eine SiN-Anti-Reflektionsschicht auf die erste Hauptoberfläche und/oder auf die oxidhaltige Schicht der zweiten Hauptoberfläche aufgebracht werden. Durch die Anti-Reflektionsschicht wird weniger Licht von dem Silizium-Substrat reflektiert, wodurch mehr Licht in das
Silizium-Substrat eindringt. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht.
Ferner können vor dem Aufbringen der oxidhaltigen Schicht ein oder mehrere Löcher mittels eines Lasers durch das Silizium-Substrat zum Verbinden der ersten Hauptoberfläche mit der zweiten Hauptoberfläche, insbesondere mittels eines Lasers, hergestellt werden. Vorteilhaft hieran ist, dass durch die Löcher auf einfach Art und Weise eine elektrische Verbindung von der ersten Hauptoberfläche zur zweiten Hauptoberfläche bzw. umgekehrt gebildet wird. Bei dem Verfahren können vor dem Aufbringen der oxidhaltigen Schicht folgende Verfahrenschritte ausgeführt werden: ein Dotierstoff, insbesondere Bor, vorzugsweise mittels Bortribromid, und/oder Phosphor, vorzugsweise mittels Phosphoroxychlorid, wird in beide Hauptoberflächen eindiffundiert; der Dotierstoff wird durch Erhitzen des Silizium-Substrats in das Silizium-Substrat diffundiert zur Bildung einer Emitterschicht auf der ersten Hauptoberfläche und einer Emitterschicht auf der zweiten Hauptoberfläche; durch das Erhitzen des Silizium-Substrats entstandene Dotierstoff-Silizium-Verbindungsschichten werden von der ersten Hauptoberfläche und/oder der zweiten Hauptoberfläche weggeätzt; eine Maskierungsschicht, vorzugsweise SiN, wird auf die erste Hauptoberfläche aufgebracht; und die Emitterschicht der zweiten Hauptoberfläche wird, insbesondere durch Ätzen, entfernt, wobei die SiN-Schicht als Maskierungsschicht der ersten Hauptoberfläche während des Entfernens fungiert. Vorteilhaft hieran ist, dass gegenüber dem Stand der Technik der Schritt der Reinigung des Silizium-Substrats, d.h. Standard Cleaning
1/Standard Cleaning 2, weggelassen wird bzw. werden kann. Hierdurch werden Zeit und Kosten eingespart sowie der Prozess technisch vereinfacht.
Zeichnungen Weiter Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
Fig. la bis ld ein Silizium-Substrat nach aufeinanderfolgenden Schritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer
Solarzelle aus einem Silizium-Substrat mit einer Passivie- rungsschicht;
Fig. 2a bis 2d ein Silizium-Substrat nach aufeinanderfolgenden Schritten eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstel- lung einer Solarzelle aus einem Silizium-Substrat mit einer Passivierungsschicht; und
Fig. 3a bis 3d ein Silizium-Substrat nach aufeinanderfolgenden Schritten eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Solarzelle aus einem Silizium-Substrat mit einer Passivierungsschicht.
Bei der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. la bis Fig. ld zeigen ein Silizium-Substrat 1 jeweils nach Schritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Solarzelle aus einem Silizium-Substrat mit einer Passivierungsschicht auf der Rückseite des
Substrats. In Fig. la ist ein Silizium-Wafer bzw. Silizium-Substrat 1 gezeigt. Das Silizium-Substrat 1 besteht aus kristallinem Silizium 2 und hat eine erste Hauptoberfläche 3, auch Vorderseite genannt, und eine zweite Hauptoberfläche 4, auch Rückseite genannt, die der ersten Hauptoberfläche 3 gegenüberliegt. Fig. lb zeigt das Silizium-Substrat 1 nach dem ersten Verfahrensschritt. In dem ersten Verfahrensschritt wird Siliziumdioxid auf die zweite Hauptober- fläche 4 des Siliziumsubstrats 1 durch ein PECVD-Verfahren aufgebracht. An Stelle des Siliziumdioxids sind andere oxidhaltige Schichten vorstellbar. Auch andere Verfahren zum Aufbringen der Schicht sind vorstellbar.
Das Siliziumsubstrat 1 wird in einem zweiten Verfahrensschritt auf eine
Temperatur von mindestens 800°C erhitzt. Hierdurch wird die oxidhaltige
Schicht 5 verdichtet und die Grenzschicht zwischen der oxidhaltigen Schicht 5 und dem Silizium 2 des Silizium-Substrats 1 (re)oxidiert. Hierdurch entsteht an der Grenzschicht eine dünne Schicht hochwertigen thermischen Oxids, welches gute Passivierungseigenschaften aufweist. Die Sauerstoffquelle kann die
Prozessatmosphäre des Silizium-Substrats 1 sein (z. B. 02 oder H20). Dabei ist die abgeschiedene oxidhaltige Schicht 5 sauerstoffdurchlässig, was beispielsweise bei Si02 und SiOaNb oder SiOaCb der Fall ist, wenn b viel kleiner als a ist. Ebenfalls vorstellbar als oxidhaltige Schicht sind andere sauerstoffleitende Metalloxide, wie z. B. Zr02.
Die Sauerstoffquelle kann auch die oxidhaltige Schicht 5 selbst sein. In diesem Fall wird ein überstöchiometrisches Oxid als oxidhaltige Schicht auf die zweite Hauptoberfläche 4 des Silizium-Substrats 1 aufgebracht. Das überstöchiome- trische Oxid gibt während des Erhitzens des Silizium-Substrats Wasser und/ oder Sauerstoff ab. Das überstöchiometrische Oxid kann beispielsweise
Si02+x:H oder auch ein hygroskopisches Oxid, wie beispielsweise BSG, PSG, oder TEOS-Oxid sein. Zusätzlich bietet sich ein Oxid mit geringer Dichte an, um die Sauerstoffdiffusion zu vereinfachen. Dieses ist typischerweise in SiH4- Prozessen bei niedrigen Temperaturen der Fall.
Eine amorphe Si02-Schicht auf dem Silizium-Substrat wird mittels Si H4 und einer Sauerstoffquelle durch ein PECVD-Verfahren hergestellt. Als Sauerstoff- quelle hierfür kann beispielsweise Lachgas oder reiner Sauerstoff fungieren.
Die SiH4-Prozesse laufen bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und ca. 500 °C ab, vorzugsweise bei einer Temperatur um die 200 °C. Fig. lc zeigt das Silizium-Substrat 1 nach dem Erhitzen. Auf der ersten Hauptoberfläche 3 hat sich eine Siliziumdioxidschicht 6 gebildet. Auf der gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche 4 hat sich an der Grenzfläche zwischen dem Silizium 2 und der oxidhaltigen Schicht 5 ein thermisches Oxid 6 gebildet. Ein einseitiges Oxid, d. h. eine Solarzelle mit einer Passivierungsschicht auf nur einer Seite des Siliziums 2, wird nun durch Ätzen der beiden Hauptoberflächen 3, 4 gebildet. Durch das Ätzen wird die Siliziumdioxidschicht auf der ersten Hauptoberfläche 3 des Silizium-Substrats 1 entfernt. Auf der zweiten Hauptoberfläche 4 wird durch das Ätzen nur ein Teil der oxidhaltigen Schicht 5 entfernt. Somit wird eine Solarzelle hergestellt, die nur auf einer Seite, nämlich auf der Rückseite, eine Passivierungsschicht mit einem hochwertigen thermischem Oxid 6 umfasst. In den Fig. 2a bis 2d wird ein Silizium-Substrat 1 nach aufeinanderfolgenden Schritten eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Solarzelle mit einer Passivierungsschicht auf der Rückseite dargestellt. In Fig. 2a ist auf ein Silizium-Substrat 1, das einen Wafer aus Silizium 2 umfasst, bereits eine oxidhaltige Schicht 5 auf die zweite Hauptoberfläche 4, die der ersten Hauptoberfläche 3 gegenüberliegt, aufgebracht. In einem zweiten Verfahrensschritt wird Phosphor eindiffundiert. Hierbei bildet sich PSG 7,
Phosphorsilikatglas, auf der ersten Hauptoberfläche 3 des Silizium-Substrats 1 und auf dem Siliziumdioxid 5 auf der zweiten Hauptoberfläche 4. Der eindiffundierte Phosphor wird durch Erhitzen des Silizium-Substrats 1 in das Silizium 2 des Silizium-Substrats 1 eingetrieben, zur Bildung eines Emitters 8 auf der ersten Hauptoberfläche 3 des Silizium-Substrats 1. Während dieses Eintreibschrittes entsteht eine thermische Oxidschicht 6 an der Grenzfläche zwischen dem Silizium 2 und dem auf die zweite Hauptoberfläche 4 des Silizium-Substrats 1 aufgebrachte Siliziumdioxid 5. Der Zustand der Schichtfolge nach diesem Verfahrensschritt ist in Fig. 2b gezeigt.
Durch Ätzen der ersten Hauptoberfläche 3 und zweiten Hauptoberfläche 4 wird das PSG 7 von den beiden Hauptoberflächen 3, 4 entfernt. In Fig. 2c ist das Ergebnis nach dem Ätzen der beiden Hauptoberflächen 3, 4 dargestellt. Auf der ersten Hauptoberfläche 3 liegt nun das Silizium 2 frei, das eine dünne mit Phosphor dotierte Schicht 8 umfasst. Auf der zweiten Hauptoberfläche 4 des Silizium-Substrats 1 befindet sich das thermische Oxid 6 und darauf eine Schicht von Siliziumdioxid 5. In Fig. 2c ist der Zustand des Silizium-Substrats 1 nach diesem Verfahrensschritt gezeigt.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird nun eine SiN-Antireflexionsschicht 9 auf die erste Hauptoberfläche 3 des Silizium-Substrats 1 aufgebracht. In Fig. 2d ist das Silizium-Substrat 1 nach Abschluss des Verfahrens dargestellt. Das Silizium-Substrat 1 weist nur auf der Rückseite eine Passivierungsschicht auf, die ein thermisches Oxid 6 umfasst. In Fig. 3a bis 3d ist ein Silizium-Substrat 1 nach aufeinanderfolgenden Schritten eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Solarzelle mit einer Passivierungsschicht auf einer Seite des Silizium-Substrats 1 dargestellt. In einem ersten Schritt wird eine Borschicht 10 als Back-Surface- Field in die zweite Hauptoberfläche 4 des Silizium-Substrats 1 eingebracht, beispielsweise durch Diffusion. Das Silizium-Substrat 1 nach diesem ersten Schritt ist in Fig. 3a dargestellt.
Danach wird eine Siliziumdioxidschicht 5 auf die zweite Hauptoberfläche 4 des Silizium-Substrats 1 aufgebracht. Die Schichtfolge nach diesem Schritt ist in Fig. 3b dargestellt.
Nun wird Phosphor zur Bildung eines Emitters 8 diffundiert. Hierdurch bildet sich PSG 7 auf der ersten Hauptoberfläche 3 und auf dem Siliziumdioxid 5 auf der zweiten Hauptoberfläche 4. Während des Eintreibschrittes des Phosphors in das Silizium 2 entsteht an der Grenzfläche zwischen dem Silizium 2 und dem auf der zweiten Hauptoberfläche 4 aufgebrachten Siliziumdioxid 5 eine thermische Oxidschicht 6. Durch den thermischen Schritt des Erhitzens des Silizium-Substrats 1 wird zudem das Bor der Borschicht 10 aktiviert, und Schäden aus den Implantationsschritten werden ausgeheilt. Das Silizium- Substrat 1 nach diesem Verfahrensschritt ist in Fig. 3c dargestellt.
Nun wird durch Ätzung der ersten Hauptoberfläche 3 und der zweiten Hauptoberfläche 4 PSG 7 von den beiden Hauptoberflächen 3, 4 entfernt. Als letzter Verfahrensschritt wird nun eine SiN-Antireflektionsschicht 9 auf die erste Hauptoberfläche 3 des Silizium-Substrats 1 aufgebracht.
Das hier beschriebene Verfahren lässt sich mit dem vorher genannten Prozess kombinieren, wodurch der Prozessfluss erheblich vereinfacht wird, da kein zusätzlicher Oxidationsschritt mehr erforderlich ist und die Anzahl der
Reinigungsschritte reduziert wird. Zudem kann durch das erfindungsgemäße Verfahren in Kombination mit dem vorbekannten Prozessfluss die benötigte Oxidationszeit/-temperatur reduziert werden. Modifizierter Prozess gemäß vorliegender Erfindung:
1) Textur
2) Reinigung (HN03)
3) Diffusion von POCI3 mit Eintreibschritt
4) Wegätzung von PSG
5) SiN Abscheidung Vorderseite
6) Emitterentfernung RS
7) Si02 Abscheidung Rückseite
8) Oxidation
9) SiN Abscheidung Rückseite
Gegenüber dem bisher bekannten Prozess sind die Schritte 8) und 9) (nun Schritte 8) und 7)) vertauscht. Der Schritt 7) des vorbekannten Sinto- Prozesses, d.h. der Standard Cleaning 1/Standard Cleaning 2-Schritt zum Ent- fernen von Metallverunreinigungen, der teuer und aufwändig ist, wird weggelassen bzw. kann weggelassen werden.
Die durch diesen Prozess hergestellte PERC-Zelle kann mit einem Bor-Implant zu einer PERT-Zelle erweitert werden. In diesem Fall erfüllt die POCI3/BBr3- Diffusion zusätzlich noch die Funktion der Aktivierung der implantierten Dosis, so dass insgesamt zwei Hochtemperaturschritte eingespart werden können.
Neuer PERC-Prozess gemäß vorliegender Erfindung: 1) Textur (+ Rückseitenplanarisierung)
2) Reinigung (HN03, evtl. mehr)
3) SiO:H Abscheidung Rückseite
4) Diffusion von POCI3 mit Eintreibschritt
5) Wegätzung von PSG
6) SiN Abscheidung Vorderseite
7) SiN Abscheidung Rückseite Durch diesen neuen PERC-Prozess wird ein zusätzlicher Oxidationsschritt eingespart.
Zudem lässt sich dieses Verfahren mit einem MWT(metal wrap through)- Prozessfluss kombinieren.
Neuer PERC-MWT-Prozess gemäß vorliegender Erfindung:
1) Textur (+ Rückseitenplanarisierung)
2) Reinigung
3) SiO:H Abscheidung Rückseite
4) Löcher lasern (+ evtl. Ablation der Rückseite im Busbarbereich)
5) Diffusion von POCI3 mit Eintreibschritt
6) Entfernung von PSG
7) SiN Abscheidung Vorderseite
8) SiN Abscheidung Rückseite
Neuer PERT-Prozess mit Ionenimplantation gemäß vorliegender Erfindung
1) Textur (+ Rückseitenplanarisierung)
2) Reinigung
3) Implantation BSF (Phosphor oder Bor)
4) SiO:H Abscheidung Rückseite
5) Diffusion von BBr3 oder POCI3 mit Eintreibschritt
6) Wegätzung von PSG
7) SiN Abscheidung Vorderseite
8) SiN Abscheidung Rückseite
Da die POCI3- oder BBr3-Diffusion bzw. der Eintreibschritt gleichzeitig die Aktivierung der Borimplantation bewirkt, werden hierbei zwei
Hochtemperaturschritte eingespart.
Die vorgeschlagenen Prozessflüsse sind ohne Einschränkung auch auf einen Zellprozessfluss mit selektiver Vorderseitendiffusion anwendbar. Hierbei kann die Qualität der Rückseitenpassivierung durch einen langen Eintreibschritt der Vorderseitendiffusion noch verbessert werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Schritte des Verfahrens für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesonde- re die in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Im Übrigen ist die Ausführung der Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern lediglich durch den Schutzbereich der anhängenden Patentansprüche.

Claims
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle aus einem Silizium-Substrat (1), das eine im Gebrauchszustand als Lichteinfallsseite dienende erste Hauptoberfläche
(3) und eine als Rückseite dienende zweite Hauptoberfläche (4) aufweist, mit einer Passivierungsschicht auf der zweiten Hauptoberfläche (4), umfassend folgende Schritte:
- Aufbringen einer oxidhaltigen Schicht (5) auf die zweite Hauptoberfläche (4) des Silizium-Substrats (1); und
- Erhitzen des Silizium-Substrats (1) auf eine Temperatur von mindestens 800 °C zum Verdichten der oxidhaltigen Schicht (5) und zur Oxidation der Grenzfläche zwischen der oxidhaltigen Schicht (5) und der zweiten Hauptoberfläche (4) des Silizium-Substrats (1) zur Bildung von thermischem Oxid (6), wobei eine Sauerstoffquelle Sauerstoff für die Oxidation abgibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Prozessatmosphäre,
insbesondere 02 und/oder H20 umfassend, als Sauerstoffquelle fungiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die oxidhaltige Schicht derart aufgebracht wird, dass sie, insbesondere Si02, Zr02, SiOaNb und/oder SiOaCb, wobei jeweils b<<a ist, umfassend, sauerstoffdurchlässig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oxidhaltige Schicht (5), insbesondere Si02 umfassend, durch ein CVD- oder ein PECVD-Verfahren, insbesondere unter Verwendung von SiH4, auf die zweite Hauptoberfläche
(4) des Silizium-Substrats (1) aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oxid- haltige Schicht (5) ein überstöchiometrisches Oxid, insbesondere
Si02+x:H und/oder ein Oxid mit geringer Dichte und/oder ein hygroskopisches Oxid, vorzugsweise BSG, PSG und/oder TEOS-Oxid, umfasst und die oxidhaltige Schicht (5) als die Sauerstoffquelle fungiert.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner eine während des Erhitzens des Silizium-Substrats (1) dort entstandene Siliziumoxid-Schicht von der ersten Hauptoberfläche (3) und ein Teil der oxidhaltigen Schicht (5) von der zweiten Hauptoberfläche (4) weggeätzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner in die beiden Hauptoberflächen (3) nach dem Aufbringen der oxidhaltigen Schicht (5) ein Dotierstoff, insbesondere Bor, vorzugsweise mittels Bortribromid, und/oder Phosphor, vorzugsweise mittels Phosphoroxy- chlorid, eindiffundiert wird, wobei der Dotierstoff während des Schritts des Erhitzens des Silizium-Substrats (1) in die erste Hauptoberfläche (3) diffundiert, und wobei die oxidhaltige Schicht (5) während des Erhitzens als Maskierungsschicht der zweiten Hauptoberfläche (4) fungiert.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei ferner während des Erhitzens des Silizium-Substrats (1) entstandene Dotierstoff-Silizium-Verbindungsschichten von der ersten Hauptoberfläche (3) und/oder der zweiten Hauptoberfläche (4) weggeätzt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner vor dem Aufbringen der oxidhaltigen Schicht (5) eine Oberflächenstruktur auf die erste Hauptoberfläche (3) und/oder die zweite Hauptoberfläche (4) aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner vor dem Aufbringen der oxidhaltigen Schicht (5) die zweite Hauptoberfläche (4) planarisiert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner die erste Hauptoberfläche (3) und/oder die zweite Hauptoberfläche (4) vor dem Aufbringen der oxidhaltigen Schicht (5), insbesondere mit HN03, gereinigt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner Bor oder Phosphor zur Erzeugung einer Back-Surface-Field(BSF)-Schicht (10) in die zweite Hauptoberfläche (4) diffundiert oder implantiert wird, das durch das Erhitzen des Silizium-Substrats (1) aktiviert wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 6-12, wobei nach dem Ätzen der beiden Hauptoberflächen (3, 4) eine SiN-Anti-Reflektionsschicht (9) auf die erste Hauptoberfläche (3) und/oder auf die oxidhaltige Schicht (5) der zweiten Hauptoberfläche (4) aufgebracht wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Aufbringen der oxidhaltigen Schicht (5) ein oder mehrere Löcher durch das Silizium-Substrat (1) zum Verbinden der ersten Hauptoberfläche (3) mit der zweiten Hauptoberfläche (4), insbesondere mittels eines Lasers, hergestellt werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Aufbringen der oxidhaltigen Schicht (5) folgende Verfahrenschritte ausgeführt werden:
- ein Dotierstoff, insbesondere Bor, vorzugsweise mittels Bortribro- mid, und/oder Phosphor, vorzugsweise mittels Phosphoroxychlo- rid, wird in beide Hauptoberflächen (3, 4) eindiffundiert, - der Dotierstoff wird durch Erhitzen des Silizium-Substrats (1) in das Silizium-Substrat (1) diffundiert zur Bildung einer Emitterschicht auf der ersten Hauptoberfläche (3) und einer Emitterschicht auf der zweiten Hauptoberfläche (4),
- durch das Erhitzen des Silizium-Substrats (1) entstandene Dotierstoff-Glasschichten werden von der ersten Hauptoberfläche (3) und/oder der zweiten Hauptoberfläche (4) weggeätzt,
- eine Maskierungsschicht, vorzugsweise SiN, wird auf die erste Hauptoberfläche (3) aufgebracht, und
- die Emitterschicht der zweiten Hauptoberfläche (4) wird, insbesondere durch Ätzen, entfernt, wobei die SiN-Schicht als Maskierungsschicht der ersten Hauptoberfläche (3) während des Entfernens fungiert.
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