WO2012095222A1 - Verfahren zur herstellung einer solarzelle - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a solar cell, comprising an emitter region generated by means of a first doping in the entire substrate surface of a semiconductor substrate, including edges, and a base contact region generated by overcompensating second doping, and an electrical separation trench penetrating the depth of the emitter region Separating the emitter region of the base contact region has.
- FIG. 1 illustrates this principle on the basis of a Si wafer 11, in its entire surface-that is to say both the front side exposed later to sunlight S and the opposite rear side and the edge region-by diffusion of a suitable dopant into n + emitter region 12 was diffused and the front side contacts 14a and 14b has a rear side contact.
- Another common method is the plasma edge etching process.
- the edges of the Si wafer are etched away by plasma etching after the phosphorus diffusion, thus electrically insulating the front side (i.e., emitter side) and back side (i.e., base side).
- Another method is to apply a silicon etching paste. This is, similar to the laser process, led around the base contacts to be isolated; see. O. Doli et al., 24th EUPVSEC Hamburg, Germany, 2001. The plasma etching process and the isolation by etching paste also cause damage in the silicon and thus loss of efficiency. Another method is to etch back the emitter wet-chemically in the areas of the base contacts. The wet-chemical re-etching of the base contact areas causes only little damage (AA Mewe et al., 24th
- the invention provides a method having the features of claim 1.
- Advantageous developments of the inventive concept are the subject of the dependent claims.
- a mask layer is patterned by means of a laser-assisted local ablation to pre-sketch the separation trench. Subsequently, with the structured mask, the separation trench is etched into the emitter area surface.
- the invention includes a method which, by the addition of only a single process step in comparison to the laser insulation allows a well insulating and very low-damage isolation of the base and emitter regions of a solar cell. This leads to a significant reduction in efficiency losses, especially in future solar cell concepts such.
- the additional process step consists of immersing the wafers in a silicon etch such. As a potassium hydroxide solution, and is very well established in the solar cell industry and easy to introduce.
- the semiconductor substrate is a semiconductor wafer, in particular silicon wafer, wherein the or a base contact region is formed in the back surface of the wafer and the or a trench adjacent to and along the circumference thereof is formed.
- a plurality of emitter regions is formed in the same surface of the semiconductor substrate as the base contact region. In this surface, a plurality of separation trenches is etched.
- a dopant layer used or formed in the first doping is used as the mask layer.
- a phosphorus glass layer formed as a first doping in the case of phosphorus doping serves as dopant layer.
- the etching of the separating trench is carried out by means of a wet-chemical etching process, for example with KOH etching solution.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the FIG. 1
- FIGS. 2A to 2C are schematic diagrams illustrating an embodiment of the inventive method.
- 2A to 2C show schematically (in the manner of a cross-sectional view) essential steps of forming an electrical separation between emitter and base regions in the edge region of a silicon wafer 21 for producing a solar cell.
- the silicon wafer is exposed to an all-around (symbolized by wavy arrows) phosphorus diffusion P to produce a pn junction in the Si material.
- a phosphorus glass (PSG) layer 23 covering the entire surface of the wafer 21, including the edge portions, is formed (FIG. 2A).
- PSG phosphorus glass
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle die einen mittels einer ersten Dotierung in der gesamten Substratoberfläche eines Halbleitersubstrats, insbesondere einschließlich Kanten, erzeugten Emitterbereich und einen durch über-kompensierende zweite Dotierung erzeugten Basis-Kontaktbereich sowie einen die Tiefe des Emitterbereiches durchdringenden Trenngraben zur elektrischen Trennung des Emitterbereiches von dem Basis-Kontaktbereich aufweist, wobei zur Bildung des Trenngrabens eine Maskenschicht mittels eines lasergestützten lokalen Abtragens zur Vorzeichnung des Trenngrabens strukturiert und mit der strukturierten Maske der Trenngraben in die Emitterbereichs-Oberfläche eingeätzt wird.
Description
Beschreibung Titel
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, die einen mittels einer ersten Dotierung in der gesamten Substratoberfläche eines Halbleitersubstrats, einschließlich Kanten, erzeugten Emitterbereich und einen durch über-kompensierende zweite Dotierung erzeugten Basis-Kontaktbereich sowie einen die Tiefe des Emitterbereiches durchdringenden Trenngraben zur elektrischen Trennung des Emitterbereiches von dem Basis-Kontaktbereich aufweist.
Stand der Technik Der pn-Übergang heutiger Industriesolarzellen wird größtenteils durch eine allseitige Diffusion von Phosphor hergestellt. Die Basiskontaktierung erfolgt dann durch das Aufbringen von aluminiumhaltigen Schichten, welche nach einer
Temperaturbehandlung den Emitter durch Aluminiumdotierung überkompensieren. An den Rändern dieser aluminiumhaltigen Kontaktschichten entstehen jedoch Kurzschlüsse zwischen Emitter und Basis mit einem so niedrigen elektrischen Widerstand (Shunt-Widerstand), dass die Effizienz der Solarzelle stark eingeschränkt wird.
Um diese Kurzschlüsse zu verhindern wurden verschiedene Techniken entwickelt; vgl. A. Hauser et al., 17th EUPVSEC Munich, Germany, 2001.
Die am häufigsten verwendete Technik ist eine Durchtrennung des Emitters mit Hilfe eines Lasers. Dieser Lasergraben wird um alle Basiskontakte herumgeführt und kann bei richtiger Prozessführung den Shunt-Widerstand so stark erhöhen, dass keine kurzschlussbedingten Zelleffizienzverluste mehr entstehen.
Fig. 1 verdeutlicht dieses Prinzip anhand eines Si-Wafers 11, in dessen gesamte Oberfläche - also sowohl die später dem Sonnenlicht S ausgesetzte Vorderseite als auch die gegenüberliegende Rückseite und den Kantenbereich - durch Ei n- diffusion eines geeigneten Dotierstoffes ein n+-Emitterbereich 12 eindiffundiert wurde und der Vorderseitenkontakte 14a und einen Rückseitenkontakt 14b aufweist. Auf der linken Seite der Figur ist gezeigt, wie sich zwischen dem linken Vorderseitenkontakt 14a und dem Rückseitenkontakt 14b in der Emitterschicht 12 ein Stromflussweg für die durch den photoelektrischen Effekt auf der Vorderseite erzeugten Elektroden und somit ein schädlicher kleiner Reihenwiderstand im sogenannten Zwei-Dioden-Modell der Solarzelle ausbildet. Auf der rechten Seite der Figur ist dargestellt, dass durch einen Trenngraben 16, der sowohl in eine die Vorderseite bedeckende Si-N-Schicht 13 als auch durch die Emitterschicht 12 mittels Laserstrahlung geschnitten ist, dieser Stromflussweg unterbrochen und damit dessen schädlicher Effekt beseitigt wird. Durch das Einbrennen des Isolationsgrabens durch den Laser werden massive Schädigungen in das Silizium-Material eingebracht. Diese sorgen für eine starke Rekombination von Ladungsträgern vor allem in der Raumladungszone des Emitters. Dies wiederum führt zu Verlusten beim Füllfaktor und der offenen Klemmspannung der Solarzelle und somit schließlich zu Effizienzverlusten.
Eine weitere verbreitete Methode ist das Plasma-Kantenätzverfahren. Bei diesem werden durch ein Plasmaätzverfahren die Ränder des Si-Wafers nach der Phosphordiffusion abgeätzt und so Vorderseite (d. h. Emitterseite) und Rückseite (d. h. Basisseite) elektrisch isoliert.
Eine weitere Methode besteht im Auftragen einer Silizium ätzenden Paste. Diese wird, ähnlich dem Laserverfahren, um die zu isolierenden Basiskontakte herumgeführt; vgl. O. Doli et al., 24th EUPVSEC Hamburg, Germany, 2001. Auch das Plasmaätzverfahren und die Isolation durch Ätzpaste verursachen Schädigungen im Silizium und somit Effizienzverluste.
Eine weitere Methode besteht darin, den Emitter in den Bereichen der Basiskontakte nasschemisch zurückzuätzen. Das nasschemische Rückätzen der Basiskontaktbereiche verursacht nur wenig Schädigungen (A. A. Mewe et al., 24th
EUPVSEC Hamburg, Germany, 2009), ist aber mit aufwendigen Verfahren verbunden, da eine Ätzmaske auf den Si-Wafer gebracht und strukturiert werden muss.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird zur Bildung des Trenngrabens eine Maskenschicht mittels eines lasergestützten lokalen Abtragens zur Vorzeichnung des Trenngrabens strukturiert. Anschließend wird mit der strukturierten Maske der Trenngraben in die Emitterbereichs-Oberfläche eingeätzt.
Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren, welches durch die Hinzunahme nur eines einzigen Prozessschrittes im Vergleich zur Laserisolation eine gut isolierende und sehr schädigungsarme Isolation von Basis und Emitterbereichen einer Solarzelle erlaubt. Dies führt zu einer deutlichen Reduktion der Effizienzverluste insbesondere in zukünftigen Solarzellkonzepten wie z. B. dem MWT- Konzept. Der zusätzliche Prozessschritt besteht aus dem Eintauchen der Wafer in eine Siliziumätze, wie z. B. eine Kaliumhydroxid-Lösung, und ist in der Solarzellindustrie sehr etabliert und leicht einzuführen.
In einer Ausführung der Erfindung ist das Halbleitersubstrat ein Halbleiter-Wafer, insbesondere Silizium-Wafer, wobei der oder ein Basis-Kontaktbereich in der in der rückseitigen Oberfläche des Wafers gebildet ist und der oder ein Trenngraben benachbart zu und längs dessen Umfang gebildet wird.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist eine Mehrzahl von Emitterbereichen in der gleichen Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet ist wie der Basis-Kontaktbereich. In diese Oberfläche wird eine Mehrzahl von Trenngräben eingeätzt. In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird als Maskenschicht eine bei der ersten Dotierung eingesetzte oder gebildete Dotierstoffschicht benutzt. Insbesondere dient als Dotierstoffschicht eine bei einer Phosphordotierung als erste Dotierung gebildete Phosphorglasschicht. Grundsätzlich können aber auch andere an sich bekannte Dotierstoffschichten oder bei Dotierprozessen zwangsläufig ausgebildete (beispielsweise oxidische) Schichten als Maskenschicht beim vorgeschlagenen Verfahren benutzt werden. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, eine später aufgebrachte Ätzmaske zu nutzen und diese durch Laserablation zu strukturieren um anschließend den Emitter lokal zurückzuätzen. In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird das Einätzen des Trenngrabens mittels eines nasschemischen Ätzverfahrens, beispielsweise mit KOH-Ätzlösung, durchgeführt.
Zeichnungen
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von diesen zeigen: Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung des
Trenngraben-Prinzips einer elektrischen Trennung von Emitter- und Basisbereichen einer Solarzelle und
Fig. 2A bis 2C Prinzipskizzen zur Illustration einer Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 2A bis 2C zeigen schematisch (in Art einer Querschnittsdarstellung) wesentliche Schritte der Ausbildung einer elektrischen Trennung zwischen Emitter- und Basisbereichen im Kantenbereich eines Siliziumwafers 21 zur Herstellung einer Solarzelle. Zunächst wird der Siliziumwafer einer allseitigen (durch gewellte Pfeile symbolisierten) Phosphor-Diffusion P zur Erzeugung eines pn-Überganges im Si-Material ausgesetzt. Hierbei bildet sich eine die gesamte Oberfläche des Wafers 21, einschließlich der Kantenbereiche, bedeckende Phosphorglas(PSG)- Schicht 23 (Fig. 2A). Dann wird nahe den Wafer-Kanten durch ein positionsgesteuertes Abtragverfahren mittels Laserstrahlung L in der PSG-Schicht 23 eine die PSG-Schicht vollständig durchsetzende Spur 25 gezeichnet, so dass eine strukturierte Ätzmaske 27 entsteht (Fig. 2B). Schließlich wird in einem Ätzbad E, beispielsweise auf KOH-Basis, unter Nutzung der strukturierten Ätzmaske 27 längs der vorgezeichneten Spur 25 ein Trenngraben 29 geätzt.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, die einen mittels einer ersten Dotierung in der gesamten Substratoberfläche eines Halbleitersubstrats (11;21), insbesondere einschließlich Kanten, erzeugten Emitterbereich (12) und einen durch über-kompensierende zweite Dotierung erzeugten Basis- Kontaktbereich (14b) sowie einen die Tiefe des Emitterbereiches durchdringenden Trenngraben (16;29) zur elektrischen Trennung des Emitterbereiches von dem Basis-Kontaktbereich aufweist,
wobei zur Bildung des Trenngrabens eine Maskenschicht (23) mittels eines lasergestützten lokalen Abtragens zur Vorzeichnung (25) des Trenngrabens strukturiert und mit der strukturierten Maske (27) der Trenngraben (29) in die Emitterbereichs-Oberfläche eingeätzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Halbleitersubstrat ein Halbleiter-Wafer (11;21), insbesondere Silizium-Wafer ist, der oder ein Basis-Kontaktbereich in der in der rückseitigen Oberfläche des Wafers gebildet ist und der oder ein Trenngraben (29) benachbart zu und längs dessen Umfang gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei eine Mehrzahl von Emitterbereichen in der gleichen Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet ist wie der Basis-Kontaktbereich und in diese Oberfläche eine Mehrzahl von Trenngräben eingeätzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei als Maskenschicht (23) eine bei der ersten Dotierung eingesetzte oder gebildete Dotierstoffschicht benutzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
wobei als Dotierstoffschicht (23) eine bei einer Phosphordotierung (P) als erste Dotierung gebildete Phosphorglasschicht dient.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das Einätzen des Trenngrabens mittels eines nasschemischen Ätzverfahrens durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei das Ätzverfahren mit KOH-Ätzlösung (E) ausgeführt wird.
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