WO2011141139A2 - Verfahren zur herstellung einer einseitig kontaktierbaren solarzelle aus einem silizium-halbleitersubstrat - Google Patents

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Filip Granek
Christian Reichel
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a single-contact solar cell from a silicon semiconductor substrate of a first doping type according to the preamble of claim 1.
  • single-contact solar cells in which both contacts are arranged on the back, have the advantage that no shadowing by the contacts takes place on the front side formed for the incidence of light and thus a higher light output with respect to the incident on the front radiation can be achieved ,
  • the formation of metal structures for discharging the charge carriers on the back of the solar cell can be optimized for the reduction of electrical series resistances, without at the same time an optimization of the light incidence is necessary because the light is incident on the front side of the solar cell designed for this purpose.
  • a single-contact solar cell it is known for producing a single-contact solar cell to apply an emitter layer on an emitter side of a silicon semiconductor substrate, which consists of amorphous silicon.
  • the emitter layer has a doping type opposite to the semiconductor substrate, so that a pn junction is formed between the emitter layer and the semiconductor substrate. Since the amorphous silicon layer has a band gap different from the silicon semiconductor substrate, a so-called "heterojunction" forms.
  • the method according to the invention serves to produce a single-contact solar cell from a silicon semiconductor substrate of a first doping type.
  • Doping types here are the p-doping and the opposite n-doping.
  • the method according to the invention comprises the following method steps:
  • a surface cleaning of at least one emitter side of the semiconductor substrate provided for the application of an emitter layer takes place.
  • a method step B the application of an emitter layer of a second, opposite to the first doping type doping on the emitter side of the semiconductor substrate.
  • the emitter layer is applied directly to the emitter side of the semiconductor substrate and / or to one or more intermediate layers covering the emitter side, for example for forming the pn junction as a p-junction.
  • the application of the emitter layer is partly directly on the emitter side of the semiconductor substrate and partly on one or more of the emitter side covering intermediate layers within the scope of the invention. It is essential that a pn junction between the emitter layer and the semiconductor substrate is formed.
  • a cross-conducting emitter contact layer takes place which at least partially covers the emitter layer and / or further interlayers covering the emitter layer.
  • Sol- Intermediate layers can be applied, for example, in a manner known per se to form a tunnel contact. It is essential that the emitter layer and emitter contacting layer are electrically conductively connected.
  • the term "electrically conductively connected” designates an electrically conductive connection with respect to the respective majority charge carriers, negligible, possibly occurring currents, for example due to recombination effects. Transition in the stopband of the diode.
  • the cross-conducting emitter contacting layer is applied in method step C such that a plurality of base contacting regions of the emitter side of the semiconductor substrate are not covered by the emitter layer and emitter contacting layer and / or that the emitter layer and emitter contacting layer are removed again at a plurality of base contacting regions.
  • base contact area here and hereinafter designates a region of the emitter side of the semiconductor substrate on which an electrical contacting of the base is formed, wherein the electrical contacting takes place at least in a partial region of the base contacting region.
  • the emitter side of the semiconductor substrate is thus partially covered by the emitter layer and this by the emitter contacting layer, whereas a plurality of base contacting regions is not covered by these layers.
  • a method step D the application of an insulating layer to the emitter side of the semifinished at least at the base contact areas. conductor substrate and on the base contact areas surrounding surface areas of the emitter layer and / or the Emittertrust ists harsh.
  • the insulating layer thus covers at least the emitter side of the semiconductor substrate at the base contacting regions and in the vicinity thereof the surface regions of the emitter layer and / or the emitter contacting layer.
  • the insulating layer covers at least the emitter side of the semiconductor substrate at the base contacting regions and the end faces of the emitter layer and emitter contacting layer facing the base contacting regions.
  • a method step E the insulation layer is opened at a plurality of base hole doping regions, wherein each base hollow doping region is a subregion of a base contacting region and local driving in of a dopant of the first doping type at the base high doping regions into the semiconductor substrate occurs.
  • the local driving-in of the dopant takes place by locally heating at least the semiconductor substrate at the base high-doping regions. This ensures that local heating does not cause global heating of the emitter layer to a temperature above 250 ° C.
  • the generation of the high-doping regions for the base contacting thus takes place after the application of the emitter layer.
  • the driving of the dopant is achieved only by local heat, there is no damage to the emitter layer by the action of heat.
  • the doping concentration of the base hole doping regions is greater than the doping concentration of the base doping of the silicon semiconductor substrate.
  • the semiconductor substrate typically has an approximately homogeneous doping, and the base high-doping regions have a doping profile with a much higher doping concentration at least in the region of the emitter side of the semiconductor substrate and a decreasing doping concentration starting therefrom.
  • the use of semiconductor substrates with inhomogeneous doping is also within the scope of the invention. In this case, each base hole doping region has a higher doping concentration. Chen with the doping concentration of the base hole doping region surrounding region of the semiconductor substrate.
  • a method step F an application of one or more base contacting structures takes place by means of an electrochemical method, the base contacting structure being at least partially covering at least one base high-doping region and being connected in an electrically conductive manner to the semiconductor substrate.
  • the base contacting structure thus serves for discharging the majority charge carriers from the semiconductor substrate via the base-contacting region and is preferably designed as a metallic contacting structure.
  • the base contacting structure is reinforced.
  • the method steps following method step B are carried out such that no global heating of the emitter layer to more than 250 ° C.
  • no global heating of the emitter layer to more than 250 ° C. occurs due to the local heating for driving in the dopant at the base high-doping regions.
  • the emitter is designed as a hetero emitter, so that results in low dark saturation currents and thus increased efficiency of the solar cell.
  • the base contact is formed as a homocontact, so that only a complex surface cleaning of the emitter side in step A is necessary, but not a second surface cleaning with a correspondingly high demands on the surface quality when generating the base contact.
  • the application of the base contacting structure by means of an electrochemical process so that this no masking steps are necessary and thus the complexity and cost compared to previously known methods are reduced.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • the local heating for the local driving in of the dopant in method step E preferably takes place by means of an optical radiation source, in particular preferably by means of a laser, since a precise and precisely metered heating of the base high-doping region can be achieved in a simple manner by optical systems, in particular in the case of lasers.
  • a particularly simple embodiment of the method according to the invention results in the preferred embodiment that in method step E the local driving in of the dopant takes place by means of a laser coupled into a liquid jet.
  • the liquid jet receives the dopant for doping the high-doping regions, and a local heating and local melting of the semiconductor substrate at the base high-doping region takes place by means of the laser, so that the dopant is driven into the semiconductor substrate due to this local heating and local melting.
  • LCP laser chemical processing
  • the local driving-in of the dopant takes place by immersing the semiconductor substrate in a liquid containing the dopant and by locally heating the heatable substrate at the base high-doping region Laser is made so that a local driving of the dopant from the liquid is achieved in the semiconductor substrate at the base hole doping region.
  • the local driving-in of the dopant is effected by applying a dopant-containing doping layer at least to the base high-doping region and driving the dopant by means of local heating by a laser and preferably then removing the doping layer again ,
  • the local heating is effected by means of a laser, however, the dopant is not provided by means of a liquid containing the dopant, but by means of a previously applied doping layer which contains the dopant.
  • a local melt mixture of at least the doping layer and a subregion of the semiconductor substrate takes place at the high doping region as a result of the laser action, so that a local high doping region is present through liquid-liquid diffusion after solidification of the melt mixture.
  • the insulation layer is already removed or melted down by the melting process, so that no separate method step is necessary for opening the insulation layer at the base hollow doping region.
  • the fluence of laser pulses is preferably in the range of 0.1 to 2 J / cm 2 .
  • the laser chemical processing preferably takes place by means of a fiber laser and preferably the following laser parameters and process parameters:
  • Laser parameter wavelength 532 nm, pulse duration 1 to 100 ns.
  • liquid sodium borohydride Na BH 4
  • N-type doping medium liquid phosphoric acid H 3 P0 4
  • the diameters of the liquid jet are preferably in the range of 30 to 100 pm.
  • the emitter layer is first applied over the entire surface and then the emitter layer is removed by means of plasma etching or wet chemical methods, such as KOH etching, by a previously applied and patterned masking layer on the Basisaktont michs Schemee again.
  • plasma etching or wet chemical methods such as KOH etching
  • the emitter contacting layer is preferably used as the etching mask when the emitter layer is removed by means of plasma etching.
  • the emitter layer is thus initially applied over the entire surface, followed by application of the emitter contacting layer, which is preferably formed as a metallic layer and is applied such that the emitter layer is not covered by the emitter contacting layer at the base contacting regions. Since the emitter layer, but not the emitter contacting layer, is attacked by plasma etching, the emitter contacting layer can thus be used in a simple manner as an etching mask. In particular, no subsequent removal tion of the etching mask necessary because the Emittertrust ist remains on the solar cell.
  • the application of the emitter contacting layer can in this case already take place with the recess of the base contacting areas, for example by printing methods, in particular screen printing methods.
  • a higher accuracy is achieved if the emitter contacting layer is first applied over the whole area and then removed locally by means of a masking process or is removed locally by means of laser ablation.
  • the emitter contacting layer is first applied over the whole area and then removed locally at the base contacting areas by means of laser ablation.
  • the following laser types and laser parameters are used:
  • the pulse energy is preferably in the range 100 to 200 ⁇ , the wavelength is preferably in the UV range (in particular about 355 nm), the pulse duration is preferably in the range 1 ns to 100 ns.
  • the emitter contacting layer is applied over the whole area in method step C and subsequently removed at the base contacting areas by means of the following method steps:
  • etching masking layer to the emitter contacting layer, in particular the deposition of a silicon dioxide layer by means of PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition),
  • the reinforcement of the base-contacting structure is preferably carried out galvanically.
  • This known method for reinforcing a metallic structure has the advantage that an automatic positioning of the reinforcement takes place and thus no masking steps are necessary.
  • the emitter layer is applied over the whole area and / or the emitter contacting layer is applied completely covering the emitter layer.
  • the emitter contacting layer and / or the base contacting layer are advantageously formed as metallic layers or as metal-containing layers. It is within the scope of the invention that these layers consist of one layer or of a layer system comprising several layers. In particular, the formation of one or both of these layers as a transparent, conductive material is advantageous in order additionally to obtain an effective optical rear-view mirror.
  • the doping concentration of the base high doping in the Basisking ists Geneva is preferably greater than 1 x10 18 cm "3. I coagul the doping concentration is preferably between 1 x1 0 18 cm -3 and 1 x1 0 20 cm -3, preferably between 5 x 10 18 cm -3 and 5 x1 0 19 cm “3 .
  • the base hole doping has a sheet resistance in the range between 1 ⁇ / ⁇ and 200 ⁇ / D, preferably between 5 ⁇ / ⁇ and 50 ⁇ / ⁇ .
  • a plurality of base contacting regions are preferably produced, wherein the distance between in each case two adjacent base contacting regions is preferably between 20 pm and 2000 pm, preferably between 500 pm and 1500 pm. This ensures that only small losses due to the transverse conduction resistance for majorities in the semiconductor substrate arise.
  • the configuration of the base contact areas and thus also of the base doping areas and the base contact layer can be effected in a manner known per se.
  • the configuration is advantageous as line-shaped contact regions, in particular for the formation of a so-called "interdigitated" contacting scheme known for rear contact solar cells, in which both base and emitter contacting layers are formed as comb-like structures which are interlaced.
  • a plurality of base contacting areas are formed, wherein the base contacting areas are linear and have a line width between 1 [.mu.m and 1 .mu.m, preferably between 20 [.mu.m and 500 .mu.m, in particular between 50 .mu.m and 200 [im exhibit.
  • the emitter layer is preferably formed of amorphous silicon (a-Si) or microcrystalline silicon ( ⁇ -Si) or of an amorphous mixture containing silicon, preferably amorphous silicon carbide (a-SiC).
  • a-Si amorphous silicon
  • ⁇ -Si microcrystalline silicon
  • a-SiC amorphous silicon carbide
  • the insulating layer is electrically insulating.
  • the insulating layer additionally has passivating properties, i. H . it reduces the recombination rate of the minority carriers at the surfaces covered by the insulating layer.
  • the process according to the invention is particularly suitable for the production of back-contacted solar cells in which the emitter side opposite lying side of the silicon semiconductor substrate is designed for coupling the electromagnetic radiation.
  • the semiconductor substrate is advantageously designed as an n-doped silicon wafer with an approximately homogeneous doping with a doping concentration in the range 4 ⁇ 10 14 cm -3 to 1 ⁇ 10 16 cm -3 .
  • the application of the layers mentioned can take place in a manner known per se.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • PECVD Physical Vapor Deposition
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • Industrial devices and process parameters already exist for this purpose.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the method according to the invention, wherein in each case a partial sectional image is shown perpendicular to the emitter side.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an embodiment of the inventive method for producing a one-side contactable solar cell of a silicon semiconductor substrate (1) with an emitter side 1 a. It is shown in Figure 1 in each case a partial section perpendicular to the emitter side 1 a. The solar cell continues to the right and left.
  • the emitter side 1 a opposite front side of the semiconductor substrate 1 is the light-facing side of the solar cell to be produced.
  • usual structures and layers are applied for recombination reduction and increase in the incidence of light.
  • a full-area n ++ doping is formed to reduce recombination, a so-called "front surface field”.
  • the cleaning of the emitter side 1 a is carried out in a method step A as known RCA cleaning, as in W. Kern, D. Puotinen: Cleaning Solutions Based on Hydrogen Peroxide for Use in Silicon Semiconductor Technology. In: RCA Review 187 (June 1970) and preferably comprises the following steps:
  • the emitter layer 2 is formed as a layer structure comprising a layer of intrinsic amorphous silicon (ia Si) with a thickness in the range of 3 nm to 5 nm and a layer of p-doped amorphous silicon (pa Si) with a thickness of 1 0 nm.
  • ia Si intrinsic amorphous silicon
  • pa Si p-doped amorphous silicon
  • a cross-conducting emitter contact layer 3 takes place, which is formed as a metal layer of aluminum and / or titanium and / or palladium and / or silver and / or nickel and is applied by vapor deposition.
  • the emitter contacting layer 3 has a thickness of 2 ⁇ m.
  • the emitter contacting layer 3 is removed by means of laser ablation at a plurality of base contacting regions, of which only one base contacting region 4a is illustrated in FIG.
  • a method step C3 by means of plasma etching or wet chemical methods, such as KOH etching, by a previously applied and structured masking layer, the removal of the emitter layer 2 at the base contact region 4a, wherein the emitter contacting layer 3 serves as an etching mask.
  • an insulation layer 5 is applied.
  • This insulating layer is formed as an aluminum oxide layer and / or silicon oxide and / or silicon nitride and / or silicon carbide and has a thickness in the range of several nm to several ⁇ , preferably of 200 nm and is applied by ALD or PECVD.
  • the insulating layer 5 is applied over the entire area and therefore covers in particular the base contacting region 4a on the emitter side 1a of the semiconductor substrate 1 and the end face 5a of the emitter layer 2 and the emitter contact layer 3 facing the base contacting region 4a. and base contact ensures and electrical passivation and thus reducing the surface recombination speed, in particular at the base contact region 4 a of the emitter side 1 a of the semiconductor substrate.
  • both the opening of the insulating layer 5 and the driving-in of a dopant (phosphor in this case) at a base high-doping region 4b, which is a subregion of the base-contacting region 4a, take place by means of the LCP method.
  • the laser chemical processing is carried out by means of a fiber laser and the following laser parameters and process parameters:
  • P-type doping medium is liquid sodium borohydride (NaBH 4 ) or N-type doping medium is liquid phosphoric acid (H 3PO 4) at a pressure of 50 to 400 bar.
  • the diameter of the liquid jet is in the range of 30 to
  • a high-doping region (a so-called back surface field, BSF) 6 on the base high-doping region 4b in the semiconductor substrate 1 are thus produced by the LCP method.
  • the high doping region 6 has on the emitter side 1 a of the semiconductor substrate doping with sheet resistance of about 10 to 50 ⁇ / cm 2 , at a width of 30 pm up to 1 00 pm and a depth of 0.5 pm to 1, 5 prn.
  • a base contacting structure 7 is produced by means of the known nickel electroplating process. This is done in a known manner as electroless nickel electroplating.
  • a method step G the reinforcement of the base-contacting structure 7 is effected by galvanic reinforcement.
  • the solar cells are contacted and immersed in a galvanic bath.
  • the voltage is adjusted so that the metal ions from the bath are attracted to the metal contacts of the surface to be plated.
  • the emitter contacting structures are produced in a manner known per se by vapor deposition or sputtering of metal layers.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierbaren Solarzelle aus einem Silizium-Halbleitersubstrat (1) eines ersten Dotierungstyps, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Oberflächenreinigung zumindest einer für die Aufbringung einer E- mitterschicht (2) vorgesehenen Emitterseite (1a) des Halbleitersubstrates, B Aufbringen einer Emitterschicht (2) eines zweiten, zum ersten entgegengesetzten Dotierungstyps auf die Emitterseite (1a) des Halbleitersubstrates und/oder auf eine oder mehrere die Emitterseite (1a) bedeckende Zwischenschichten, zur Ausbildung eines pn-Übergangs zwischen Emitterschicht (2) und Halbleitersubstrat (1), C Aufbringen einer querleitfähigen Emitterkontaktierungsschicht (3), welche die Emitterschicht (2) und/oder weitere die Emitterschicht (2) bedeckende Zwischenschichten zumindest teilweise überdeckt, wobei Emitterschicht (2) und Emitterkontaktierungsschicht (3) elektrisch leitend verbunden sind und eine Mehrzahl von Basiskontaktie- rungsbereichen der Emitterseite (1a) des Halbleitersubstrates nicht bedecken und/oder an einer Mehrzahl von Basiskontaktierungsbe-reichen wieder entfernt werden, Wesentlich ist, dass das Verfahren folgende weitere Verfahrensschritte umfasst: D Aufbringen einer Isolierungsschicht (5) zumindest an den Basiskon- taktierungsbereichen auf die Emitterseite (1a) des Halbleitersubstrates und auf die die Basiskontaktierungsbereiche umgebenden Oberflächenbereiche der Emitterschicht (2) und/oder der Emitterkontak- tierungsschicht (3), E öffnen der an einer Mehrzahl von Basishochdotierungsbereichen, wobei jeder Basishochdotierungsbereich (4b) ein Teilbereich eines Basiskontaktierungsbereiches ist und lokales Eintreiben eines Dotierstoffes des ersten Dotierungstyps an den Basishochdotierungsbereichen, wobei das lokale Eintreiben des Dotierstoffes durch lokales Erhitzen zumindest des Halbleitersubstrates an den Basishochdotierungsbereichen erfolgt, F Aufbringen einer oder mehrere Basiskontaktierungsstrukturen mittels eines elektrochemischen Verfahrens, wobei die Basiskontaktie-rungsstruktur zumindest einen Basishochdotierungsbereich (4b) zumindest teilweise bedeckend und mit dem Halbleitersubstrat (1) elektrisch leitend verbunden ausgebildet wird, G Verstärkung der Basiskontaktierungsstruktur, und dass in den auf Verfahrensschritt B folgenden Verfahrensschritten keine globale Erwärmung der Emitterschicht (2) auf mehr als 250°C erfolgt.

Description

Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierbaren Solarzelle aus einem
Silizium-Halbleitersubstrat
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierbaren Solarzelle aus einem Silizium-Halbleitersubstrat eines ersten Dotierungstyps gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Bei Halbleitersolarzellen sind Strukturen bekannt, bei denen sowohl der positive, als auch der negative Kontakt zur Kontaktierung der Solarzelle auf einer Seite der Solarzelle angeordnet sind. Hierdurch ergeben sich Vorteile aufgrund der einfacheren Verschaltung solcher Solarzellen in einem Solarzellenmodul.
Darüber hinaus weisen einseitig kontaktierbare Solarzellen, bei denen beide Kontakte auf der Rückseite angeordnet sind, den Vorteil auf, dass auf der für den Lichteinfall ausgebildeten Vorderseite keine Abschattung durch die Kontakte erfolgt und somit eine höhere Lichtausbeute bezüglich der auf der Vorderseite auftreffenden Strahlung erzielt werden kann.
Zusätzlich kann die Ausbildung von Metallstrukturen zur Abführung der Ladungsträger auf der Rückseite der Solarzelle auf die Verringerung von elektrischen Serienwiderständen optimiert werden, ohne dass gleichzeitig eine Optimierung hinsichtlich des Lichteinfalls notwendig ist, da der Lichteinfall über die hierzu ausgebildete Vorderseite der Solarzelle erfolgt.
Hierbei ist es zur Herstellung einer einseitig kontaktierbaren Solarzelle bekannt, auf einer Emitterseite eines Silizium-Halbleitersubstrates eine Emitterschicht aufzubringen, welche aus amorphem Silizium besteht. Die Emitterschicht weist einen zu dem Halbleitersubstrat entgegengesetzten Dotierungstyp auf, so dass sich zwischen Emitterschicht und Halbleitersubstrat ein pn-Übergang ausbildet. Da die amorphe Siliziumschicht eine zu dem Silizium-Halbleitersubstrat unterschiedliche Bandlücke aufweist, bildet sich ein so genannter„HeteroÜbergang"
BESTÄTIGUNGSKOPIE aus, so dass ein Heteroemitter vorliegt. Halbleiterverbindungen, bei denen auf beiden Seiten identische Bandlücken vorliegen, werden entsprechend als„Ho- moübergänge- bezeichnet. Bei HeteroÜbergängen, insbesondere bei Heteroemittern spielt jedoch die
Grenzfläche, d. h. die Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrates an der Emitterseite eine entscheidende Rolle, da sich Verunreinigungen oder Störungen in der Kristallstruktur besonders schädlich auf die elektrischen Eigenschaften und damit den Wirkungsgrad der Solarzelle auswirken. Entsprechend muss bei der Herstellung mittels aufwändiger Reinigungsverfahren jeweils vor Aufbringen der Emitterschicht eine ausreichende Oberflächenqualität der Emitterseite des Halbleitersubstrates hergestellt werden.
Solarzellen, die sowohl einen Heteroemitter, als auch einen Hetero-Basiskontakt aufweisen, erfordern somit ein aufwändiges Herstellungsverfahren, da jeweils vor Herstellung des HeteroÜbergangs eine aufwändige Oberflächenreinigung notwendig ist. Eine solche Solarzelle ist aus US 7, 199,395 B2, insbesondere Figur 2 und zugehörige Beschreibung bekannt. Aus diesem Grund sind Solarzellen bekannt, bei denen lediglich der Emitter als Heteroemitter ausgebildet ist, die Kontaktierung der Basis, d. h. des Silizium- Halbleitersubstrates jedoch über einen Homokontakt realisiert wird. Zur Erzielung hoher Wirkungsgrade ist es hierbei notwendig, im Bereich des Basiskontakts eine Hochdotierung im Halbleitersubstrat auszubilden, um einerseits Re- kombinationsverluste und andererseits Serienwiderstandsverluste zu verringern. Eine solche Solarzelle ist aus der vorgenannten US 7, 199,395 B2, insbesondere Figur 3 und zugehörige Beschreibung bekannt. Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, dass nach Abscheidung der amorphen Schicht keine Temperaturschritte mit Temperaturen über 250°C mehr erfolgen können, da dies zu einer Schä- digung der amorphen Schicht führen würde. Daher erfordert dieses Konzept das Erzeugen der Hochdotierungen im Bereich der Basiskontakte vor Aufbringen der Emitterschicht, so dass mehrere aufeinander abgestimmte Maskierungsprozesse notwendig sind und sich somit ein aufwändiger und kostenintensiver Herstel- lungsprozess ergibt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierbaren Solarzelle aus einem Silizium-Halbleitersubstrat mit einem Heteroemitter und einer als HomoÜbergang ausgebildeten Basiskon- taktierung zu schaffen, welches einen geringeren Aufwand gegenüber den vorbekannten Verfahren erfordert und damit kostengünstiger realisierbar ist.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 17.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer einseitig kontaktierbaren Solarzelle aus einem Silizium-Halbleitersubstrat eines ersten Dotierungstyps. Dotierungstypen sind hierbei die p-Dotierung sowie die hierzu entgegengesetzte n-Dotierung.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt A erfolgt eine Oberflächenreinigung zumindest einer für die Aufbringung einer Emitterschicht vorgesehenen Emitterseite des Halbleitersubstrates.
In einem Verfahrensschritt B erfolgt das Aufbringen einer Emitterschicht eines zweiten, zum ersten Dotierungstyp entgegengesetzten Dotierungstyps auf die Emitterseite des Halbleitersubstrates. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Emitterschicht unmittelbar auf die Emitterseite des Halbleitersubstrates aufgebracht wird und/oder auf eine oder mehrere die Emitterseite bedeckende Zwischenschichten, beispielsweise zur Ausbildung des pn-Übergangs als p i n- Übergang. Ebenso liegt die Aufbringung der Emitterschicht teilweise unmittelbar auf die Emitterseite des Halbleitersubstrates und teilweise auf eine oder mehrere die Emitterseite bedeckende Zwischenschichten im Rahmen der Erfindung. Wesentlich ist, dass ein pn-Übergang zwischen Emitterschicht und Halbleitersubstrat ausgebildet wird.
In einem Verfahrensschritt C erfolgt das Aufbringen einer querleitfähigen Emit- terkontaktierungsschicht, welche die Emitterschicht und/oder weitere die Emitterschicht bedeckende Zwischenschichten zumindest teilweise überdeckt. Sol- che Zwischenschichten können beispielsweise in an sich bekannter Weise zur Ausbildung eines Tunnelkontaktes aufgebracht werden. Wesentlich ist, dass Emitterschicht und Emitterkontaktierungsschicht elektrisch leitend verbunden sind.
Die Bezeichnung„elektrisch leitend verbunden" bezeichnet hierbei und im Folgenden eine elektrisch leitende Verbindung hinsichtlich der jeweiligen Majoritätsladungsträger. Hierbei werden geringfügige, gegebenenfalls vorhandene Ströme, beispielsweise aufgrund von Rekombinationseffekten vernachlässigt. Insbesondere besteht nach dieser Definition keine elektrisch leitende Verbindung für Majoritätsladungsträger über den pn-Übergang im Sperrbereich der Diode.
Das Aufbringen der querleitfähigen Emitterkontaktierungsschicht in Verfahrensschritt C erfolgt derart, dass eine Mehrzahl von Basiskontaktierungsbereichen der Emitterseite des Halbleitersubstrates nicht durch Emitterschicht und Emitterkontaktierungsschicht bedeckt sind und/oder dass an einer Mehrzahl von Basiskontaktierungsbereichen Emitterschicht und Emitterkontaktierungsschicht wieder entfernt werden.
Der Begriff Basiskontaktierungsbereich bezeichnet hierbei und im Folgenden einen Bereich der Emitterseite des Halbleitesubstrates, an dem eine elektrische Kontaktierung der Basis ausgebildet wird, wobei die elektrische Kontaktierung zumindest in einem Teilbereich des Basiskontaktierungsbereiches erfolgt.
Nach Verfahrensschritt C ist die Emitterseite des Halbleitersubstrates somit teilweise durch die Emitterschicht und diese durch die Emitterkontaktierungsschicht bedeckt, wohingegen eine Mehrzahl von Basiskontaktierungsbereichen nicht durch diese Schichten bedeckt ist.
Wesentlich ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren folgende weitere Verfahrensschritte umfasst:
In einem Verfahrensschritt D erfolgt das Aufbringen einer Isolierungsschicht zumindest an den Basiskontaktierungsbereichen auf die Emitterseite des Halb- leitersubstrates und auf die die Basiskontaktlerungsbereiche umgebenden Oberflächenbereiche der Emitterschicht und/oder der Emitterkontaktierungsschicht.
Die Isolierungsschicht bedeckt somit zumindest die Emitterseite des Halbleiter- Substrates an den Basiskontaktierungsbereichen sowie in der Umgebung hiervon die Oberflächenbereiche der Emitterschicht und/oder der Emitterkontaktierungsschicht. Vorzugsweise bedeckt die Isolierungsschicht zumindest die Emitterseite des Halbleitersubstrates an den Basiskontaktierungsbereichen und die den Basiskontaktierungsbereichen zugewandten Stirnseiten von Emitterschicht und Emitterkontaktierungsschicht.
In einem Verfahrensschritt E erfolgt ein Öffnen der Isolierungsschicht an einer Mehrzahl von Basishochdotierungsbereichen, wobei jeder Basishochdotierungs- bereich ein Teilbereich eines Basiskontaktierungsbereichs ist und es erfolgt ein lokales Eintreiben eines Dotierstoffes des ersten Dotierungstyps an den Basishochdotierungsbereichen in das Halbleitersubstrat. Das lokale Eintreiben des Dotierstoffes erfolgt durch lokales Erhitzen zumindest des Halbleitersubstrates an den Basishochdotierungsbereichen. Hierdurch ist gewährleistet, dass durch das lokale Erhitzen keine globale Erhitzung der Emitterschicht auf eine Temperatur über 250°C erfolgt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt somit die Erzeugung der Hochdotierungsbereiche für die Basiskontaktierung nach Aufbringen der Emitterschicht. Da das Eintreiben des Dotierstoffes jedoch lediglich durch lokale Wärmeeinwirkung erzielt wird, erfolgt keine Schädigung der Emitterschicht durch Wärmeeinwirkung.
Die Dotierkonzentration der Basishochdotierungsbereiche ist größer als die Dotierkonzentration der Basisdotierung des Silizium-Halbleitersubstrates. Typischerweise weist das Halbleitersubstrat eine in etwa homogene Dotierung auf und die Basishochdotierungsbereiche weisen ein Dotierprofil mit einer dem gegenüber wesentlich höheren Dotierkonzentration zumindest im Bereich der Emitterseite des Halbleitersubstrates und hiervon ausgehend eine abfallende Dotierkonzentration auf. Ebenso liegt jedoch auch die Verwendung von Halbleitersubstraten mit inhomogenen Dotierungen im Rahmen der Erfindung. In diesem Fall weist jeder Basishochdotierungsbereich eine höhere Dotierkonzentration vergli- chen mit der Dotierkonzentration des den Basishochdotierungsbereich umgebenden Bereichs des Halbleitersubstrates auf.
In einem Verfahrensschritt F erfolgt ein Aufbringen einer oder mehrerer Basis- kontaktierungsstrukturen mittels eines elektrochemischen Verfahrens, wobei die Basiskontaktierungsstruktur zumindest einen Basishochdotierungsbereich zumindest teilweise bedeckend und mit dem Halbleitersubstrat elektrisch leitend verbunden ausgebildet wird. Die Basiskontaktierungsstruktur dient somit zum Abführen der Majoritätsladungsträger aus dem Halbleitersubstrat über den Ba- siskontaktierungsbereich und ist vorzugsweise als metallische Kontaktierungs- struktur ausgebildet.
In einem Verfahrensschritt G erfolgt eine Verstärkung der Basiskontaktierungsstruktur.
Weiterhin werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die auf Verfahrensschritt B folgenden Verfahrensschritte derart ausgeführt, dass keine globale Erwärmung der Emitterschicht auf mehr als 250°C erfolgt. Dies ist bei den zuvor genannten Schritten bereits gegeben, insbesondere in Verfahrensschritt E erfolgt aufgrund der lokalen Erwärmung zum Eintreiben des Dotierstoffes an den Basishochdotierungsbereichen keine globale Erwärmung der Emitterschicht auf mehr als 250°C.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit mehrere Vorteile auf:
Zum einen ist der Emitter als Heteroemitter ausgebildet, so dass sich geringe Dunkelsättigungsströme und somit ein erhöhter Wirkungsgrad der Solarzelle ergibt. Weiterhin ist die Basiskontaktierung als Homokontakt ausgebildet, so dass lediglich eine aufwändige Oberflächenreinigung der Emitterseite in Verfahrensschritt A notwendig ist, nicht jedoch eine zweite Oberflächenreinigung mit entsprechend hoher Anforderung an die Oberflächenqualität bei Erzeugung des Basiskontakts. Weiterhin erfolgt das Aufbringen der Basiskontaktierungsstruktur mittels eines elektrochemischen Verfahrens, so dass hierfür keine Maskierungsschritte notwendig sind und somit die Komplexität und der Kostenaufwand gegenüber vorbekannten Verfahren verringert sind. Zur Erzeugung der vorgenannten Schichten kann auf an sich bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, insbesondere auf CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition), PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) oder ALD-Verfahren (Atomic Layer Deposition).
Die lokale Erwärmung zum lokalen Eintreiben des Dotierstoffes in Verfahrensschritt E erfolgt vorzugsweise mittels einer optischen Strahlenquelle, insbesondere vorzugsweise mittels eines Lasers, da durch optische Systeme, insbesondere bei Lasern, in einfacher Weise eine punktgenaue und genau dosierte Erwärmung des Basishochdotierungsbereichs erzielt werden kann.
Eine besonders einfache Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich in der vorzugsweisen Ausführungsform, dass in Verfahrensschritt E das lokale Eintreiben des Dotierstoffes mittels eines in einen Flüssigkeitsstrahl eingekoppelten Lasers erfolgt. Hierbei erhält der Flüssigkeitsstrahl den Dotierstoff zur Dotierung der Hochdotierungsbereiche und eine lokale Erwärmung und lokales Aufschmelzen des Halbleitersubstrates an dem Basishochdotierungsbereich erfolgt mittels des Lasers, so dass aufgrund dieser lokalen Erwärmung und dem lokalen Aufschmelzen der Dotierstoff in das Halbleitersubstrat eingetrieben wird.
Diese LCP (Laser-Chemische-Prozessierung) genannte Technik ist bei Verfahren zur Herstellung anderer Solarzellenstrukturen bereits bekannt und beispielsweise in WO 2007/085452 A1 beschrieben. Die Verwendung der Laser- Chemischen-Prozessierung in Verfahrensschritt E des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet insbesondere den Vorteil, dass das Bereitstellen des Dotierstoffes und das lokale Erwärmen an den Basishochdotierungsbereichen in einfacher Weise mit hoher Ortsgenauigkeit realisiert werden. Weiterhin erfolgt durch Anwendung der LCP-Methode in Verfahrensschritt E gleichzeitig das lokale Entfernen und somit Öffnen der Isolierungsschicht, als auch das lokale Eintreiben des Dotierstoffes an den Basishochdotierungsbereichen.
In einer alternativen vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt in Verfahrensschritt E das lokale Eintreiben des Dotierstoffes dadurch, dass das Halbleitersubstrat in eine den Dotierstoff enthaltene Flüssigkeit getaucht wird und eine lokale Erwärmung des Hableitesubstrates am Basishochdotierungsbereich mittels eines Lasers erfolgt, so dass ein lokales Eintreiben des Dotierstoffes aus der Flüssigkeit in das Halbleitersubstrat an dem Basishochdotierungsbereich erzielt wird.
Hierbei ergeben sich neben den bei Anwendung der LCP-Methode genannten Vorteilen zusätzlich der Vorteil, dass kein Flüssigkeitsstrahl ausgebildet werden muss, sondern lediglich ein Behältnis mit einer entsprechenden Flüssigkeit vorgesehen wird, in welche das Halbleitersubstrat eingetaucht wird, so dass geringere Anforderungen an die Prozessvorrichtungen bestehen.
Alternativ erfolgt in einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verfahrensschritt E das lokale Eintreiben des Dotierstoffes dadurch, dass eine den Dotierstoff enthaltende Dotierschicht zumindest auf den Basishochdotierungsbereich aufgebracht wird und mittels lokaler Erwärmung durch einen Laser der Dotierstoff eingetrieben wird und vorzugsweise anschließend die Dotierschicht wieder entfernt wird. Auch hier erfolgt somit die lokale Erwärmung mittels eines Lasers, allerdings wird der Dotierstoff nicht mittels einer den Dotierstoff enthaltenden Flüssigkeit bereit gestellt, sondern mittels einer zuvor aufgebrachten Dotierschicht, welche den Dotierstoff enthält. Hierbei erfolgt durch die Lasereinwirkung eine lokale Schmelzmischung aus zumindest der Dotierschicht und einem Teilbereich des Halbleitersubstrates am Hochdotierungsbereich, so dass durch Flüssig-Flüssig-Diffusion nach Erstarren der Schmelzmischung ein lokaler Hochdotierungsbereich vorliegt. Auch in diesem Fall ergibt sich der Vorteil, dass durch den Aufschmelzvorgang die Isolierungsschicht bereits entfernt bzw. mitaufgeschmolzen wird, so dass kein separater Verfahrensschritt zum Öffnen der Isolierungsschicht an dem Basishochdotierungsbereich notwendig ist.
Das Erzeugen einer derartigen Schmelzmischung mittels eines Lasers ist zur Herstellung von lokalen Rückseitenkontakten bereits bekannt und beispielsweise in DE 100 46 170 A1 und E. Schneiderlöchner, R. Preu, R. Lüdemann, and S. W. Glunz,„Laser-fired rear contacts for crystalline Silicon solar cells," Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 10, pp. 29-34, 2002 und S. W. Glunz, E. Schneiderlöchner, D. Kray, A. Grohe, H. Kampwerth, R. Preu, and G. Willeke,„Laser-fired contact solar cells on p- and n-type Substrates," in Procee- dings of the 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Paris, France), pp. 408-41 1 , 2004 beschrieben. Bei der vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit lokaler Erwärmung und lokalem Aufschmelzen des Silizium Substrates mittels eines Lasers und Bereitstellung des Dotierstoffes in einem Flüssigkeitsstrahl werden vorzugsweise folgende Lasertypen und Laserparameter verwendet:
Die Fluenz von Laserpulsen liegt vorzugsweise im Bereich 0, 1 bis 2 J/cm2. Die Laserchemische Prozessierung erfolgt vorzugsweise mittels eines Faserlasers und vorzugsweise folgenden Laserparametern und Prozessparametern:
Laserparameter: Wellenlänge 532 nm, Pulsdauer 1 bis 100 ns.
Prozessparameter: als P-Typ Dotiermedium wird flüssiges Natriumborhydrid (Na BH4) und als N-Typ Dotiermedium wird flüssige Phosphorsäure (H3P04) mit dem Druck von 50 bis 400 Bar verwendet. Die Durchmesser von dem Flüssigkeitsstrahl liegen vorzugsweise im Bereich von 30 bis zum 100 pm.
Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt C die Emitterschicht zunächst ganzflächig aufgebracht und anschließend wird die Emitterschicht mittels Plasmaätzung oder nasschemischen Verfahren, wie KOH-Ätzen, durch eine vorher aufgebrachte und strukturierte Maskierungsschicht an den Basiskontaktierungsbereichen wieder entfernt. Insbesondere zum Entfernen von Schichten mittels Plasmaätzung stehen industriell einsetzbare Vorrichtungen und Prozessparameter zur Verfügung, so dass auf eingefahrene Prozesse zurückgegriffen werden kann.
Vorzugsweise wird hierbei beim Entfernen der Emitterschicht mittels Plasmaätzung die Emitterkontaktierungsschicht als Ätzmaske verwendet. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform wird somit die Emitterschicht zunächst ganzflächig aufgebracht, anschließend erfolgt ein Aufbringen der Emitterkontaktierungsschicht, welche vorzugsweise als metallische Schicht ausgebildet ist und derart aufgebracht wird, dass an den Basiskontaktierungsbereichen die Emitterschicht nicht von der Emitterkontaktierungsschicht bedeckt ist. Da mittels Plasmaätzung die Emitterschicht, nicht jedoch die Emitterkontaktierungsschicht angegriffen wird, kann somit in einfacher Weise die Emitterkontaktierungsschicht als Ätzmaske verwendet werden. Insbesondere ist hierbei keine nachträgliche Entfer- nung der Ätzmaske notwendig, da die Emitterkontaktierungsschicht auf der Solarzelle verbleibt.
Das Aufbringen der Emitterkontaktierungsschicht kann hierbei bereits unter Aussparung der Basiskontaktierungsbereiche erfolgen, beispielsweise durch Druckverfahren, insbesondere Siebdruckverfahren. Eine höhere Genauigkeit wird jedoch erzielt, wenn auch die Emitterkontaktierungsschicht zunächst ganzflächig aufgebracht wird und anschließend lokal mittels eines Maskierungsprozesses entfernt wird oder lokal mittels Laserablation entfernt wird.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird in Verfahrensschritt C die Emitterkontaktierungsschicht zunächst ganzflächig aufgebracht und anschließend lokal an den Basiskontaktierungsbereichen mittels Laserablation entfernt. Hierbei werden vorzugsweise folgende Lasertypen und Laserparameter verwendet: Die Pulsenergie liegt vorzugsweise im Bereich 100 bis 200 μϋ, die Wellenlänge liegt vorzugsweise im UV-Bereich (insbesondere etwa 355 nm), die Pulsdauer liegt vorzugsweise im Bereich 1 ns bis 100 ns.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Verfahrensschritt C die Emitterkontaktierungsschicht ganzflächig aufgebracht und mittels folgender Verfahrensschritte an den Basiskontaktierungsbereichen anschließend entfernt:
- ganzflächiges Aufbringen einer Ätz-Maskierungsschicht auf die Emitterkontaktierungsschicht, insbesondere die Abscheidung einer Siliziumdioxidschicht mittels PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition),
- lokales Entfernen der Maskierungsschicht an den Basiskontaktierungsbereichen, vorzugsweise mittels Laserablation und
- Entfernen der Emitterkontaktierungsschicht an den Basiskontaktierungsbereichen mittels Ätzen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die Ätz-Maskierungsschicht sehr genau die Positionierung der Basiskontaktierungsbereiche vorgebbar ist. Vorzugsweise erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Verfahrensschritt G die Verstärkung der Basiskontaktierungsstruktur galvanisch. Diese an sich bekannte Methode zur Verstärkung einer metallischen Struktur weist den Vorteil auf, dass eine automatische Positionierung der Verstärkung erfolgt und somit keinerlei Maskierungsschritte notwendig sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Verstärkung mittels Silber-Galvanik und/oder Kupfer-Galvanik vorzunehmen, wie beispielsweise in Jiun-Hua Guo, Jeffrey E. Cotter„Metallization improvement on fabrication of interdigitated backside and double sided buried contact solar cells,, Solar Energy Materials & Solar Cells 86, pp. 485-498, 2005 beschrieben.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Verfahrensschritt B die Emitterschicht ganzflächig aufgebracht und/oder die Emitterkontaktie- rungsschicht wird die Emitterschicht vollständig bedeckend aufgebracht.
Die Emitterkontaktierungsschicht und/oder die Basiskontaktierungsschicht werden vorteilhafterweise als metallische Schichten oder als Metall enthaltende Schichten ausgebildet. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass diese Schichten aus einer Schicht oder aus einem mehrere Schichten umfassenden Schichtsystem bestehen. I nsbesondere die Ausbildung einer oder beider dieser Schichten als transparentes, leitfähiges Material ist vorteilhaft, um zusätzlich einen effektiven optischen Rückseitenspiegel zu erhalten.
Die Dotierkonzentration der Basishochdotierung im Basiskontaktierungsbereich ist vorzugsweise größer als 1 x1018 cm"3. I nsbesondere liegt die Dotierkonzentration vorzugsweise zwischen 1 x1 018 cm'3 und 1 x1 020 cm'3, bevorzugt zwischen 5 x 1018 cm'3 und 5 x1 019 cm"3.
Vorzugsweise weist die Basishochdotierung einen Schichtwiderstand im Bereich zwischen 1 Ω/α und 200 Ω/D, vorzugsweise zwischen 5 Ω/α und 50 Ω/α auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise eine Vielzahl von Basiskontaktierungsbereichen erzeugt, wobei der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Basiskontaktierungsbereichen vorzugsweise zwischen 20 pm und 2000 pm, bevorzugt zwischen 500 pm und 1500 pm beträgt. Hierdurch ist ge- währleistet, dass nur geringe Verluste aufgrund des Querleitungswiderstands für Majoritäten in dem Halbleitesubstrat entstehen.
Die Ausgestaltung der Basiskontaktierungsbereiche und damit ebenso der Ba- sishochdotierungsbereiche und der Basiskontaktierungsschicht kann in an sich bekannter Weise erfolgen. So liegt die Ausgestaltung als linienförmige Kontak- tierungsbereiche insbesondere zur Ausbildung eines bei Rückseitenkontaktso- larzellen bekannten , so genannten„interdigitated" Kontaktierungsschema vorteilhaft, bei dem sowohl Basis- als auch Emitterkontaktierungsschicht als kammartige Strukturen ausgebildet sind, die ineinander verschränkt sind .
Ebenso liegt die Ausbildung als punktartiger Basiskontaktierungsbereich im Rahmen der Erfindung . Wobei vorzugsweise eine Vielzahl von pu n ktartigen Ba- siskontaktierungsbereichen ausgebildet werden, die jeweils eine Fläche zwischen 25 [i m2 und 1 mm2, vorzugsweise zwischen 1 000 [im2 und 0, 25 mm2 aufweisen . H ierdurch wird eine Optimierung zwischen Verluste aufgrund von Rekom bination an den Kontaktbereichen einerseits und Verlusten aufgrund des Kontaktwiderstands andererseits erzielt.
Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vielzah l von Basiskontaktierungsbereichen ausgebildet, wobei die Basiskontaktierungsbereiche linienartig ausgebildet sind und eine Linienbreite zwischen 1 0 [im und 1 000 μηι , vorzugsweise zwischen 20 [im und 500 \im , insbesondere zwischen 50 μιτι und 200 [im aufweisen.
Die Emitterschicht wird vorzugsweise aus amorphem Silizium (a-Si) oder mikrokristallinem Silizium (μ-Si) oder aus einer amorphen Mischung , welche Silizium enthält, vorzugsweise amorphes Sizil iumkarbid (a-SiC) ausgebildet.
Die Isolierungsschicht ist elektrisch isol ierend ausgebildet. Vorzugsweise weist die I solierungsschicht zusätzlich passivierende Eigenschaften auf, d . h . sie verringert die Rekom binationsrate der Minoritätsladungsträger an den durch die Isolierungsschicht bedeckten Oberflächen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eig net sich insbesondere zur Herstellung rückseitenkontaktierter Solarzellen , bei denen die der Emitterseite gegenüber- liegende Seite des Silizium-Halbleitersubstrates zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung ausgebildet ist.
Das Halbleitersubstrat ist vorteilhafterweise als n-dotierter Siliziumwafer mit einer in etwa homogenen Dotierung mit einer Dotierkonzentration im Bereich 4 x 1014 cm"3 bis 1 x 1016 cm'3 ausgebildet.
Das Aufbringen der genannten Schichten kann in an sich bekannter Weise erfolgen. Insbesondere ist das Aufbringen durch Verfahren der chemischen Dam- pfabscheidung, CVD (Chemical Vapour Deposition), wie beispielsweise PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) oder und ALD (Atomic Layer Deposition) oder durch PVD (Physical Vapour Deposition) wie beispielsweise durch Sputtern, vorteilhaft. Hierzu existieren bereits industriell einsetzbare Vorrichtungen und Prozessparameter.
Weitere Merkmale und vorzugsweise Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur 1 erläutert. Dabei zeigt Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei jeweils ein Teilschnittbild senkrecht zur Emitterseite dargestellt ist.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer einseitig kontaktierbaren Solarzelle aus einem Silizium-Halbleitersubstrat (1 ) mit einer Emitterseite 1 a. Es ist in Figur 1 jeweils ein Teilausschnitt senkrecht zur Emitterseite 1 a dargestellt. Die Solarzelle setzt sich nach rechts und links fort.
Die der Emitterseite 1 a gegenüberliegende Vorderseite des Halbleitersubstrates 1 ist die lichtzugewandte Seite der herzustellenden Solarzelle. An dieser Seite werden übliche Strukturen und Schichten zur Rekombinationsverringerung und Erhöhung des Lichteinfalls aufgebracht. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine ganzflächige n++-Dotierung zur Verringerung der Rekombination ausgebildet, ein so genanntes„Front Surface Field".
Die Reinigung der Emitterseite 1 a wird in einem Verfahrensschritt A als an sich bekannte RCA-Reinigung durchgeführt, wie in W. Kern, D. Puotinen: Cleaning Solutions Based on Hydrogen Peroxide for Use in Silicon Semiconductor Technology. In: RCA Review 187 (Juni 1970) beschrieben und umfasst vorzugsweise folgende Schritte:
Reinigung mit Ammoniumhydroxid, Wasserstoffperoxid, Dl-Wasser, im Verhältnis 1 : 1 :5 bis 1 :2:7, dann
- Reinigung mit Salzsäure, Wasserstoffperoxid, Dl-Wasser, im Verhältnis 1 : 1 :6 bis 1 :2:8.
Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt B die Abscheidung einer Emitterschicht 2. Die Emitterschicht 2 ist als Schichtstruktur ausgebildet, umfassend eine Schicht aus intrinsischem , amorphem Silizium (i-a Si) mit einer Dicke im Bereich von 3 nm bis 5 nm und einer Schicht aus p-dotiertem amorphen Silizium (p-a Si) mit einer Dicke von 1 0 nm.
In einem Verfahrensschritt C 1 erfolgt das Aufbringen einer querleitfähigen Emit- terkontaktierungsschicht 3, welche als Metallschicht aus Aluminium und/oder Titan und/oder Palladium und/oder Silber und/oder Nickel ausgebildet ist und mittels Aufdampfen aufgebracht wird. Die Emitterkontaktierungsschicht 3 weist eine Dicke von 2 μιη auf.
In einem Verfahrensschritt C2 wird an einer Vielzahl von Basiskontaktierungsbe- reichen, von denen in Figur 1 lediglich ein Basiskontaktierungsbereich 4a dargestellt ist, die Emitterkontaktierungsschicht 3 mittels Laserablation entfernt.
Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt C3 mittels Plasmaätzen oder nasschemischen Verfahren, wie KOH-Ätzen, durch eine vorher aufgebrachte und strukturierte Maskierungsschicht die Entfernung der Emitterschicht 2 an dem Basiskontaktierungsbereich 4a, wobei die Emitterkontaktierungsschicht 3 als Ätzmaske dient.
In einem Verfahrensschritt D wird eine Isolierungsschicht 5 aufgebracht. Diese Isolierungsschicht ist als Aluminiumoxidschicht und/oder Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Siliciumcarbid ausgebildet und weist eine Dicke im Bereich von mehreren nm bis mehreren μητι, vorzugsweise von 200 nm auf und wird mittels ALD oder PECVD aufgebracht. Die Isolierungsschicht 5 wird ganzflächig aufgebracht und bedeckt somit insbesondere den Basiskontaktierungsbe- reich 4a an der Emitterseite 1 a des Halbleitesubstrats 1 und die dem Basiskon- taktierungsbereich 4a zugewandten Stirnseite 5a von Emitterschicht 2 und Emit- terkontaktierungsschicht 3. Hierdurch ist eine elektrische Isolierung zwischen Emitter- und Basiskontaktierung gewährleistet sowie eine elektrische Passivierung und damit Verringerung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit insbesondere an dem Basiskontaktierungsbereich 4a der Emitterseite 1 a des Halbleitersubstrates 1 .
I n einem Verfahrensschritt E erfolgt mittels der LCP-Methode sowohl das Öffnen der Isolierungsschicht 5 sowie das Eintreiben eines Dotierstoffes (in diesem Fall Phosphor) an einem Basishochdotierungsbereich 4b, welcher ein Teilbereich des Basiskontaktierungsbereichs 4a ist.
Die Laserchemische Prozessierung erfolgt mittels eines Faserlasers und folgenden Laserparametern und Prozessparametern:
- Laser Parametern: Wellenlänge 532 nm , Pulsdauer 1 bis 100 ns, Fluenz 0, 1 bis 2 J/cm2.
- Prozessparameter: als P-Typ Dotiermedium wird flüssiges Natriumborhydrid (NaBH4) oder als N-Typ Dotiermedium wird flüssige Phosphorsäure ( H 3PO4) mit dem Druck von 50 bis 400 Bar verwendet. Die Durchmesser von dem Flüssigkeitsstrahl liegt im Bereich von 30 bis zum
100 μητι.
Es ergibt sich durch die LCP-Methode somit einerseits die Entfernung der Isol- lierungsschicht 5 sowie die Ausbildung eines Hochdotierungsbereichs (ein so genanntes Back Surface Field, BSF) 6 an dem Basishochdotierungsbereich 4b in dem Halbleitersubstrat 1 . Der Hochdotierungsbereich 6 weist an der Emitterseite 1 a des Halbleitersubstrates eine Dotierung mit Schichtwiderstand von etwa 10 bis 50 Ω/cm2 auf, bei einer Breite von 30 pm bis zu 1 00 pm und einer Tiefe von 0,5 pm bis zum 1 ,5 prn. In einem Verfahrensschritt F wird mittels des an sich bekannten Nickelgalvanik- Verfahrens eine Basiskontaktierungsstruktur 7 erzeugt. Dies erfolgt in bekannter Weise als Stromlose Nickelgalvanik. In einem Verfahrensschritt G erfolgt die Verstärkung der Basiskontaktierungsstruktur 7 durch galvanische Verstärkung. Dabei werden die Solarzellen kontaktiert und in einem Galvanikbad eingetaucht. Durch Anlegen einer Stromquelle wird die Spannung so eingestellt, dass die Metall-Ionen aus dem Bad an die Metallkontakte der zu galvanisierenden Oberfläche angezogen werden.
Die Emitterkontaktierungsstrukturen werden in an sich bekannter Weise erzeugt, indem Metallschichten aufgedampft oder gesputtert werden.

Claims

Ansprüche Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierbaren Solarzelle aus einem Silizium-Halbleitersubstrat (1 ) eines ersten Dotierungstyps, folgende Verfahrensschritte umfassend:
A Oberflächenreinigung zumindest einer für die Aufbringung einer E- mitterschicht (2) vorgesehenen Emitterseite (1 a) des Halbleitersubstrates,
B Aufbringen einer Emitterschicht (2) eines zweiten, zum ersten entgegengesetzten Dotierungstyps auf die Emitterseite (1 a) des Halbleitersubstrates und/oder auf eine oder mehrere die Emitterseite (1 a) bedeckende Zwischenschichten,
zur Ausbildung eines pn-Übergangs zwischen Emitterschicht (2) und Halbleitersubstrat (1 ),
C Aufbringen einer querleitfähigen Emitterkontaktierungsschicht (3), welche die Emitterschicht (2) und/oder weitere die Emitterschicht (2) bedeckende Zwischenschichten zumindest teilweise überdeckt, wobei Emitterschicht (2) und Emitterkontaktierungsschicht (3) elektrisch leitend verbunden sind und eine Mehrzahl von Basiskontaktie- rungsbereichen der Emitterseite (1 a) des Halbleitersubstrates nicht bedecken und/oder an einer Mehrzahl von Basiskontaktierungsbe- reichen wieder entfernt werden, dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren folgende weitere Verfahrensschritte umfasst:
D Aufbringen einer Isolierungsschicht (5) zumindest an den Basiskon- taktierungsbereichen auf die Emitterseite (1 a) des Halbleitersubstrates und auf die die Basiskontaktierungsbereiche umgebenden Oberflächenbereiche der Emitterschicht
(2) und/oder der Emitterkontaktierungsschicht
(3), E Öffnen der an einer Mehrzahl von Basishochdotierungsbereichen, wobei jeder Basishochdotierungsbereich (4b) ein Teilbereich eines Basiskontaktierungsbereiches ist und lokales Eintreiben eines Dotierstoffes des ersten Dotierungstyps an den Basishochdotierungsbereichen, wobei das lokale Eintreiben des Dotierstoffes durch lokales Erhitzen zumindest des Halbleitersubstrates an den Basishochdotierungsbereichen erfolgt,
F Aufbringen einer oder mehrere Basiskontaktierungsstrukturen mittels eines elektrochemischen Verfahrens, wobei die Basiskontaktie- rungsstruktur zumindest einen Basishochdotierungsbereich (4b) zumindest teilweise bedeckend und mit dem Halbleitersubstrat (1 ) e- lektrisch leitend verbunden ausgebildet wird,
G Verstärkung der Basiskontaktierungsstruktur, und dass in den auf Verfahrensschritt B folgenden Verfahrensschritten keine globale Erwärmung der Emitterschicht (2) auf mehr als 250°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt E das lokale Eintreiben des Dotierstoffes mittels eines in einen Flüssigkeitsstrahl eingekoppelten Lasers (LCP) erfolgt, wobei der Flüssigkeitsstrahl den Dotierstoff enthält und eine lokale Erwärmung des Halbleitersubstrates am Basishochdotierungsbereich (4b) mittels des Lasers erfolgt, zum Eintreiben des Dotierstoffes.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt E das lokale Eintreiben des Dotierstoffes dadurch erfolgt, dass das Halbleitersubstrat (1 ) in eine den Dotierstoff enthaltende Flüssigkeit getaucht wird und eine lokale Erwärmung des Halbleitersubstrates am Basishochdotierungsbereich (4b) mittels eines Lasers erfolgt, zum Eintreiben des Dotierstoffes.
4. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt E das lokale Eintreiben des Dotierstoffes dadurch erfolgt, dass eine den Dotierstoff enthaltende Dotierschicht zumindest auf den Basishochdotierungsbereich (4b) aufgebracht wird, mittels lokaler Erwärmung durch einen Laser der Dotierstoff eingetrieben wird und vorzugsweise die Dotierschicht wieder entfernt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt C die Emitterschicht (2) zunächst ganzflächig aufgebracht wird,
und dass die Emitterschicht (2) mittels Plasmaätzung oder mittels nasschemischen KOH-Ätzen an den Basiskontaktierungsbereichen entfernt wird,
vorzugsweise, dass beim Entfernen der Emitterschicht (2) mittels Plasmaätzung die Emitterkontaktierungsschicht (3) als Ätzmaske verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt B die Emitterkontaktierungsschicht (3) ganzflächig aufgebracht wird und mittels Laserablation an den Basiskontaktierungsbereichen entfernt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt B die Emitterkontaktierungsschicht (3) ganzflächig aufgebracht wird und folgende Verfahrensschritte umfassend an den Basiskontaktierungsbereichen entfernt wird:
- ganzflächiges Aufbringen einer Ätz-Maskierungsschicht auf die Emitterkontaktierungsschicht (3), - lokales Entfernen der Maskierungsschicht an den Basiskontaktierungs- bereichen, vorzugsweise mittels Laserablation und
- Entfernen der Emitterkontaktierungsschicht (3) an den Basiskontaktie- rungsbereichen mittels Ätzen.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt F die Erzeugung der Basiskontaktierungsstruk- tur (7) galvanisch erfolgt, insbesondere mittels Nickelgalvanik.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt B die Emitterschicht (2) ganzflächig aufgebracht wird und/oder die Emitterkontaktierungsschicht (3) die Emitterschicht (2) vollständig bedeckend aufgebracht wird.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass Emitterkontaktierungsschicht (3) und/oder Basiskontaktierungs- schicht als metallische Schichten oder als Metall enthaltende Schichten ausgebildet werden und/oder eine oder mehrere Schichten umfassen, welche transparentes, leitfähiges Material enthalten.
1 1 . Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Dotierkonzentration der Basishochdotierung im Basiskontaktie- rungsbereich (4a) zumindest im Bereich der Oberfläche des Halbleitersubstrates zwischen 1 x1 018 cm"3 und 1 x1 020 cm"3, vorzugsweise zwischen 5x1 018 cm"3 und 5x1019 cm"3 beträgt.
1 2. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Basishochdotierung einen Schichtwiderstand im Bereich zwischen 1 Ω/D und 200 Ω/α, vorzugsweise zwischen 10 Ω/D und 1 00 Ω/α aufweist.
1 3. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Vielzahl von Basiskontaktierungsbereichen ausgebildet werden, wobei der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Basiskontaktierungsbereichen zwischen 20 μητι und 2000 m , vorzugsweise zwischen 500 μιη und 1500 μηι beträgt.
14. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Vielzahl von Basiskontaktierungsbereichen ausgebildet werden, wobei die Basiskontaktierungsbereiche jeweils eine Fläche zwischen 25 μηι2 und 1 mm2, vorzugsweise zwischen 1000 m2 und 0,25 mm2 aufweisen, vorzugsweise, dass die Basiskontaktierungsbereiche etwa punktförmig ausgebildet sind.
1 5. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 1 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Vielzahl von Basiskontaktierungsbereichen ausgebildet werden, wobei die Basiskontaktierungsbereiche linenartig ausgebildet sind und eine Linienbreite zwischen 1 0 μιτι und 1000 μιη, vorzugsweise zwischen 20 μπι und 500 μιη, insbesondere zwischen 50 μιτι und 200 μηη aufweisen.
16. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Emitterschicht (2) aus amorphem Silizium (a-Si) oder mikrokristallinem Silizium (μ-Si) oder aus einer amorphen Mischung, welche Silizium enthält, vorzugsweise amorphes Siziliumkarbid (a-SiC) ausgebildet wird.
17. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Isolierungsschicht (5) zumindest die Emitterseite ( 1 a) des Halb- leitersubstrates an den Basiskontaktierungsbereichen und die den Basiskontaktierungsbereichen zugewandten Stirnseiten von Emitterschicht (2) und Emitterkontaktierungsschicht (3) bedeckt.
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