WO2013017526A2 - Verfahren zur herstellung einer solarzelle sowie solarzelle - Google Patents

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WO2013017526A2
WO2013017526A2 PCT/EP2012/064715 EP2012064715W WO2013017526A2 WO 2013017526 A2 WO2013017526 A2 WO 2013017526A2 EP 2012064715 W EP2012064715 W EP 2012064715W WO 2013017526 A2 WO2013017526 A2 WO 2013017526A2
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silicon
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Jens Dirk MOSCHNER
Yvonne GASSENBAUER
Agata Lachowicz
Markus Fiedler
Gabriele Blendin
Katharina Dressler
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Schott Solar Ag
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    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the invention relates to a solar cell, comprising a silicon substrate with the radiation-facing front, which is textured and has an n-doped region, a back having a p-doped region, along the back extending first dielectric layer, a substrate along facing away Side of the first dielectric layer extending second dielectric layer consisting of or containing a material selected from the group consisting of silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride and a side facing away from the substrate side of the second dielectric layer extending metal layer.
  • WO 2009/071561 A discloses a MWT (Metal Wrap-Through) PERC (Passivated Emitter Rear Cell), in which a first layer of an oxide such as aluminum oxide is applied to the rear side and a SiNx: H layer as the second layer.
  • MWT Metal Wrap-Through
  • PERC Passivated Emitter Rear Cell
  • DE 10 2010 017 155 A provides at least one dielectric layer on the back side of the substrate of the solar cell, which consists of aluminum oxide, aluminum nitride or aluminum oxynitride and a further element.
  • EP 1489667 A2 and EP 1763086 AI one obtains knowledge about the possibility of increasing the time until the recombination of the free charge carriers and thus the recombination rate and thus again the efficiency, in the side facing away from the light, a dielectric layer between the silicon substrate and the metallization is applied.
  • EP 1763086 A1 describes the use of a dielectric layer system consisting of Si0 2 and an SiN layer deposited thereon for electrical passivation of the solar cell rear side.
  • EP 1489667 A2 uses a compound comprising Al 2 O 3 and SiO 2 for the dielectric passivation of the solar cell backside.
  • DE 3815 512 A 1 discloses a solar cell comprising a doped semiconductor body containing an n + p junction, which is covered over its entire surface with a contact layer on the rear side. On the back of the semiconductor body, an oxide layer is additionally applied over the entire surface.
  • the concentration of a charge carrier type on the surface can also be greatly reduced due to their field effect. This also suppresses recombination (field effect passivation).
  • various dielectrics in contact with silicon form a surface charge, particularly silicon oxide (weak positive), silicon nitride (positive), and aluminum oxide (negative). Depending on the chosen deposition process, this charge may be formed after an annealing step.
  • the wafer surface In order to be able to passivate the surface, it is first necessary to remove the surface damage resulting from the production process of the wafer.
  • the wafer surface can be etched in an acidic or alkaline solution.
  • the etching solution can be adjusted to be polishing or roughening.
  • a particularly smoothly etched surface offers the advantage of a lower recombination, rough surfaces, however, prove to be advantageous for the solar cell front side, since the reflection is reduced.
  • the wafer backside can be provided with a protective layer before doping.
  • a layer is removed from the wafer backside, the thickness of which is slightly larger than the penetration depth of the dopant, ie typically between 0.5 and a few ⁇ .
  • A10 x is a good alternative, but it can not be economically deposited in layer thicknesses that would ensure a sufficient temperature stability. Due to the difficulties described, combinations of these materials appear to be very advantageous, often using SiO x or A10 x as the first layer and SiO x or SiN as the second layer.
  • WO 2006/097303 A1 describes that a sufficient quality of the surface passivation is achieved only when using very thick layers; Further, the formation of contacts by locally introducing holes into the layers and applying a conductive material to the back surface will be described. Only the front side of the wafer is textured.
  • DE 100 46 170 A describes a method for contact formation between the back metal layer and silicon, after the application of the metal layer and, if necessary, sintering with metal paste, wherein the designated contact region is locally e.g. is heated by laser radiation, so that the metal penetrates the dielectric layer and connects to the silicon.
  • the parasitic contacts are formed on sintering of a layer of metal on the back of the cell deposited on the passivi.
  • the avoidance of these loss mechanisms takes place according to the classical teaching by the following measures:
  • Polishing or blank etching the wafer backside by subjecting the wafer to a one-sided etch after a texture step or by masking the back side after a two-sided smooth etch and texturing only the front side,
  • the opening of the layer for forming local contacts can be done by the following techniques:
  • the present invention has the object, a method for producing a solar cell and a solar cell in such a way that the solar cells with consistently high efficiency can be reproducibly made with fewer process steps.
  • the back side of the substrate has a gloss value at 60 ° irradiation angle less than 80 GU (gloss units), in particular between 2 GU and 80 GU, preferably in the range between 20 GU and 80 GU and that the first dielectric layer contains fixed negative charges.
  • 80 GU gloss units
  • a combination of bilateral (substantially) symmetrical texture is provided (characteristic: roughness on the back remains) with deposition of the following layer sequence: ⁇ therm. Si0 2 (optional) ⁇ , Al 2 0 3 , SiN x or SiO x .
  • AlO does not avoid parasitic contact (unopened cells).
  • AlO improves rough surface efficiency compared to SiO x .
  • A10 x must be designed in such a way that no "blistering" occurs in combination with the subsequent processing.
  • the process is carried out in such a way that substantially no increased recombination occurs despite the increased surface area.
  • Roughness reducing etching of the entire back surface occurs exclusively after diffusion, regardless of whether the diffusion is performed on one or both sides.
  • the removal is as high as necessary to remove the diffused layer, so typically greater than 0.5 ⁇ , but less than, for example, 5 ⁇ . Due to the contained negative charges, the losses are minimized by parasitic contacts.
  • the layer structure also helps ensure that even on a rough surface as possible no parasitic contacts are formed.
  • Preferred process sequences are the following, where appropriate, process steps can be omitted, replaced or changed in order.
  • step D preferably removal of the phosphorus glass before or after step E.
  • a dielectric layer preferably silicon nitride
  • the first dielectric layer consists of a material or contains one of the group of aluminum oxide, doped silicon oxide.
  • the invention provides that the first dielectric layer has a layer thickness D 1 with 5 nm ⁇ Dl ⁇ 100 nm.
  • the second dielectric layer should preferably have a layer thickness D2 with 40 nm ⁇ D2 ⁇ 400 nm.
  • the invention proposes that between the first dielectric layer and the substrate extends a silicon oxide or silicon oxide containing layer having a thickness D3 preferably 1 nm ⁇ D3 ⁇ 10 nm.
  • the invention is in particular characterized by a method for producing a solar cell, comprising the method steps
  • a second dielectric layer of a material or a material comprising the group of silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride along the first dielectric layer Depositing a metal layer along the second dielectric layer.
  • the negatively charged layer is A10 x
  • ALD Atomic Laser Deposition
  • PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • Substrate temperature at SiN deposition preferably> 320 ° C.
  • the rear side of the substrate is textured.
  • a silicon oxide or silicon oxide containing layer having a thickness D3 of preferably 1 nm ⁇ D3 ⁇ 10 nm. In this layer thickness region, the formation of the negative charges in the first dielectric layer does not become with special needs.
  • the layer having the thickness D3 may be e.g. be generated by thermal oxidation.
  • the single FIGURE shows an embodiment of a solar cell whose rear side RS is passivated by means of an at least double-layered dielectric layer 23, 24 in such a way that parasitic contact losses are substantially avoided.
  • This is achieved by the combination of bilateral (substantially) symmetrical texture T, wherein the roughness is retained on the back RS and with deposition of the following layer sequence: ⁇ therm. Si0 2 (optional) ⁇ , Al 2 O 3, SiN x or SiO x , viewed from the back RS.
  • the first dielectric layer 23, which contains stationary negative charges after deposition, is first applied to the rear side RS after optionally depositing a silicon oxide layer having a thickness of preferably between 1 m and 10 nm.
  • a fluorine doped silicon oxide layer is applied to the second dielectric layer 24, which may be silicon nitride, silicon oxide or silicon oxynitride.
  • a backside metal layer 25, in particular an aluminum layer, is then applied to the second dielectric layer 24 and contacted with the silicon substrate 21 at desired locations through the first and second dielectric layers 23, 24.
  • a front side contact 27 is applied in the usual way.
  • the rear side RS is not smoothly etched, but rather can be termed textured, since during etching of the front or top side OS, which faces the incident radiation, the rear side RS is also etched.
  • the ⁇ -layer 23 is designed so that no "blistering" occurs in combination with the subsequent processing.
  • the process control is carried out in such a way that substantially no increased recombination occurs despite the increased surface area of the rear side RS.
  • Roughness-reducing etching of the entire backside surface occurs exclusively after the diffusion of the dopant to form a pn junction in the silicon substrate 21, regardless of whether the diffusion is performed on one or both sides.
  • the removal is as high as necessary to remove the layer formed by diffusion of the dopant layer, so typically greater than 0.5 ⁇ , but less than. 5 ⁇ . Due to the contained negative charges in the first dielectric layer 23, the losses due to parasitic contacts are minimized.
  • the layer structure also helps ensure that even on a rough surface as possible no parasitic contacts are formed.
  • the sole FIGURE shows a solar cell produced by the method previously described as method II., which has a non-brightly etched reverse side RS.
  • the solar cell has a silicon wafer 21 with p-doping, in which a multi- or monocrystalline formation can be present.
  • the surfaces, ie the front side OS and back RS are etched in order to remove sawing damage or to form a texture T.
  • An otherwise performed according to the prior art separate Glanzlegien the back RS omitted.
  • an n-doping substance such as phosphorus is diffused (layer 22).
  • a silicon oxide layer may be previously applied directly to the back RS, with a thickness between 1 nm and 10 nm being preferred.
  • a second dielectric layer 24 is then deposited from a material such as silicon nitride, silicon oxide or silicon oxynitride, wherein the thickness is preferably between 40 nm and 400 nm.
  • the second dielectric layer 24 may also be referred to as a capping layer.
  • a metal layer, in particular an aluminum layer 25 is applied to the free outer side of the second dielectric layer 24. This can be done by vapor deposition or screen printing. Then, a preferably punctiform contacting takes place between the metal layer 25 and the substrate 21.
  • local metal-semiconductor contacts 26 can be produced by local heating of the backside metal by means of laser radiation such that the metal penetrates the dielectric layers 23, 24 and connects to the silicon.
  • the front side OS has a front side contact 27 in the usual way.
  • the inventive method allows the production of an improved Si solar cell with as few manufacturing steps, in particular in addition to the standard process (1 diffusion step, screen printing contacts).

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle und eine solche selbst. Die Solarzelle umfasst ein Siliciumsubstrat mit strahlenzugewandter Vorderseite und einer Rückseite, einer entlang der Rückseite verlaufenden ersten dielektrischen Schicht, einer entlang substratabgewandter Seite der ersten dielektrischen Schicht verlaufenden zweiten dielektrischen Schicht bestehend aus einem Material aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Siliciumoxinitrid sowie einer sich entlang substratabgewandter Seite der zweiten dielektrischen Schicht erstreckenden Metallschicht. Um die Solarzelle mit besonders hohem Wirkungsgrad reproduzierbar mit weniger Prozeßschritten herstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Rückseite des Substrats einen Glanzwert bei 60° Einstrahlungswinkel unter 80 GU aufweist und dass die erste dielektrische Schicht ortsgebundene negative Ladungen enthält.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle sowie Solarzelle
Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle, umfassend ein Siliciumsubstrat mit strahlenzugewandter Vorderseite, die texturiert ist und einen n-dotierten Bereich aufweist, einer Rückseite, die einen p-dotierten Bereich aufweist, einer entlang der Rückseite verlaufenden ersten dielektrischen Schicht, einer entlang substratab gewandter Seite der ersten dielektrischen Schicht verlaufenden zweiten dielektrischen Schicht bestehend aus einem oder enthaltend ein Material aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Siliciumoxinitrid sowie einer sich entlang substratabgewandter Seite der zweiten dielektrischen Schicht erstreckende Metallschicht.
In den letzten Jahren wurden eine Reihe Versuchen unternommen und Verfahren entwickelt um den Wirkungsgrad von Solarzellen, insbesondere von Silizium basierten Solarzellen zu verbessern.
Aus der WO 2009/071561 A ist eine MWT (Metal Wrap Through)-PERC (Passivated Emitter Rear Cell) bekannt, bei der auf der Rückseite eine erste Schicht aus einem Oxid wie Aluminiumoxid und als zweite Schicht eine SiNx:H Schicht aufgetragen wird.
Um eine Solarzelle mit beständiger Passivierung herzustellen, sieht die DE 10 2010 017 155 A zumindest eine dielektrische Schicht auf der Rückseite des Substrats der Solarzelle vor, die aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxynitrid und einem weiteren Element besteht. Aus der EP 1489667 A2 und der EP 1763086 AI erlangt man Kenntnis über die Möglichkeit die Zeitdauer bis zur Rekombination der freien Ladungsträger und damit die Rekombinationsrate und damit wiederum den Wirkungsgrad zu erhöhen, in dem auf der Licht abgewandten Seite eine dielektrische Schicht zwischen dem Siliziumsubstrat und der Metallisierung aufgebracht wird.
Die EP 1763086 AI beschreibt die Verwendung eines dielektrischen Schichtsystems bestehend aus Si02 und einer darauf abgeschiedenen SiN Schicht zur elektrischen Passivierung der Solarzellenrückseite.
Eine Ausführungsform der in der EP 1489667 A2 offenbarten Lehre verwendet zur dielektrischen Passivierung der Solarzellenrückseite eine Verbindung, die AI2O3 und Si02 umfasst.
Die DE 3815 512 A 1 offenbart eine Solarzelle aus einem einen n + p-Übergang enthaltenden dotierten Halbleiterkörper, der auf der Rückseite ganzflächig mit einer Kontaktschicht bedeckt ist. Auf der Rückseite des Halbleiterkörpers ist zusätzlich ganzflächig eine Oxidschicht aufgebracht.
Die Literatur zu hocheffizienten Solarzellenstrukturen auf Basis von kristallinem Silicium weist als wesentliches Merkmal für die Erzielung hoher Wirkungsgrade eine dielektrische Passivierung der Oberflächen aus, wobei lediglich an definierten Stellen eine Verbindung zwischen einem Metallkontakt und Silicium hergestellt wird (vgl. M.A. Green, Silicon Solar Cells, 1995).
Während auf der Vorderseite notwendigerweise die Metallisierung immer stmkturiert ausgebildet ist, werden bei industriellen Solarzellen häufig die Rückseiten mit einer ganzflächigen Verbindung von Silicium und Metall unter Ausbildung eines Rückseitenfelds (back surface field, BSF) zur Reduzierung der Rekombination hergestellt. Wesentliche Hindernisse bei der industriellen Umsetzung von Prozessen zur Wirkungsgradsteigerung durch dielektrische Passivierung der Zellrückseite sind die hohen Kosten der dafür erforderlichen zusätzlichen Herstellschritte, sowie die Schwierigkeit, in industriellen Prozessen eine ausreichende elektronische Güte der entstehenden Schichten und Kontakte zu erzielen.
Die Unterdrückung von Oberflächenrekombination in Solarzellen aus Silicium erfolgt durch zwei Mechanismen. Durch chemische Absättigung von elektronischen Bindungen des Siliciums werden diese passiviert, d.h. sie verursachen keine elektronische Rekombination. Hierfür kommen Schichten in Frage, die eine elektronische Bandlücke aufweisen, also Halbleiter oder Dielektrika.
Durch Aufbringen elektrisch geladener Schichten kann zudem aufgrund ihrer Feldwirkung die Konzentration einer Ladungsträgerart an der Oberfläche stark reduziert werden. Dies unterdrückt ebenfalls die Rekombination (Feldeffektpassivierung). Wie aus der Literatur bekannt, bilden verschiedene Dielektrika in Kontakt mit Silicium eine Oberflächenladung aus, insbesondere Siliciumoxid (schwach positiv), Siliciumnitrid (positiv) und Aluminiumoxid (negativ). Abhängig vom gewählten Abscheideverfahren wird diese Ladung unter Umständen erst nach einem Temperschritt ausgebildet.
Um die Oberfläche passivieren zu können, ist es zunächst erforderlich, den aus dem Herstellprozess der Wafer herrührenden Oberflächenschaden zu entfernen. Hierzu kann die Waferoberfläche in einer sauren oder alkalischen Lösung geätzt werden.
Dabei kann die Ätzlösung je nach Verfahren jeweils polierend oder aufrauend eingestellt werden. Eine besonders glatt geätzte Oberfläche bietet den Vorteil einer geringeren Rekombination, raue Oberflächen erweisen sich dagegen für die Solarzellenvorderseite als vorteilhaft, da die Reflexion reduziert wird.
Für monokristallines Silicium bietet es sich an, die Oberfläche von <100>-orientierten Wafern alkalisch in der Weise zu ätzen, dass <l ll>-orientierte Facetten ausgebildet werden. Dies führt zu einer Struktur der Oberfläche in Form von Pyramiden. Für multikristallines Silicium ist dies auch möglich, jedoch werden die Körner dann aufgrund ihrer unterschiedlichen Kristallorientierung ungleichmäßig texturiert. Daher wird im Allgemeinen eine saure sogenannte Isotextur verwendet, die zu einer gleichmäßigeren Aufrauung führt.
Die Texturierung der Vorderseite in Kombination mit der Glattätzung der Rückseite stellt hinsichtlich des Solarzellenwirkungsgrades das Optimum dar. Diese Kombination erfordert jedoch, dass mindestens einer der beiden Prozesse einseitig angewandt wird. Dies stellt einen erheblichen anlagentechnischen Aufwand dar. Im Allgemeinen wird man nur einen der beiden Prozesse einseitig anwenden; dies geschieht auch deshalb, weil eine lediglich einseitige Entfernung der durch den Oberflächenschaden induzierten Spannungen zu einer starken Verbiegung des Wafers führt.
Zur Herstellung einer rückseitig passivierten Solarzelle ist es erforderlich, dass ein Emitter lediglich auf einer der beiden Seiten, im Allgemeinen der Vorderseite, ausgebildet wird. Bei der Aufbringung von Dotierstoffen aus der Gasphase geschieht dies jedoch zunächst beidseitig. Werden feste oder flüssige Dotierquellen verwendet, so erfolgt dies einseitig, allerdings ist auch dabei mit einem gewissen Umgriff der Dotierung auf die Waferrückseite zu rechnen.
Um dies zu vermeiden, kann die Waferrückseite vor der Dotierung mit einer Schutzschicht versehen werden. Meistens wird in industriellen Prozessen jedoch nach der Dotierung eine Schicht von der Waferrückseite entfernt, deren Dicke etwas größer als die Eindringtiefe des Dotanden ist, also typischerweise zwischen 0,5 und einigen μιη.
Zur elektronischen Passivierung der Solarzellenrückseite ist eine Schicht zu finden, die eine günstige Kombination zwischen Feldeffektpassivierung und Bindungsabsättigung bietet. Wie aus der Literatur bekannt, lässt sich mit Siliciumoxid eine sehr gute Passivierung herstellen, dieses kann durch thermische Oxidation des Siliciums erzeugt oder per CVD- Verfahren abgeschieden werden. Jedoch bietet SiOx nur eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen das Durchsintern der rückseitigen Metallschicht in dem für die Kontaktausbildung erforderlichen Temperschritt. Siliciumnitrid ist in Verbindung mit Metallen wesentlich stabiler, jedoch erzeugt es aufgrund seiner hohen positiven Ladungsdichte eine influenzierte n-leitende sogenannte Inversionsschicht. In dieser Schicht werden Minoritätsladungsträger der Basis gesammelt und zu den Metallkontakten geleitet, wo sie durch Rekombination verloren gehen (Lit. : Dauwe). Da es negative Ladungen enthält, ist A10x eine gute Alternative, jedoch lässt es sich nicht ökonomisch in Schichtdicken abscheiden, die eine ausreichende Temperstabilität gewährleisten würden. Aufgrund der beschriebenen Schwierigkeiten erscheinen Kombinationen aus diesen Materialien als sehr vorteilhaft, wobei häufig SiOx oder A10x als erste und SiOx oder SiN als zweite Schicht verwendet werden.
Die WO 2006/097303 AI beschreibt, dass eine ausreichende Qualität der Oberflächenpassivierung nur bei Verwendung sehr dicker Schichten erzielt wird; weiter wird die Ausformung von Kontakten durch lokales Einbringen von Löchern in die Schichten und Aufbringen eines leitfähigen Materials auf die ückseitenfläche beschrieben. Es wird nur die Vorderseite des Wafers texturiert.
Die DE 100 46 170 A beschreibt ein Verfahren zur Kontaktausbildung zwischen rückseitiger Metallschicht und Silicium, nach der Aufbringung der Metallschicht und ggf, Sinterung bei Metallpaste, wobei der designierte Kontaktbereich lokal z.B. durch Laserstrahlung erhitzt wird, so dass das Metall die dielektrische Schicht durchdringt und sich mit dem Silicium verbindet.
Es bilden sich in der industriellen Praxis häufig unbeabsichtigte "parasitäre" Kontakte zwischen Si und rückseitiger Metallschicht, die die Ladungsträgerverluste auf der Zellrückseite erhöhen und somit den Wirkungsgrad verringern. Dies geschieht im Wesentlichen durch folgende Mechanismen: 1. Löcher ("Prnholes") in den abgeschiedenen Schichten durch während der Beschichtung anhaftende oder aufliegende Partikel,
2. Schwankungen in der Schichtdicke bis hin zu Löchern durch die unebene Struktur der Oberfläche selbst in Verbindung mit dem gewählten Abscheideverfahren, insbesondere Stellen mit sehr geringer Dicke bei gerichteter Abscheidung,
3. Punktweise oder flächige Ablösung der Schichten während der Abscheidung bzw. bei der nachfolgenden Prozessierung, insbesondere in thermischen Prozessen wie der Kontaktsinterung ("Blistering").
An den entsprechenden Stellen bilden sich bei der Sinterung einer auf die Passivi erschient aufgetragenen Metallschicht auf der Zellrückseite die parasitären Kontakte aus. Die Vermeidung dieser Verlustmechanismen erfolgt nach der klassischen Lehre durch folgende Maßnahmen:
Polieren oder Glattätzen der Waferrückseite, indem nach einem Texturschritt der Wafer einer einseitigen Ätze unterzogen wird, oder indem nach einer beidseitigen Glattätzung die Rückseite maskiert und nur die Vorderseite texturiert wird,
Aufbringen sehr dicker Schichten von mehr als z.B. l OO nm oder Stapeln von mehreren Schichten
Das Öffnen der Schicht zur Ausbildung lokaler Kontakte kann durch die folgenden Techniken erfolgen:
Ablation per Laser,
Maskieren der Oberfläche und lokales Ätzen,
Lokales Aufbringen eines Atzmediums und anschließende thermische Aktivierung.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren weisen eine Vielzahl notwendiger Prozessschritte auf. Daraus folgen hohe Prozesskosten und Schwankungsbreiten (Fehlerfortpflanzung) des Wirkungsgrades der hergestellten Solarzellen. Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle sowie eine Solarzelle derart weiterzubilden, dass die Solarzellen mit durchgängig besonders hohem Wirkungsgrad reproduzierbar mit weniger Prozeßschritten hergestellt werden können.
Zur Lösung der Aufgabe wird im Wesentlichen, jedoch nicht einschränkend vorgeschlagen, dass die Rückseite des Substrats einen Glanzwert bei 60° Einstrahlungswinkel kleiner als 80 GU (gloss units), insbesondere zwischen 2 GU und 80 GU, vorzugsweise im Bereich zwischen 20 GU und 80 GU aufweist und dass die erste dielektrische Schicht ortsfeste negative Ladungen enthält.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen eine Kombination von beidseitiger (im Wesentlichen) symmetrischer Textur (Charakteristikum: Rauheit auf der Rückseite bleibt erhalten) mit Abscheidung folgender Schichtfolge: {therm. Si02 (optional)}, Al203, SiNx oder SiOx.
Beispiele:
A. Verlust bei ungenügender Ätze in Kombination mit SiO/SiN-Schichten,
B. AlO vermeidet parasitäre Kontaktierung nicht (ungeöffnete Zellen),
C. AlO verbessert Wirkungsgrad bei rauer Oberfläche im Vergleich zu SiOx.
A10x ist so auszubilden, dass in Kombination mit der nachfolgenden Prozessierung kein "Blistering" auftritt.
Die Prozessführung erfolgt so, dass trotz der vergrößerten Oberfläche im Wesentlichen keine erhöhte Rekombination auftritt. Rauheitsvermindemdes Ätzen der gesamten Rückseitenfläche erfolgt ausschließlich nach der Diffusion, unabhängig davon, ob die Diffusion ein- oder beidseitig durchgeführt wird. Der Abtrag ist dabei so hoch wie nötig, um die eindiffundierte Schicht zu entfernen, also typischerweise größer als 0,5 μπι, aber geringer als z.B. 5 μηι. Aufgrund der enthaltenen negativen Ladungen werden die Verluste durch parasitäre Kontakte minimiert. Der Schichtaufbau trägt außerdem dazu bei, dass auch auf einer rauen Oberfläche möglichst keine parasitären Kontakte ausgebildet werden. Bevorzugte Verfahrensfolgen sind nachstehende, wobei gegebenenfalls Verfahrensschritte weggelassen, ausgetauscht oder in der Reihenfolge verändert werden können.
Verfahren I:
A. Bereitstellung von Silicium-Wafern mit p-Dotierung, multi- oder monokristallin.
B. Ätzen beider Oberflächen zur Sägeschadenentfernung und oder Textur ohne gesonderte Ätzung der Rückseite, d.h., das Glanzätzen entfällt.
C. Diffusion eines n-dotierenden Stoffs mindestens in die vordere Oberfläche.
D. vorzugsweise Entfernung des Phosphorglases vor oder nach Schritt E.
E. Entfernung der Diflfusionsschicht auf der Waferrückseite, dabei Abtrag zwischen vorzugsweise 0,5 μηι und 5 μηι. Dabei erfolgt das Ätzen derart, dass ein Glanzwert bei 60° Einfallswinkel im Bereich zwischen 20 % und 80% liegt. Glanzwert ist das Verhältnis zwischen direkter und diffuser Diffusion.
F. Abscheidung einer negative Ladungen enthaltenden dielektrischen Schicht auf der Rückseite in einer Schichtdicke vorzugsweise zwischen 5 nm und 100 nm
G. Abscheidung einer dielektrischen Schicht, vorzugsweise Siliciumnitrid auf die dielektrische Schicht nach Schritt F. in einer Schichtdicke von vorzugsweise 40 bis 400 nm
H. Lokale Öffnung der Schichten gemäß Schritt F. und G.
I. Aufbringen einer Aluminiumschicht auf die Rückseite durch Aufdampfen oder Siebdruck
J. Herstellung des Metall-Halbleiter-Kontakts durch Temperung bei Temperaturen von vorzugsweise mehr als 550°C
Verfahren II:
Verfahrensschritte A. - F. gemäß Verfahren I:
G. Abscheidung von Siliciumnitrid oder Siliciumoxid in einer Schichtdicke von vorzugsweise 40 bis 400 nm H. Aufbringen einer Aluminiumschicht auf die Rückseite durch Aufdampfen oder Siebdruck
I. Herstellung lokaler Metall-Halbleiter-Kontakte durch lokales Erhitzen des Rückseitenmetalls mittels Laserstrahlung derart, dass das Metall die dielektrischen Schichten durchdringt und sich mit dem Silicium verbindet
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste dielektrische Schicht aus einem Material besteht oder ein solches enthält aus der Gruppe Aluminiumoxid, dotiertes Siliciumoxid.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass die erste dielektrische Schicht eine Schichtdicke D 1 mit 5 nm < Dl < 100 nm aufweist.
Ferner sollte bevorzugterweise die zweite dielektrische Schicht eine Schichtdicke D2 mit 40 nm < D2 < 400 nm aufweisen.
In Weiterbildung schlägt die Erfindung vor, dass sich zwischen der ersten dielektrischen Schicht und dem Substrat eine aus Siliciumoxid bestehende oder Siliciumoxid enthaltende Schicht mit einer Dicke D3 mit vorzugsweise l nm < D3 < 10 nm erstreckt.
Die Erfindung ist insbesondere gekennzeichnet durch ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, enthaltend die Verfahrensschritte
• Atzen beider Oberflächen des Substrats
• Diffusion eines n-dotierten Materials zumindest in strahlenzugewandter Vorderseite des Siliciumsubstrats
• Ätzen der Rückseite des Substrats unter Vermeidung eines Glanzätzens
• Substratrückseitiges Abscheiden einer ersten dielektrischen Schicht aus einem Material, das nach dem Abscheiden ortsfeste negative Ladungen enthält
• Abscheiden einer zweiten dielektrischen Schicht aus einem Material oder ein Material enthaltend aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Siliciurnoxinitrid entlang der ersten dielektrischen Schicht • Abscheiden einer Metallschicht entlang der zweiten dielektrischen Schicht.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Metallschicht bereichsweise mit dem Substrat kontaktiert wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen:
Die negativ geladene Schicht ist A10x
Abscheidung von A10x mit ALD (Atomic Laser Deposition) oder PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)
Thermische Oxidation der Waferoberfläche vor Abscheidung der Schichten d.h. zwischen Schritt E. und F. der Verfahren I bzw. II
Ausführung der Kontakte als Linien
Substrat-Temperatur bei SiN-Abscheidung vorzugsweise > 320°C
Bordotierung der Kontaktbereiche vor der Schichtabscheidung (Schritt G.) Ausführung mit selektivem Emitter
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Rückseite des Substrats texturiert ist.
In einer Ausführungsform befindet sich zwischen der ersten dielektrischen Schicht und dem Substrat eine aus Siliciumoxid bestehende oder Siliciumoxid enthaltende Schicht mit einer Dicke D3 mit vorzugsweise 1 nm < D3 < 10 nm. In diesem Schichtdickenbereich wird die Ausbildung der negativen Ladungen in der ersten dielektrischen Schicht nicht behindert. Die die Dicke D3 aufweisende Schicht kann z.B. durch thermische Oxidation erzeugt werden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder im Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Der einzigen Figur ist eine Ausfiihrungsform einer Solarzelle zu entnehmen, deren Rückseite RS mithilfe einer mindestens doppellagigen dielektrischen Schicht 23, 24 derart passiviert ist, dass Verluste durch parasitäre Kontaktierung im Wesentlichen vermieden werden. Dies wird erzielt durch die Kombination von beidseitiger (im Wesentlichen) symmetrischer Textur T, wobei die Rauheit auf der Rückseite RS erhalten bleibt und mit Abscheidung folgender Schichtfolge: {therm. Si02 (optional)}, AI2O3, SiNx oder SiOx, betrachtet von der Rückseite RS aus.
Mit anderen Worten wird auf der Rückseite RS zunächst nach gegebenenfalls der Abscheidung einer Siliciumoxidschicht einer Dicke von vorzugsweise zwischen 1 m und 10 nm die erste dielektrische Schicht 23 aufgebracht, die nach dem Abscheiden ortsfeste negative Ladungen enthält.
Auf diese vorzugsweise aus Aluminiumoxid bestehende erste Schicht 23 oder einer anderen nach dem Auftragen ortsfeste negative Ladungen enthaltenden Schicht wie z.B. eine mit Fluor dotierte Siliciumoxidschicht wird die zweite dielektrische Schicht 24 aufgebracht, die aus Siliciumnitrid, Siliciumoxid oder Siliciumoxinitrid bestehen kann. Auf die zweite dielektrische Schicht 24 wird sodann eine rückseitige Metallschicht 25, insbesondere eine Aluminiumschicht aufgetragen und an gewünschten Stellen durch die erste und zweite dielektrische Schicht 23, 24 hindurch mit dem Siliciumsubstrat 21 kontaktiert.
Auf die Frontseite OS wird in gewohnter Weise ein Frontseitenkontakt 27 aufgebracht.
Aus der Prinzipdarstellung erkennt man des Weiteren, dass die Rückseite RS nicht glatt geätzt ist, vielmehr als texturiert bezeichnet werden kann, da beim Ätzen der Frontoder Oberseite OS, die der einfallenden Strahlung zugewandt ist, die Rückseite RS mitgeätzt wird.
Mit anderen Worten wird das nach dem Stand der Technik erfolgende Glattätzen nicht durchgeführt. Somit ergibt sich im Vergleich zu bekannten Solarzellen eine vergrößerte Rückseitenoberfläche. Die ΑΙΟχ-Schicht 23 ist so ausgebildet, dass in Kombination mit der nachfolgenden Prozessierung kein "Blistering" auftritt.
Die Prozessführung wird so ausgeführt, dass trotz der vergrößerten Oberfläche der Rückseite RS im Wesentlichen keine erhöhte Rekombination auftritt. Rauheitsverminderndes Ätzen der gesamten Rückseitenfläche erfolgt ausschließlich nach der Diffusion des Dotierstoffs zur Bildung eines pn-Übergangs im Silizium- Substrat 21 , und zwar unabhängig davon, ob die Diffusion ein- oder beidseitig durchgeführt wird. Der Abtrag ist dabei so hoch wie nötig, um die durch Eindiffusion des Dotierstoffs entstandene Schicht zu entfernen, also typisch größer als 0,5 μπι, aber geringer als z.B. 5 μηι. Aufgrund der enthaltenen negativen Ladungen in der ersten dielektrischen Schicht 23 werden die Verluste durch parasitäre Kontakte minimiert. Der Schichtaufbau trägt außerdem dazu bei, dass auch auf einer rauen Oberfläche möglichst keine parasitären Kontakte ausgebildet werden.
Nachstehend wird die Herstellung einer Solarzelle detaillierter beschrieben:
Die einzige Figur zeigt eine nach dem zuvor als Verfahren II. bezeichneten Verfahren hergestellte Solarzelle, die eine nicht glanzgeätzte Rückseite RS aufweist. Die Solarzelle weist ein Silicium-Wafer 21 mit p-Dotierung auf, bei dem eine multi- oder monokristalline Ausbildung vorliegen kann. Zunächst werden die Oberflächen, also die Vorderseite OS und Rückseite RS geätzt, um Sägeschäden zu entfernen bzw. eine Textur T zu bilden. Ein ansonsten nach dem Stand der Technik durchgeführtes gesondertes Glanzätzen der Rückseite RS entfällt. Sodann wird mindestens in die Oberfläche der Vorderseite 18 ein n-dotierender Stoff wie Phosphor eindiffundiert (Schicht 22).
Anschließend wird entstandenes Phosphorsilikatglas (PSG) entfernt. Schließlich wird die Rückseite (RS) geätzt, um eindiffundierten Dotierstoff zu entfernen. Der Abtrag beläuft sich zwischen vorzugsweise 0,5 μιη und 5 μηι. Nach dem Ausführungsbeispiel wird sodann auf die Rückseite RS eine erste dielektrische Schicht 23 einer Schichtdicke vorzugsweise zwischen 5 nm und 100 nm abgeschieden, die nach dem Abscheiden negative Ladungen enthält. Gegebenenfalls kann zuvor eine Siliciumoxidschicht unmittelbar auf die Rückseite RS aufgebracht werden, wobei eine Dicke zwischen 1 nm und 10 nm zu bevorzugen ist. Auf die erste dielektrische Schicht 23 wird sodann eine zweite dielektrische Schicht 24 aus einem Material wie Siliciumnitrid, Siliciumoxid oder Siliciumoxinitrid abgeschieden, wobei die Dicke vorzugsweise zwischen 40 nm und 400 nm liegt. Die zweite dielektrische Schicht 24 kann auch als Capping Layer bezeichnet werden. Schließlich wird auf die freie Außenseite der zweiten dielektrischen Schicht 24 eine Metallschicht, insbesondere eine Aluminiumschicht 25 aufgebracht. Dies kann mittels Aufdampfen oder Siebdruck erfolgen. Sodann erfolgt eine vorzugsweise punktuelle Kontaktierung zwischen der Metallschicht 25 und dem Substrat 21.
Hierzu können mittels Laserstrahlung lokale Metall-Halbleiter-Kontakte 26 durch lokales Erhitzen des Rückseitenmetalls derart hergestellt werden, dass das Metall die dielektrischen Schichten 23, 24 durchdringt und sich mit dem Silicium verbindet.
Die Frontseite OS weist in gewohnter Weise einen Frontseitenkontakt 27 auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung einer verbesserten Si- Solarzelle mit möglichst wenigen Herstellschritten, insbesondere zusätzlich zum Standardprozess (1 Diffusionsschritt, Siebdruckkontakte).
Dabei werden bekannte Technologien, wie modifizierte Emitterprofile, selektive Emitter sowie passivierte Rückseite erfindungsgemäß kombiniert. Rauheiten der Oberfläche auf der Rückseite führen zu parasitärer Kontaktierung und in Kombination mit konventionellen Beschichtungstechniken und Kontaktierungsverfahren zu elektrischen Verlusten. Diese Verluste werden gemäß der Erfindung vermieden, ohne insbesondere die Rückseite glatt ätzen zu müssen.

Claims

Paten tansprü che Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle sowie Solarzelle
1. Solarzelle (10), umfassend ein Siliciumsubstrat (21) mit
strahlenzugewandter Vorderseite (OS), die texturiert ist und einen n-dotierten Bereich (22) aufweist,
einer Rückseite (RS), die einen p-dotierten Bereich aufweist,
einer entlang der Rückseite verlaufenden ersten dielektrischen Schicht (23), einer entlang substratabgewandter Seite der ersten dielektrischen Schicht verlaufenden zweiten dielektrischen Schicht (24) bestehend aus einem oder enthaltend ein Material aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciurnoxid,
Siliciumoxmitrid
sowie einer sich entlang substratabgewandter Seite der zweiten dielektrischen Schicht erstreckende Metallschicht (25),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rückseite (RS) des Substrats (21) einen Glanzwert bei 60° Einstrahlungswinkel kleiner als 80 GU aufweist und dass die erste dielektrische Schicht (23) ortsfeste negative Ladungen enthält.
2. Solarzelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Glanzwert bei öO0 Einstrahlungswinkel zwischen 2 GU und 80 GU, insbesondere zwischen 20 GU und 80 GU liegt.
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste dielektrische Schicht (23) aus einem Material besteht oder ein solches enthält aus der Gruppe Aluminiumoxid, dotiertes Siliciurnoxid.
4. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste dielektrische Schicht (23) eine Schichtdicke Dl mit 5 nm < Dl < 100 nm aufweist.
5. Solarzellenach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite dielektrische Schicht (24) eine Schichtdicke D2 mit 40 nm < D2 < 400 nm aufweist.
6. Solarzelle nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch geken zeichnet,
dass die Rückseite (RS) des Substrats (21) texturiert ist.
7. Solarzelle nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich zwischen der ersten dielektrischen Schicht (23) und dem Substrat (21) eine aus Siliciumoxid bestehende oder Siliciumoxid enthaltende Schicht mit einer Dicke D3 mit vorzugsweise 1 nm < D3 < 10 nm erstreckt.
8. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (10), insbesondere nach Anspruch 1, enthaltend die Verfahrensschritte:
• Ätzen beider Oberflächen des Substrats (21)
• Diffusion eines n-dotierten Materials zumindest in strahlenzugewandter Vorderseite (OS) des Siliciumsubstrats
• Ätzen der Rückseite (RS) des Substrats unter Vermeidung eines Glanzätzens
• Substratrückseitiges Abscheiden einer ersten dielektrischen Schicht (23) aus einem Material, das nach dem Abscheiden ortsfeste negative Ladungen enthält • Abscheiden einer zweiten dielektrischen Schicht (24) aus einem Material oder ein Material enthaltend aus der Gruppe Siliciumnirrid, Siliciumoxid, Siliciumoxinitrid entlang der ersten dielektrischen Schicht
• Abscheiden einer Metallschicht (25) entlang der zweiten dielektrischen Schicht.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen dem Substrat (21) und der ersten dielektrischen Schicht (23) eine Siliciumoxidschicht oder eine Siliciumoxid enthaltende Schicht abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet.
dass zum Erhalten der ortsfesten negativen Ladungen die erste dielektrische Schicht, wie Siliciumoxidschicht, mit Fluor und/oder Phosphor dotiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8 s
dadurch gekennzeichnet,
dass die Metallschicht (25) bereichsweise wie punktuell mit dem Substrat kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass sowohl die Vorderseite (OS) als auch die Rückseite (RS) des Substrats (21) in einem ersten Ätzschritt texturiert werden.
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