WO2020069700A1 - Solarzellen-beschichtungsanlage - Google Patents

Solarzellen-beschichtungsanlage

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WO2020069700A1
WO2020069700A1 PCT/DE2019/100864 DE2019100864W WO2020069700A1 WO 2020069700 A1 WO2020069700 A1 WO 2020069700A1 DE 2019100864 W DE2019100864 W DE 2019100864W WO 2020069700 A1 WO2020069700 A1 WO 2020069700A1
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WO
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solar cell
layer
solar
coating system
silicon
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PCT/DE2019/100864
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English (en)
French (fr)
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Thomas Grosse
Thomas Kluge
Hans-Peter Sperlich
Alexander Böddicker
Marcel König
Rocco Pietzsch
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Meyer Burger (Germany) Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a solar cell coating system for producing thin layers on a first solar cell side and / or a second solar cell side of crystalline silicon solar wafers with a throughput of at least 2000 solar wafers per hour (2000 W / h), as well as a solar cell production line and a process for the production of solar cells with such a solar cell coating system.
  • the Meyer Burger product FABiA ® is a solar cell coating system for depositing a silicon nitride passivation and anti-reflection layer on the front of the crystalline silicon solar cell and an aluminum oxide and silicon nitride passivation layer on the back.
  • This system can be used in a solar cell production line for the production of PERC solar cells.
  • Coating chambers of this system are equipped with microwave plasma sources, for example for the deposition of silicon nitride (SiN x ) and for the deposition of aluminum oxide (AIO x ).
  • microwave plasma sources for example for the deposition of silicon nitride (SiN x ) and for the deposition of aluminum oxide (AIO x ).
  • Details of the system for example the number of linear microwave plasma sources for a specific layer, are designed so that the system overall has a high throughput and short
  • Continuous flow systems with linear microwave plasma sources are often used for the oxidation and deposition of dielectric layers for the purposes of passivation and / or optical
  • Parallel plate arrangements and shower heads for homogeneous gas feed can be used well for the homogeneous deposition of high-purity semiconductor layers.
  • Production systems with a high throughput of more than 2000 solar wafers per hour are very specialized in the layers to be produced in them, this applies in particular to systems such as the FABiA, which produce several layers in one pass.
  • Such solar cell coating systems enable particularly low solar cell manufacturing costs.
  • the solar cell coating system can also be designed to produce at least one protective layer on the at least one silicon layer.
  • the boundary layer and the silicon layer and sometimes also the protective layer can be produced within the solar cell coating system without the silicon solar wafers leaving the solar cell coating system in the meantime.
  • the solar cell coating system according to the invention makes it possible to upgrade one
  • the solar cell coating system can also be a component of a new solar cell production line for solar cells with passivated contacts.
  • the basic doping is predominantly p-doping and the solar cells produced from it are referred to as PERC solar cells.
  • solar wafers with n-basic doping are also used and solar cells made from them are referred to as PERT solar cells.
  • PERT solar cells Because of the greater importance and notoriety of PERC technology, reference is made primarily to this, without this reference being a limitation of the invention thereto.
  • bifacial solar modules made up of bifacial solar cells can produce 10-20% more annual yield compared to monofacial solar modules. Texturing, that is to say roughness generation, on the surface brings about an increase in efficiency on the light-incident side. In the case of bifacial solar cells in particular, a texture on both sides can also be provided. With monofacial solar cells, however, a texture on the back is disadvantageous. In some cases, therefore, a texture created on both sides by wet chemistry is removed from the back in an additional process step. Textures can also be produced using dry etching processes, whereby textures produced using dry etching processes can achieve lower reflectivities and higher solar yields.
  • a doping opposite to the basic doping is diffused into the solar wafer in a diffusion furnace, for example a phosphorus-doped emitter (n-doping) is produced on the front side from a POCI3 gas phase, only in surface layers of the front side and the back side of a p-doped solar wafer Phosphorus diffuses in and then the phosphorus-doped back layer is removed again, so that the boron or p-doped base material is again exposed on the back.
  • Other diffusion steps can be used for superficial Higher doping (surface field) can be used.
  • cleaning steps are necessary to remove chemical residues and contaminants.
  • a thin SiC layer is also grown on surfaces of the solar wafer in connection with the cleaning, because this S1O 2 produced by defined oxidation is a good one
  • dielectric layers or layer stacks are applied to both sides of the solar cell in coating systems, which serve as passivation layers and, at least on the front side, as anti-reflection layers.
  • a layer stack S1O 2 - AIO x -SiN x : H on the back the silicon nitride layer containing hydrogen serves as a hydrogen source from which hydrogen can diffuse into the layers underneath, which ultimately results in a very good passivation.
  • the stoichiometry index x and the hydrogen note: H are also partially omitted because a person skilled in the art makes sense
  • the passivation layer can be formed as a reflection layer, the red and infrared light, which from the
  • the solar cell has shone through from the front, better reflected back into the solar cell than other layer designs.
  • bifacial solar cells there can also be a
  • Antireflection layer may be provided, which for the most part lets light incident from the rear into the solar cell, in order to be used there to generate electricity.
  • Passivation and reflection or antireflection layers are usually used in CVD, PECVD and / or ALD systems.
  • Metal pastes in particular silver and aluminum pastes, are often used to make electrical connections to industrial solar cells.
  • the metal pastes can be in
  • Boundary layer that it can be penetrated by tunnel currents as a tunnel layer of charge carriers, although it is made of a material that is insulating with a greater layer thickness, for example S1O 2 .
  • the guiding mechanism at the boundary layer does not necessarily have to be a tunnel current, other guiding mechanisms are also possible, for example via defects in the boundary layer. Defects in the crystallization can be defects in the boundary layer. The defects can also be filled, for example, with doped silicon. In the latter case, the dielectric layer contains conductive pore fillings, so that the layer of an actually dielectric material is then a conductive layer overall.
  • the boundary layer can have insulator properties in lateral directions.
  • the boundary layer is produced from a material that is actually a dielectric material, at least with a greater thickness.
  • the boundary layer made of a dielectric material with the small thickness of at most a few nanometers actually consist of the dielectric material throughout.
  • the boundary layer can also be a conductive layer, which is, for example, a composite layer made of a porous dielectric matrix and filled pores.
  • the solar cell coating system according to the invention is a system that in one
  • Plant run or in a manufacturing step of the solar cell manufacturing process produces several layers on top of each other, namely the boundary layer, a silicon layer and one
  • the protective layer protects the freshly deposited silicon layer from unwanted absorption of air humidity or unwanted cross-contamination with other dopants.
  • Silicon layers deposited by PECVD in particular amorphous silicon layers, which are produced at temperatures below 600 ° C., are porous layers.
  • the amorphous layer can also already contain microcrystalline components, ie it can be a polymorphic layer. In the event of a vacuum interruption and contact with air containing moisture, moisture is built into these layers. The contact of the layer at higher temperatures with oxidizing agents such as oxygen or water vapor can lead to the oxidation of the entire layer.
  • oxidizing agents such as oxygen or water vapor can lead to the oxidation of the entire layer.
  • Dopant compounds especially diborane or phosphine, during the
  • Gas phase deposition produces in-situ doped silicon layers that contain the dopants required for high conductivities immediately after the deposition, so that the dopants do not have to be subsequently introduced into the layer.
  • the dopants are after the
  • deposition is not yet partially active electrically, which means that they do not yet contribute to good conductivity.
  • processing steps at higher temperatures are sometimes required.
  • Properties of a layer that are present after layer deposition for example the conductivity of an in situ doped deposited silicon layer, can still be changed in subsequent method steps, for example in a high temperature step.
  • the prerequisites are created that the solar cell will work well in the end.
  • the protective layer is a dense layer which protects the silicon layer from unwanted changes in subsequent process steps.
  • the protective layer can be a layer stack or a gradient layer.
  • the protective layer can first consist of a
  • Silicon nitride layer on the silicon surface and a silicon oxide layer thereon can be used.
  • the property of silicon oxide layers can be exploited that silicon oxide can be removed again easily without damaging the underlying silicon.
  • the material can also be an oxynitride gradient layer in which the proportion of nitrogen becomes smaller as the distance to the silicon layer increases and the proportion of oxygen increases.
  • the precisely used materials and layer thicknesses have to be optimized for integration into the overall process.
  • Part of the protective layer can also be deposited as a dopant source layer, from which a dopant diffuses into the underlying silicon layer.
  • the production line for carrying out the process is equipped with suitable coating systems which are designed in such a way that they can produce the required layers.
  • the solar cell coating system according to the invention can be upgraded to a
  • High-temperature step at temperatures above 600 ° C for the crystallization of the previously amorphous or partially microcrystalline silicon layer and for the activation of dopants contained therein or for the diffusion of dopants and a separate, additional crystallization furnace are unnecessary if the protective layer provides spatial separation and an already existing high-temperature step and one associated high-temperature treatment system already exists and can be easily used.
  • the solar cell coating system according to the invention, the solar cell production line equipped with it and a method based thereon can thus represent a surprisingly simple solution for producing contact-passivated solar cells.
  • the highest possible system throughputs of over 2000 solar wafers / h (w / h), better greater than 4000 w / h or greater than 6000 w / h can either be achieved by processing a sufficient number of wafers together in a slow process or by having a few wafers in quick succession go through fast processes. Both approaches (or mixed approaches in between) are used in different plants according to the invention.
  • the different layers can be produced at the same location with a time offset, For example, in a batch furnace tube, in which many wafers are on a boat, first let out gases for the production of one layer and later CVD outlet gases (precursors) for the production of another layer.
  • the system can also have a plurality of batch processing reactors into which the wafers, substrate carriers loaded with wafers or loaded boats are transported one after the other.
  • the solar cell coating system according to the invention can also produce the different layers in spatially separated areas of the system, in that the solar cell coating system has:
  • the boundary layer permitting and little obstructing an electrical current flow through the boundary layer, in particular a tunnel current flow,
  • the solar cell coating system can have at least one protective layer deposition area in which the protective layer can be deposited directly on the silicon layer or on a doping layer previously deposited on the silicon layer, the boundary layer and the silicon layer and the protective layer in one pass through the solar cell coating system are producible.
  • This system is a continuous system, which achieves a sufficiently large system throughput due to the simultaneous processing of fewer solar wafers and a high throughput speed of many solar wafers.
  • the individual manufacturing areas can be separate chambers. In some cases, the individual manufacturing areas are not separated from each other by completely closed, physical chamber walls, but rather by simple means, such as Panels, gas curtains and / or clearances.
  • the silicon layer initially deposited on the boundary layer serves for contacting through the metal contacts.
  • the presence of recombination centers is less critical than in the solar cell volume, because the charge carriers are already separated here and the minority charge carrier type is more likely not available for recombination.
  • the silicon layer must be doped for sufficient conductivity or for sufficiently low contact resistances.
  • An in-situ doping deposition can be used to introduce the dopants, in which a doping gas, for example diborane, is already present during the deposition and thereby the dopant, for example boron, is built into the layer during the deposition.
  • the dopant can alternatively be diffused from another layer, for example from a borosilicate glass layer (BSG) or from a phosphorus silicate glass layer (PSG), into a previously undoped layer.
  • BSG borosilicate glass layer
  • PSG phosphorus silicate glass layer
  • Doped layers on one side of the solar cell can also be produced by diffusing a high doping into the crystalline wafer or into a silicon layer.
  • P-doping with boron can be diffused, for example, from a BBr3 gas phase atmosphere or n-doping with phosphorus from a phosphorus oxychloride (POCI3) gas phase atmosphere.
  • POCI3 phosphorus oxychloride
  • the side of the solar cell that is not to be doped is either protected from the diffusion step by means of a protective layer or the side is first doped with and then the doped layer is removed chemically (in particular wet-chemically) on one side of the solar cell.
  • Dopants can also be introduced by ion implantation, areas of opposite doping regions being spatially separated from one another can be produced by mask techniques on the back of a solar wafer.
  • an activation ie a temperature treatment at higher temperatures, is generally necessary. At these higher temperatures, compaction and crystallization of the previously deposited can occur simultaneously
  • Silicon layer take place.
  • the solar cell coating system can be equipped to produce the boundary layer on both sides in the boundary layer manufacturing area on the first solar cell side and the second solar cell side, as well as on the first solar cell side an Si coating of a first doping type (n-doping or p-doping) and to deposit a Si coating of a second doping type opposite to the first doping type on the second solar cell side.
  • the deposited silicon layer can have a thickness between 15 and 500 nm, preferably between 50 and 150 nm, specifically, for example, 75 nm.
  • Thinner silicon layers can also work without metal pastes. If the silicon layer is partially etched off in subsequent process steps, then larger layer thicknesses may be required in accordance with the required sacrificial layer thickness.
  • the contacts on the front or on the back can also be passivated, for example because the greatest effect is achieved with such a one-sided passivation or simply because the process used works the easiest.
  • the production of passivated contacts on both sides of the solar cell is more complex, corresponding to twice the number of layers required, than the production of passivated contacts on only one side of the solar cell.
  • a system according to the invention for producing the passivated contacts on the front and a system according to the invention for producing the passivated contacts on the back can be used for the production of passivated contacts on both sides.
  • synergies can be used, for example by adding a layer such as the boundary layer or the
  • Protective layer is produced in one process on both sides of the solar cell.
  • both sides of the solar wafer can be oxidized together on both sides
  • the boundary layer production area can be an oxidation area, in which in particular a surface layer of the silicon solar wafer is oxidized to form a silicon oxide layer. With its atomic structure, the oxide formed by oxidation is well matched to the crystalline silicon base and is therefore a good or even preferred passivation layer. In addition, oxidation of the substrate is a particularly simple and inexpensive process step. However, other oxide layers can also be produced by oxidation. Oxidations can also
  • ALD atomic layer deposits
  • Oxidation area can have a shower head through which a gas containing 0 3 can flow, which is fed by an ozone source.
  • Ozone is a suitable gas to quickly form an oxide layer at low temperatures.
  • the properties of the boundary layer, especially its thickness, have a direct effect on the properties of the solar cells produced. Therefore, the
  • Boundary layer have a good homogeneity both on a solar wafer (with-in-wafer (wiw) uniformity) and on neighboring solar wafers (wafer to wafer- (wtw) uniformity).
  • a prerequisite for achieving good homogeneity is an even supply of gas.
  • the uniform gas supply can be realized by shower heads. These can be linear injectors, which can also be viewed as one-dimensional shower heads, each of which provides a uniform gas outflow along a line for solar wafers passing underneath. Several adjacent linear or 1-dimensional injectors can be combined to form a 2-dimensional shower head.
  • the shower head can also be a two-dimensional shower head that is sufficiently defined for one or more solar wafers on an unmoving or moving surface
  • the ozone source can be an external ozone generator, the ozone being generated in a known manner in a separate room from the ozone generator and being brought into the oxidation region via a line.
  • ozone can also form directly in the oxidation area
  • Oxygen or another gas containing oxygen are formed, for example by means of a plasma or by means of a UV light source.
  • the oxidation range can be one
  • Microwave plasma source and a gas connection for a gas containing O 2 , O 3 or N 2 O have. Ions with low energies are generated in microwave plasmas, so that no radiation damage to the treated solar wafer surfaces occurs with a microwave plasma. In addition, high plasma densities and fast processes are possible with microwave plasma sources.
  • the solar cell coating system can be an inline system in which at least the boundary layer production area, the at least one Si deposition area and a protective layer deposition area are lined up in a line, the protective layer being directly on the silicon layer or on the protective layer deposition area one previously on the silicon layer
  • Plants with transport devices for a straight substrate pass are particularly simple if you compare them with other types of plant, for example with one
  • the solar cell coating system can also have two aligned or parallel
  • Processing path for coating the solar cell front and a second coating path for coating the solar cell back are identical to Processing path for coating the solar cell front and a second coating path for coating the solar cell back.
  • a Si deposition area of the solar cell coating system can be a lockable PECVD chamber with a parallel plate arrangement contained therein, which can be operated at HF frequency, the PECVD chamber having at least one gas connection, in particular a silane and a diborane connection.
  • gases can be partially mixed in front of the PECVD chamber in a common supply line, they can also be supplied via separate gas lines, or they have to if the gases in the line would react with each other.
  • the chamber can have further gas connections, in particular an H 2 connection.
  • the dopant can also be provided in a dilution in H 2 .
  • a boron-containing a-Si layer can accordingly be deposited in this chamber.
  • the lockable chamber allows the spatial carry-over of the dopant boron outside the deposition area provided for boron to be kept sufficiently small.
  • a PECVD chamber for the deposition of an n-doped silicon layer can be coupled to silane and a phosphine or arsine sources. Separate PECVD chambers can also be provided for other depositions that involve dopants. For the deposition of the doped or undoped silicon layers, thermal CVD chambers or other spatially limited plasma coating areas can also be present.
  • At least one plate of the parallel plate arrangement of the solar cell coating system according to the invention can be designed as a hollow cathode gas shower, wherein Outlet cavities of the hollow cathode gas shower as a hollow cathode to form a
  • Hollow cathode discharge are formed therein.
  • the fact that cavities in the area of the cathode to form hollow cathodes enable higher plasma densities than can be achieved without the cavities is known from the prior art.
  • the cavities have dimensions in the range of free path lengths of plasma components, in particular the electrons, so that additional impacts in the cavities of the plasma density can be increased.
  • a silicon deposition chamber can be equipped with an electrode plate of the parallel plate arrangement containing cavities, the hollow cathodes enabling denser plasmas and correspondingly faster processing times when PECVD deposition is carried out in the chamber and / or with plasma-assisted cleaning etching in the chamber.
  • Si layers deposited with RF reach higher densities than layers deposited with microwave plasmas.
  • the RF-PECVD-Si layers are hardly hygroscopic in the event of a vacuum interruption, so that a protective layer is unnecessary and the solar cell coating system can be designed to produce passivated contacts without a protective layer production area.
  • the developed chamber with the hollow cathode gas shower can also be used in other systems for the deposition of layers other than silicon layers or in etching systems for carrying out other etching processes.
  • the hollow cathode gas shower can be modularly composed of several hollow cathode segments of the same size, the hollow cathode segments in particular being arranged symmetrically around a central HF feed.
  • Coatings also large electrode plates.
  • the production of large plant parts is complex and expensive.
  • the solution found within the scope of the present invention to assemble the entire electrode from several electrode segments enables efficient production and ultimately inexpensive process chambers. Through suitable common
  • the multiple electrode segments for example, act as one
  • the protective layer deposition area of the solar cell coating system according to the invention can have at least one microwave plasma source and in particular gas connections of silane, ammonia, laughing gas, oxygen and / or methane in order to deposit a SiN x , SiO x N y or SiC x N y layer can.
  • the protective layer is chosen so that it is the one underneath
  • Silicon layer protects against the diffusion of undesirable substances, in particular water and undesirable dopants, for example a p-doped Si layer from phosphorus from a POCU atmosphere, and protects other parts of the solar wafer from the dopant covered by the protective layer.
  • the protective layer preferably also prevents dopant diffusion from the silicon layer into the protective layer, in particular in that it has a diffusion barrier made of silicon nitride.
  • the solar cell coating system according to the invention can have at least one multi-layer production area in which at least two of the following three layers can be produced one after the other in time: the thin boundary layer made of a dielectric material; the doped or undoped, in particular amorphous silicon layer; and the protective layer.
  • the thin boundary layer made of a dielectric material
  • the doped or undoped, in particular amorphous silicon layer and the protective layer.
  • the solar cell coating system does not produce the layer stack of at least two layers in layer formation areas located at different locations, but at least two layers are different at the same location by a time interval
  • Boundary layer and the silicon layer and the protective layer If in one
  • Deposition area only two of the three layers mentioned are produced, then the remaining layer is correspondingly produced in another deposition area.
  • the solar cell coating system can have at least two coating areas or multi-layer manufacturing areas that can be used simultaneously for layer production. For the
  • the coating system can have two or more than the same coating areas or multi-layer production areas which can be used simultaneously, so that more substrates can be coated in one time interval than in one System with only one coating area or multi-layer manufacturing area.
  • Other system components With shorter cycle times than the coating areas, for example lock chambers and automation components for reloading substrates, the multiple
  • Coating areas can be assigned jointly, so that the coating system as a whole is compact and inexpensive.
  • the coating area or the multi-layer manufacturing area can each be a lockable vacuum chamber and the solar cell coating system can be an inline substrate processing system with at least two vacuum chambers and a transport device for two-dimensional substrate carriers, the substrate carriers being cycled by the transport device in transport cycles taking place between work cycles are movable between different chambers of the solar cell coating system.
  • Coating processes are carried out regularly in vacuum chambers, on the one hand because the required clean process conditions can be provided in vacuum chambers and on the other hand partly because physical and / or chemical process requirements require deposition under vacuum or in a vacuum. In some cases, normal pressure processes or overpressure processes are also carried out in vacuum chambers because quick gas changes and the required gas purity can be provided in them.
  • Inline systems in which several chambers are arranged along a line can be constructed more compactly than other multi-chamber systems in which several chambers are arranged around a central handling area.
  • Inline solar cell coating systems use large two-dimensional substrate carriers, of which many substrates, for example forty-two solar wafers arranged in six columns and seven rows, are carried, which have correspondingly large surfaces and are correspondingly large
  • Vacuum chambers and other chambers require. With these large chambers it is possible to create a vacuum
  • the substrate coating system has a transport device for moving the substrate carrier through different chambers.
  • the transport device can have driven and non-driven transport rollers, from which tracks of the substrate carriers are driven and guided.
  • the transport device can also be constructed in some other way, for example using conveyor belts, pendulum beams, pull chains or push rods.
  • Several identical processing chambers can also be arranged one behind the other in an inline system.
  • the transport device then ensures that the multiple chambers are intermittently loaded with unprocessed substrates. After the processing cycle, in which substrates were processed in several chambers at the same time, the processed substrates are made of several in a further transport cycle Chambers transported by the transport device.
  • the solar cell coating system has a control system which, among other things, controls the logistical processes of the transport device.
  • the solar cell coating system can also be designed as a substrate processing system with at least two vacuum chambers and a transport device for moving three-dimensional substrate carriers in cycles.
  • the solar cell coating system can have several tube reactors in which substrates received in boats are processed. The substrate surfaces are in different planes in a three-dimensional space.
  • the transport device transports the loaded boats into and out of the individual vacuum chambers.
  • the transport device also partially realizes movements during processing, for example back and forth oscillations to prevent plant-specific processing patterns or for a homogeneous coating.
  • the vacuum chambers are equipped with means for in-situ cleaning. Coatings of system parts occur regularly in coating chambers, where no coating is actually required. The coatings must be removed regularly, for example to avoid flaking.
  • a solar cell coating system according to the invention with a plurality of vacuum chambers can be designed to carry out deposition on substrates in one chamber and, at the same time, to clean another vacuum chamber. In such a system, the cleaning can flow into the
  • Production process can be integrated so that a large plant availability is achieved.
  • an inline coating system can be set up so that of four
  • Coating chambers are always used for coating three and the fourth chamber is cleaned, with all chambers being cleaned one after the other on a rolling basis.
  • the object of the invention is also achieved by a solar cell production line for producing solar cells from solar wafers, in which an oppositely doped layer is diffused into the p- or n-doped solar wafer or an oppositely doped layer on the p- or n-doped solar wafer is formed, solar wafers are coated with passivation layers and at least one antireflection layer, and the solar wafers are equipped with contacts for the external electrical connection, with the formation of solar cells, which is characterized in that the solar cell production line according to the invention is compared to a conventional solar cell production line from the prior art additionally has at least one solar cell coating system according to the invention in order to implement at least one passivated contact of the solar cell with this solar cell coating system.
  • a solar cell production line has a solar cell coating system for producing passivated contacts on the back of a PERC solar cell. In other exemplary embodiments, the solar cell production line has a
  • the solar cell production line has a solar cell coating system for producing passivated contacts on the rear and for producing passivated contacts on the front of a PERC
  • Solar cell coating systems according to the invention also apply accordingly to various options of different solar cell production lines.
  • the object of the invention of methods for the production of crystalline silicon-based solar cells each with a crystalline silicon substrate, at least one p-doped region and at least one n-doped region in the silicon substrate, metallic contacts on the p-doped region and the n-doped region, at least one dielectric boundary layer arranged between the contact and the silicon substrate and having a thickness of less than 5 nm, in particular less than 3 nm, wherein the boundary layer enables and little impedes an electrical current flow through the boundary layer, in particular a tunnel current flow
  • the Manufacturing process in addition to other process steps has the following process steps in which:
  • the boundary layer is produced in at least one boundary layer production step on at least one side of the substrate, in particular by oxidation of silicon to silicon oxide,
  • a dopant diffuses into the silicon substrate or into the previously undoped Si layer and / or the doping in the in-situ doped layer is activated as well as the one Si layer or both Si Layers are crystallized to nanocrystalline or microcrystalline Si layers with activated doping,
  • the method according to the invention requires only minimal additional investments in additional system technology, because in the simplest case all new method steps can be carried out in a single solar cell coating system according to the invention.
  • the method according to the invention can be used in a new
  • Production line according to the invention are carried out.
  • a conventional solar cell production line can also be expanded to a solar cell production line according to the invention by retrofitting a solar cell coating system according to the invention.
  • the method according to the invention is only slightly more complex than a conventional method, so that investments in solar cell coating systems according to the invention can quickly pay for themselves.
  • FIG. 1 is an external view of a solar cell coating system according to the invention
  • FIG. 2 shows an overview sketch of an exemplary embodiment of a solar cell coating system
  • FIG. 3 shows an overview sketch of an exemplary embodiment of a solar cell coating system
  • FIG. 6 shows a flow chart of a third exemplary embodiment of the method
  • FIG. 7 shows a cross section through a chamber with a hollow cathode gas shower.
  • FIG. 1 shows an external perspective view of an exemplary embodiment of a solar cell coating system 1 according to the invention. Specifically, the example shown is an inline system in which a boundary layer detection region 2, a Si separation region 3 and a protective layer separation region 4 in a line along one
  • the solar cell coating system 1 has further components, for example a loading chamber 16, a transfer chamber 17 and an unloading chamber 18.
  • Solar cell coating systems 1 also have a large number of individual components, their
  • FIG. 2 outlines an exemplary embodiment of a solar cell coating system 1 according to the invention, which largely corresponds to that of FIG. 1, in a top view. Same reference numerals in
  • FIG. 2 the loading module 16, where a substrate carrier 7 is loaded or introduced into the solar cell coating system 1, is adjacent to the boundary layer detection region 2.
  • the boundary layer formation region has a shorter length in the machining direction, which runs from left to right in the illustration in FIG. 2, than the substrate carrier 7.
  • the Chamber valves not shown, to the loading chamber 16 and one
  • Transfer chamber 17 must be open in order to provide the required space for the substrate carrier 7.
  • the boundary layer preparation area 2 is an oxidation area which has a shower head 5 through which gas containing ozone can flow.
  • the ozone is in the
  • the silicon deposition area 3 is a separate vacuum chamber with four linear microwave plasma sources 8, which in the exemplary embodiment presented are each connected to a silane connection 10 and a phosphine connection 11.
  • the phosphine is heavily diluted in hydrogen.
  • silane, doping gas and hydrogen are already mixed with one another in a common feed line.
  • the protective layer deposition area 4 has three microwave plasma sources 9 for depositing the protective layer, each of which is connected to a Sil connection 10, an ammonia connection 12 and a laughing gas connection 13.
  • 3 shows another embodiment of a solar cell coating system 1 'according to the invention, in which the silicon layer is deposited differently than in FIG. 2.
  • This system has four silicon deposition areas 3 ′ or Si deposition chambers, each of which has a silane connection 10 and a phosphine connection 11 and an NF3 connection as a means 15 for in-situ cleaning of the chamber.
  • each of the Si deposition areas 3 ' is here equipped with a parallel plate arrangement 14, with which very good layer thickness flomogeneities of the Si layers produced are achieved.
  • the substrates are coated on a substrate support 7 at the same time as the system is operating, and in the fourth deposition chamber 3' an in-situ cleaning takes place simultaneously, in which Si layers in the chamber are etched away.
  • the gaseous reaction products are pumped out of the vacuum pump of the coating area.
  • a solar cell coating system according to the invention has only a boundary layer detection region 2 and a Si deposition region with a parallel plate arrangement 14, such a system being more suitable as a development system than as a production system.
  • the protective layer deposition region 4 is omitted compared to the exemplary embodiment from FIG. 3.
  • FIG. 4 illustrates a first exemplary embodiment of the method 101 according to the invention for freezing solar cells on the basis of a flow chart of method sections.
  • Embodiment 1 relates to a method for the production of bifacial PERC solar cells with passivated rear contacts, a corresponding solar cell production line and a corresponding solar cell coating system used in the method.
  • the method according to the first exemplary embodiment has the following steps:
  • Solar cell coating system specifically in an inline continuous system with substrate carriers for substrates received in a matrix-like manner by the substrate carrier
  • PECVD deposits 121-123 of a passivation and anti-reflection layer on the back, consisting of an AIO x and an SiN x : H layer, and an SiN x : H passivation and
  • Antireflection layers are fired and electrical contacts are made with the solar cell (prior art), the contacts being passivated on the back due to the presence of the boundary layer (new).
  • a gas shower head with a plurality of gas outlet holes provides an ozone-containing gas as an oxidizing agent for the oxidation of the tempered solar wafers.
  • the thickness of the boundary layer formed by oxidation can be controlled by the throughput speed, the size of the gas shower head, the temperature and the pressure or gas partial pressures. In the exemplary embodiment presented, the thickness of the boundary oxide is approximately 2 nm. In other exemplary embodiments, other thicknesses are set in the range between 1 nm and 5 nm.
  • the ozone is in an immediately external in front of the
  • Gas shower head arranged ozone generator in which ozone is generated from oxygen.
  • ozone is generated differently, for example by means of a plasma, or other oxidizing agents are used, for example O2, N2O or H2O.
  • the Si layer is deposited from linear microwave plasma sources in a chamber that can be separated from adjacent chambers by chamber valves.
  • a gas mixture containing silane and diborane becomes boron-containing
  • Si Silicon layers deposited.
  • the chamber valves of the Si deposition chamber are only opened when the diborane feed is switched off in order to pass substrate carriers.
  • the protective layer in the 6th step of the method is an 80 nm thick SiON layer in the exemplary embodiment presented.
  • the surface of the Si layer to be protected is nitrided in an NH3 atmosphere.
  • further layer thickness is deposited using the precursors silane (S1H4), ammonia (NH3) and laughing gas (N2O) and from linear microwave plasma sources using PECVD.
  • the ammonia portion decreases and the laughing gas portion increases, so that the SiON layer is almost a silicon nitride at the boundary with the silicon layer and almost a silicon oxide layer on its surface.
  • the protective layer consists of a different material, for example SiN x , SiO x , SiC x O v Nz, AIO x, or the protective layer is deposited using another method, for example using an HF-PECVD or an ALD deposition method.
  • the second exemplary embodiment illustrated in FIG. 5 relates to a method 102 according to the invention for fixing monofacial PERT solar cells with passivated rear contacts, a corresponding solar cell production line and a corresponding solar cell coating system 1, 1 'which can be used in the method.
  • the method according to this exemplary embodiment has the following steps:
  • Solar cell coating system 1, 1 ' specifically in an inline continuous system with substrate carriers 7 for substrates received by the substrate carrier in a matrix-like manner, the oxide layer being formed on the rear side of the solar wafer in an oxidation region of the inline continuous system as it drives past a linear ozone shower head 5,
  • Microwave plasma sources 8 are deposited on passing substrate carriers 7,
  • Process steps 1-4 and 10-11 are the same or modified process steps compared to the prior art. These process steps can be carried out with the same plant technology that is also used in the prior art.
  • a solar cell coating system 1, 1 'according to the invention for carrying out process steps 5 - 7 or 116-118 in FIG. 4, and the crystallization furnace to carry out step 119.
  • the crystallization of the deposited silicon layer in a separate high-temperature step has the advantage that the crystallization can be optimized separately, this advantage outweighing the low additional costs of the furnace.
  • they are placed in closed substrate nests of a plate-shaped substrate carrier 7 with the back upward in order to carry out steps 5-7. (In other exemplary embodiments, the
  • the solar cell coating system is an inline system. Those loaded with solar wafers
  • Substrate carriers 7 pass through different processing areas of the solar cell coating system 1, 1 '.
  • Microwave plasma sources 8 are produced, as are outlined in FIG. 2. In other words,
  • the Si layer is instead deposited in the same coating chambers or coating areas 3 '(see FIG. 3) arranged one behind the other, which are loaded in the same loading cycles and unloaded in the same unloading cycles. Sometimes only three of the four coating chambers 3 'are used for coatings and the fourth multilayer coating chamber 3' is cleaned in the coating cycle.
  • BSF electrostatic back surface field
  • step 7 of the method is in the exemplary embodiment presented
  • Layer stack consisting of an ultra-thin SislNU starting layer formed by plasma nitriding and an 80 nm thick SiO x N y layer, which is deposited using FIF-PECVD using the precursors silane (SiFU), ammonia (NH 3 ) and nitrous oxide (N 2 O) becomes.
  • a method 103 for the production of bifacial PERC solar cells with passivated rear-side contacts and passivated front-side contacts is presented below.
  • PECVD deposits 121-123 of a passivation and anti-reflection layer on the back, consisting of an AIO x and an SiN x : H layer, and an SiN x : H layer - passivation and anti-reflection layer on the front,
  • Antireflection layers are fired and electrical contacts are made with the c-Si layers of the solar cell, the contacts being passivated contracts both on the back and on the front due to the presence of the boundary layers.
  • Dopant spreads remain locally restricted to the designated chambers or areas.
  • the carry-over of dopants into other coating chambers is reloaded by 126 to those for the dopant
  • Substrate carrier reached.
  • undoped Si layers and doping source layers thereon e.g. BSG or PSG, separated, so that in a subsequent diffusion step at sufficiently high temperatures
  • the doping source layers are here part of the protective layers designed as multilayer or gradient layers.
  • dopings are introduced over the entire surface or partially over masks by ion implantation into undoped deposited Si layers.
  • Exemplary embodiments use the same substrate supports for both differently doped Si deposits. This is made possible by the deposits in multilayer coating chambers, in which the protective layer is also deposited in addition to the Si layer, the
  • FIG. 7 shows schematically the cross section of a vacuum chamber 19 with a hollow cathode gas shower.
  • the upper electrode of the parallel plate arrangement is designed as a hollow cathode electrode which has a large number of cylindrical cavities.
  • Hollow cathode plate 20 which is attached to a gas shower 21.
  • the electrode segment is electrically and gas-technically connected to a corresponding connection element 23
  • the multiple electrode segments are all one
  • the base plate 22 connected so that precisely defined positions are ensured.
  • the base plate 22 consists of a carbon fiber compound (CFC). This material is characterized by a low density, a small coefficient of thermal expansion and good mechanical, chemical and thermal
  • the electrical connection of the electrode segments is carried out favorably in terms of HF technology via a symmetrical distribution, which is arranged symmetrically around a central connection 24 in a plan view, not shown.
  • the hollow cathode plate 20 is a segment of the electrode and it is made of a metal plate, here Monel. In the specific exemplary embodiment, the hollow cathode plate 20 is approximately 1 cm thick and cavities lying closely adjacent to one another here are cylindrical bores with a diameter of approximately 1 cm through the
  • the second electrode of the parallel plate arrangement is a simple planar grounded ground electrode 25 in the exemplary embodiment presented
  • Parallel plate arrangement 14 around several heaters 26 are arranged here, by means of which the desired process temperatures can be realized.
  • the processing plasma is formed in the chamber, a vacuum chamber 19 for carrying out a silicon PECVD deposition on a substrate carrier 7 which is loaded with a plurality of solar wafers.
  • the chamber is adapted to the respective pressures, temperatures and other requirements of other processes.
  • the chamber has a basic chamber body 27, an earthed cover edge element 28, an insulating frame 29 and an unearthed cover central element 31. Further components of the chamber, which are irrelevant for the illustration of the basic chamber structure, have been omitted from the sketch of FIG. 7 for a good clarity.
  • Plasma formation is achieved between the bottom electrode 25 and the hollow cathode electrode. Lateral borders of the plasma are over lateral Plasma delimitation elements 30 are reached which, in addition to electrical insulation, also bring about thermal insulation.
  • An HF shield 32 causes an electromagnetic housing of the HF distribution over the central cover element 31
  • Flohl cathode gas showers can be produced with high coating rates, whereby existing requirements for process temperatures up to 500 ° C, for the size of the process window and for long productive times between plant maintenance can be met, especially if the flute cathode chamber construction with the one presented with the help of Fig. 3 System concept is combined.
  • the cyclical in-situ cleaning etching also has its share in the high productivity.
  • the structure presented can be easily scaled and modified for other applications. In a modification not shown, the substrate for the coating is not stopped, but the substrates are moved during the coating, for example at a constant throughput speed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Solarzellen-Beschichtungsanlage zur Herstellung von dünnen Schichten auf einer ersten Solarzellenseite und/oder einer zweiten Solarzellenseite von kristallinen Silizium-Solarwafern mit einem Durchsatz von wenigstens 2000 Solarwafern pro Stunde (2000 W/h), sowie eine Solarzellen-Herstellungslinie und ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit einer solchen Solarzellen-Beschichtungsanlage. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, Möglichkeiten des wirtschaftlichen Herstellens von Solarzellen mit wenigstens einem passivierten Kontakt aufzuzeigen. Die Aufgabe wird durch eine Solarzellen-Beschichtungsanlage gelöst, die ausgebildet ist zur Herstellung wenigstens einer dünnen Grenzschicht aus einem dielektrischen Material auf einer ersten Solarzellenseite und/oder einer zweiten Solarzellenseite, wobei die Grenzschicht elektrisch leitfähig ist, insbesondere durch Tunnelströme, wenigstens einer dotierten oder undotierten Siliziumschicht auf der Grenzschicht, und wenigstens einer Schutzschicht auf der wenigstens einen Siliziumschicht, wobei die Grenzschicht und die Siliziumschicht und die Schutzschicht innerhalb der Solarzellen-Beschichtungsanlage herstellbar sind, ohne dass die Silizium-Solarwafer die Solarzellen-Beschichtungsanlage zwischenzeitlich verlassen.

Description

Solarzellen-Beschichtungsanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzellen-Beschichtungsanlage zur Herstellung von dünnen Schichten auf einer ersten Solarzellenseite und/oder einer zweiten Solarzellenseite von kristallinen Silizium- Solarwafern mit einem Durchsatz von wenigstens 2000 Solarwafern pro Stunde (2000 W/h), sowie eine Solarzellen-Herstellungslinie und ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit einer solchen Solarzellen-Beschichtungsanlage.
Bei der Herstellung von Solarzellen werden verschiedene Beschichtungsanlagen eingesetzt, wobei die Beschichtungsanlagen entsprechend der herzustellenden Schichtfolge mit technischen Mitteln zur Herstellung dieser Schichtfolge ausgestattet sind. Beispielsweise ist das Meyer Burger Produkt FABiA® eine Solarzellen-Beschichtungsanlage zur Abscheidung einer Siliziumnitrid-Passivier- und Antireflexionsschicht auf der Vorderseite der kristallinen Siliziumsolarzelle und einer Aluminiumoxid- und Siliziumnitrid-Passivierschicht auf der Rückseite. Diese Anlage kann in einer Solarzellen- Herstellungslinie zur Herstellung von PERC-Solarzellen zum Einsatz kommen. Die
Beschichtungskammern dieser Anlage sind mit Mikrowellenplasmaquellen, beispielsweise zur Abscheidung von Siliziumnitrid (SiNx) und zur Abscheidung von Aluminiumoxid (AIOx), ausgestattet. Details der Anlage, beispielsweise die Anzahl linearer Mikrowellenplasmaquellen für eine bestimmte Schicht, sind so konstruiert, dass die Anlage insgesamt einen hohen Durchsatz und kurze
Wartungsintervalle in hinreichend großen Zeitabständen hat.
Durchlaufanlagen mit linearen Mikrowellenplasmaquellen werden häufig zur Oxidation und zur Abscheidung dielektrischer Schichten für Zwecke der Passivierung und/oder der optischen
Interferenz in Antireflexions- oder Reflexionsschichten eingesetzt. Anlagen mit
Parallelplattenanordnungen und Duschköpfen zur homogenen Gaseinspeisung können gut zur homogenen Abscheidung hochreiner Halbleiterschichten eingesetzt werden. Produktionsanlagen mit einem großen Durchsatz von mehr als 2000 Solarwafern pro Stunde sind sehr auf die darin herzustellenden Schichten spezialisiert, das gilt insbesondere für Anlagen, wie z.B. die FABiA, die in einem Durchlauf mehrere Schichten hersteilen. Solche Solarzellen-Beschichtungsanlagen ermöglichen besonders niedrige Solarzellenherstellungskosten.
Solarzellen-Herstellungslinien aus dem Stand der Technik, beispielsweise zur Herstellung von PERC- Solarzellen, produzieren Solarzellen, deren Wirkungsgrade unter denen von Spitzensolarzellen aus dem Labor liegen. Höhere Wirkungsgrade als bei Mainstream-Solarzellen können beispielsweise durch die zusätzliche Passivierung von herkömmlich unpassivierten Kontakten erreicht werden, wobei das Herstellverfahren und die Herstellungslinie zur Realisierung zusätzlicher
Herstellungsschritte zu erweitern sind.
DE 10 2013 219 564 Al offenbart einen Ansatz zur Realisierung von Solarzellen mit passivierten Kontakten, beschäftigt sich jedoch nicht mit Anlagentechnik, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Möglichkeiten des wirtschaftlichen Herstellens von Solarzellen mit wenigstens einem passivierten Kontakt und dafür geeignete Herstellungslinien und Beschichtungsanlagen aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird durch eine Solarzellen-Beschichtungsanlage gelöst, die ausgebildet ist zur Herstellung:
- wenigstens einer dünnen Grenzschicht aus einem dielektrischen Material auf einer ersten
Solarzellenseite und/oder einer zweiten Solarzellenseite, wobei die Grenzschicht einen elektrischen Stromfluss durch die Grenzschicht , insbesondere einen Tunnelstromfluss, ermöglicht und wenig behindert,
- wenigstens einer dotierten oder undotierten insbesondere amorphen Siliziumschicht auf der Grenzschicht.
Außerdem kann die Solarzellenbeschichtungsanlage auch noch zur Herstellung wenigstens einer Schutzschicht auf der wenigstens einen Siliziumschicht ausgebildet sein.
Die Grenzschicht und die Siliziumschicht und teilweise auch die Schutzschicht sind dabei innerhalb der Solarzellen-Beschichtungsanlage herstellbar, ohne dass die Silizium-Solarwafer die Solarzellen- Beschichtungsanlage zwischenzeitlich verlassen.
Die erfindungsgemäße Solarzellen-Beschichtungsanlage ermöglicht das Aufrüsten einer
herkömmlichen Solarzellen-Herstellungslinie zur Herstellung von PERC-Solarzellen mit unpassivierten Kontakten zu einer neuen Herstellungslinie, die höherwertige Solarzellen mit passivierten Kontakten herstellt. Das Verbesserungspotential des absoluten Solarzellenwirkungsgrades liegt bei etwa 1%, wenn ein Kontakt passiviert ist, und bei etwa 2%, wenn beide Kontakte der Solarzelle passiviert sind. Die Solarzellen-Beschichtungsanlage kann auch eine Komponente einer neuen Solarzellen- Herstellungslinie für Solarzellen mit passivierten Kontakten sein. Zur Erläuterung der Erfindung soll im Folgenden ausgehend von der Beschreibung einer herkömmlichen Solarzellen-Herstellungslinie und eines herkömmlichen Herstellungsverfahrens die Erfindung eingeordnet und dargelegt werden. ln einer herkömmlichen Solarzellen-Herstellungslinie zur Herstellung von Solarzellen werden Solarwafer mit einer Basisdotierung bereitgestellt. Überwiegend ist die Grunddotierung eine p- Dotierung und die daraus hergestellten Solarzellen werden als PERC-Solarzellen bezeichnet. Mit kleineren Marktanteilen werden auch Solarwafer mit n-Grunddotierungen verwendet und daraus hergestellte Solarzellen werden als PERT-Solarzellen bezeichnet. Wegen der größeren Bedeutung und Bekanntheit der PERC-Technologie wird hauptsächlich darauf Bezug genommen, ohne dass diese Bezugnahme eine Einschränkung der Erfindung darauf bedeutet.
Am Anfang des Herstellungsverfahrens werden in der Regel in nasschemischen Anlagen sowohl von der Solarzellenvorderseite, das heißt von der primär zum Lichteinfall vorgesehenen Seite des Solarwafers, als auch von der Solarzellenrückseite Sägeschäden vom Sägen eines Siliziumblocks in dünne Wafer entfernt. Außerdem werden beidseitig oder einseitig Texturen erzeugt. Beim Sägen eines einkristallinen Siliziumblocks bzw. eines Ingots entstehen einkristalline Solarwafer und beim Sägen eines polykristallinen Blocks bzw. Bricks entstehen polykristalline Siliziumwafer. Einkristalline und polykristalline Wafer werden unter dem Oberbegriff kristalline Wafer zusammengefasst. Wenn nur auf der Solarzellenvorderseite ein Lichteinfall vorgesehen ist, dann werden die Solarzellen auch als monofaziale Solarzellen bezeichnet. Wenn zusätzlich auch die Rückseite der Solarzelle einen Lichteinfall ermöglicht, dann wird diese als bifaciale Solarzelle bezeichnet. Aus bifacialen Solarzellen aufgebaute bifaciale Solarmodule können je nach Installationsrichtung und optischen Eigenschaften des Untergrunds gegenüber monofacialen Solarmodulen beispielsweise 10-20 % mehr Jahresertrag bringen. Eine Texturierung, das heißt eine Rauheitserzeugung, der Oberfläche bewirkt auf der lichteinfallenden Seite eine Effizienzsteigerung. Insbesondere bei bifacialen Solarzellen kann auch eine beidseitige Textur vorgesehen sein. Bei monofacialen Solarzellen ist eine Textur der Rückseite aber nachteilig. Teilweise wird deshalb eine nasschemisch beidseitig erzeugte Textur auf der Rückseite in einem zusätzlichen Verfahrensschritt wieder entfernt. Texturen können auch mit Trockenätzverfahren hergestellt werden, wobei mit Trockenätzverfahren hergestellte Texturen niedrigere Reflexionsgrade und höhere Solarerträge erreichen können.
Dann wird in einem Diffusionsofen eine zur Grunddotierung entgegengesetzte Dotierung in den Solarwafer eindiffundiert, beispielsweise wird aus einer POCI3- Gasphase ein Phosphor dotierter Emitter (n-Dotierung) an der Vorderseite hergestellt, indem erst in Oberflächenschichten der Vorderseite und der Rückseite eines p-dotierten Solarwafers Phosphor eindiffundiert und dann die Phosphor dotierte Rückseitenschicht wieder entfernt wird, sodass an der Rückseite wieder das Bor- bzw. p-dotierte Grundmaterial freiliegt. Andere Diffusionsschritte können für oberflächliche Höherdotierungen (Surface-Field) eingesetzt werden. Vor der Aufbringung von Schichten sind Reinigungsschritte erforderlich, um Chemikalienreste und Verunreinigungen zu entfernen. Teilweise wird im Zusammenhang mit der Reinigung auch eine dünne SiC -Schicht an Oberflächen des Solarwafers gewachsen, weil dieses durch definierte Oxidation hergestellte S1O2 eine gute
Passivierungsgrundlage darstellt.
In weiteren Herstellungsschritten werden in Beschichtungsanlagen auf beide Seiten der Solarzelle dielektrische Schichten oder Schichtstapel aufgebracht, die als Passivierungsschichten und zumindest auf der Vorderseite auch als Antireflexionsschichten dienen. In einem rückseitigen Schichtstapel S1O2- AIOx-SiNx:H dient die Wasserstoff enthaltende Siliziumnitridschicht als eine Wasserstoffquelle, aus der Wasserstoff in die darunter liegenden Schichten diffundieren kann, woraus letztlich ein Beitrag für sehr gute Passivierungen resultiert. Der Stöchiometrie-Index x und der Wasserstoff-Hinweis: H sind teilweise auch weggelassen, weil ein Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung sinnvolle
Eigenschaften der angesprochenen Schichten auch ohne diese Hinweise kennt und diese bei einer Materialangabe ohne Stöchiometrie-Index mitliest. Auf der Rückseite kann die Passivierungsschicht als eine Reflexionsschicht ausgebildet sein, die rotes und infrarotes Licht, welches von der
Vorderseite her die Solarzelle durchschienen hat, besser zurück in die Solarzelle reflektiert als andere Schichtdesigns. Insbesondere bei bifacialen Solarzellen kann auf der Rückseite auch eine
Antireflexionsschicht vorgesehen sein, die von der Rückseite her einfallendes Licht größtenteils in die Solarzelle einlässt, um dort zur Stromerzeugung genutzt zu werden. Zur Herstellung der
Passivierungs- und Reflexions- oder Antireflexionsschichten kommen in der Regel CVD-, PECVD- und/oder ALD-Anlagen zum Einsatz.
Zum Herstellen elektrischer Anschlüsse industrieller Solarzellen kommen oft Metallpasten, insbesondere Silber- und Aluminiumpasten, zum Einsatz. Die Metallpasten können in
Siebdruckanlagen mit Siebdruck auf Teilflächen, z.B. im Bereich von Kontaktfingern und Busbars auf den Vorderseiten, oder ganzflächig auf den Rückseiten aufgebracht werden. Bei Standardsolarzellen wurde auf die Rückseiten ganzflächig eine Aluminiumpaste aufgebracht. Bei der PERC-Technologie werden die Solarzellenrückseiten im Unterschied zu den Standardsolarzellen nicht mehr ganzflächig kontaktiert sondern nur an lokalen Kontaktstellen, an denen zuvor durch ein Laserabtragverfahren die Rückseitenschichten vollständig oder so weit entfernt wurden, dass die Metallpasten sich beim Kontaktfeuern durch die verbleibendem Schichten ätzen und dabei einen metallischen Kontakt hersteilen können. Zwischen den lokalen Rückseitenkontakten ist die PERC-Solarzelle durch die Passivierungsschichten passiviert und erreicht dadurch einen höheren Wirkungsgrad als Standard- Solarzellen. Im Bereich der Kontakte, sowohl auf der Vorderseite der Solarzelle als auch auf der Rückseite, haben die durch Feuern aus den Metallpasten gebildeten Kontakte die
Passivierungsschichten durchdrungen. Im Bereich der Kontakte sind die PERC-Solarzellen und PERT- Solarzellen nicht passiviert, das heißt, es gibt dort noch aktive Rekombinationszentren, an denen durch den Photoeffekt erzeugte Elektron-Loch-Paare rekombinieren können, bevor sie getrennt voneinander zu den Kontakten der Solarzelle gelangen und als Elektroenergie genutzt werden können.
Mit der erfindungsgemäßen Solarzellen-Beschichtungsanlage ist es nun möglich, eine herkömmliche Solarzellen-Herstellungslinie so zu erweitern, dass damit statt herkömmlicher Solarzellen verbesserte Solarzellen mit passivierten Kontakten hergestellt werden können. Bei passivierten Kontakten ist zwischen dem Kontaktbereich und dem Solarzellenvolumen eine als Passivierungsschicht wirkende Grenzschicht angeordnet. Diese Passivierungsschicht kann eine derart dünne dielektrische
Grenzschicht sein, dass sie als Tunnelschicht von Ladungsträgern durch Tunnelströme durchdringbar ist, obwohl sie aus einem bei größerer Schichtdicke isolierenden Material, z.B. S1O2, hergestellt ist. Der Leitmechanismus an der Grenzschicht muss nicht notwendig ein Tunnelstrom sein, auch andere Leitmechanismen sind möglich, beispielsweise über Defekte in der Grenzschicht. Defekte können bei der Kristallisation entstandene Defekte in der Grenzschicht sein. Die Defekte können auch z.B. mit dotiertem Silizium aufgefüllt sein. In letzterem Fall enthält die dielektrische Schicht leitfähige Porenfüllungen, sodass die Schicht aus einem eigentlich dielektrischen Material dann insgesamt eine leitfähige Schicht ist.
Der Stromfluss durch die Grenzschicht ist insbesondere senkrecht durch die Grenzschicht bzw. in Richtung der Oberflächen-Normale möglich. In lateralen Richtungen kann die Grenzschicht hingegen Isolator-Eigenschaften haben. In der Solarzellen-Beschichtungsanlage wird die Grenzschicht aus einem Material hergestellt, das eigentlich zumindest bei größerer Dicke ein dielektrisches Material ist. Das bedeutet aber nicht, dass die Grenzschicht aus einem dielektrischen Material bei der geringen Dicke von höchstens wenigen Nanometern tatsächlich durchgehend aus dem dielektrischen Material besteht. Stattdessen kann die Grenzschicht bei genauer Betrachtung auch eine leitfähige Schicht sein, die beispielsweise eine Verbundschicht aus einer porösen dielektrischen Matrix und leitfähig aufgefüllten Poren ist. Die genaue strukturelle und chemische Analyse kleinster Strukturen in atomaren Größenordnungen ist generell schwierig und regelmäßig mit Unsicherheiten behaftet. Wesentlich ist das Ergebnis, dass infolge des Vorhandenseins der passivierten Kontaktanordnung hinreichend niedrige Kontaktwiderstände und hinreichend gute Passivierungen und insgesamt verbesserte Wirkungsgrade der Solarzelle erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Solarzellen-Beschichtungsanlage ist eine Anlage, die in einem
Anlagendurchlauf bzw. in einem Herstellungsschritt des Solarzellen-Herstellungsverfahrens mehrere Schichten aufeinander herstellt, nämlich die Grenzschicht, eine Siliziumschicht und eine
Schutzschicht. Die Schutzschicht schützt die frisch abgeschiedene Siliziumschicht vor ungewollter Aufnahme von Luftfeuchte oder der ungewollten Querkontamination mit anderen Dotierstoffen.
Per PECVD abgeschiedene Siliziumschichten, insbesondere amorphe Siliziumschichten, die bei Temperaturen unter 600°C hergestellt sind, sind poröse Schichten. Die amorphe Schicht kann auch bereits mikrokristalline Anteile enthalten, also eine polymorphe Schicht sein. In diese Schichten wird bei einer Vakuumunterbrechung und einem Kontakt mit Feuchte enthaltender Luft Feuchtigkeit eingebaut. Der Kontakt der Schicht bei höheren Temperaturen mit Oxidationsmitteln wie Sauerstoff oder Wasserdampf kann zur Oxidation der gesamten Schicht führen. Bei Anwesenheit von
Dotierstoffverbindungen, insbesondere von Diboran oder Phosphin, während der
Gasphasenabscheidung entstehen insitu-dotierte Siliziumschichten, die gleich nach der Abscheidung schon die für hohe Leitfähigkeiten erforderlichen Dotierstoffe enthalten, sodass die Dotierstoffe nicht nachträglich in die Schicht eingebracht werden müssen. Die Dotanden sind nach der
Abscheidung allerdings teilweise elektrisch noch nicht aktiv, das heißt sie leisten noch keinen Beitrag an einer guten Leitfähigkeit. Zur Aktivierung der Dotanden sind teilweise noch Bearbeitungsschritte bei höheren Temperaturen erforderlich. Nach einer Schichtabscheidung vorliegende Eigenschaften einer Schicht, beispielsweise die Leitfähigkeit einer insitu dotiert abgeschiedenen Siliziumschicht, können in nachträglichen Verfahrensschritten, beispielsweise in einem Hochtemperaturschritt, noch verändert werden. In dem Abscheideschritt werden zwar die Voraussetzungen geschaffen, dass die Solarzelle am Ende gut funktioniert. Die Einbindung des Abscheideschrittes in das gesamte
Herstellungsverfahren fließt aber auch in die Eigenschaften der Solarzelle ein. Eine genaue
Festlegung von Eigenschaften hergestellter Schichten in einem Patentanspruch ist schwierig, weil mögliche Prozessfenster von anderen Verfahrensschritten und Randbedingungen abhängen. Das zu erreichende Resultat, nämlich gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Solarzellen mit passivierten Kontakten, ist dennoch nicht mit beliebigen Schichten, sondern nur Schichten in engen Eigenschaftsbereichen erreichbar, die nur von bedarfsgerecht ausgebildeten Solarzellen- Beschichtungsanlagen hergestellt werden können. Die Schutzschicht ist eine dichte, die Siliziumschicht bei nachfolgenden Verfahrensschritten vor ungewollten Veränderungen schützende Schicht. Die Schutzschicht kann ein Schichtstapel oder eine Gradientenschicht sein. Beispielsweise kann die Schutzschicht zunächst aus einer
Siliziumnitridschicht an der Siliziumoberfläche und einer darauf befindlichen Siliziumoxidschicht bestehen. Von der Siliziumnitridschicht können insbesondere deren guten Diffusionsbarriere- Eigenschaften ausgenutzt sein. Von Siliziumoxidschichten kann die Eigenschaft ausgenutzt sein, dass Siliziumoxid einfach ohne Schädigung des unterliegenden Siliziums wieder entfernt werden kann. Das Material kann auch eine Oxynitrid-Gradientenschicht sein, in der der Stickstoffanteil mit größer werdendem Abstand zu der Siliziumschicht kleiner und der Sauerstoffanteil größer wird. Die genau verwendeten Materialien und Schichtdicken müssen bei der Integration in das Gesamtverfahren optimiert werden. Ein Teil der Schutzschicht kann auch als eine Dotierstoffquellen-Schicht abgeschieden sein, aus der ein Dotierstoff in die unterliegende Siliziumschicht eindiffundiert. Zur Herstellung von Schichten in einzelnen Verfahrensschritten des Herstellungsverfahrens ist die Herstellungslinie zur Durchführung des Verfahrens mit geeigneten Beschichtungsanlagen ausgestattet, die derart ausgebildet sind, dass sie die geforderten Schichten hersteilen können.
Die erfindungsgemäße Solarzellen-Beschichtungsanlage kann als eine Aufrüstung in eine
herkömmliche Solarzellen-Herstellungslinie integriert werden. Ein separater, zusätzlicher
Hochtemperaturschritt bei Temperaturen über 600°C zur Kristallisation der zuvor amorphen oder teilweise mikrokristallinen Siliziumschicht und zur Aktivierung enthaltener Dotierstoffe oder zur Eindiffusion von Dotierstoffen und dafür ein separater, zusätzlicher Kristallisationsofen sind entbehrlich, wenn die Schutzschicht eine räumliche Trennung bereitstellt und ein bereits vorhandener Hochtemperaturschritt und eine zugehörige Hochtemperatur-Behandlungsanlage bereits vorhanden sind und einfach mitgenutzt werden können. Somit können die erfindungsgemäße Solarzellen-Beschichtungsanlage, die damit ausgestattete Solarzellenherstellungslinie und ein darauf basierendes Verfahren eine überraschend einfache Lösung zur Herstellung kontakt-passivierter Solarzellen darstellen.
Möglichst große Anlagendurchsätze von über 2000 Solarwafern/h (w/h), besser größer 4000 w/h oder größer 6000 w/h können entweder dadurch erreicht werden, dass ausreichend viele Wafer gemeinsam in einem langsamen Prozess bearbeitet werden oder dass wenige Wafer schnell nacheinander schnelle Prozesse durchlaufen. Beide Ansätze (oder Mischansätze dazwischen) kommen in verschiedenen erfindungsgemäßen Anlagen zum Einsatz. Die Herstellung der verschiedenen Schichten kann mit zeitlichem Versatz am gleichen Ort durchgeführt werden, beispielsweise indem in ein Batchofenrohr, in dem viele Wafer auf einem Boot stehen, erst Ausgangs-Gase zur Herstellung einer Schicht und später CVD-Ausgangs-Gase (Präkursoren) zur Herstellung einer anderen Schicht eingelassen werden. Die Anlage kann auch mehrere Batch- Bearbeitungsreaktoren aufweisen, in welche die Wafer, mit Wafern beladene Substratträger oder beladene Boote nacheinander transportiert werden.
Die erfindungsgemäße Solarzellen-Beschichtungsanlage kann die verschiedenen Schichten auch in räumlich voneinander getrennten Bereichen der Anlage hersteilen, indem die Solarzellen- Beschichtungsanlage aufweist:
- wenigstens einen Grenzschicht-Herstellungsbereich, in welchem die dünne Grenzschicht aus einem dielektrischen Material herstellbar ist, wobei die Grenzschicht einen elektrischen Stromfluss durch die Grenzschicht, insbesondere einen Tunnelstromfluss, ermöglicht und wenig behindert,
- wenigstens einen Si-Abscheidebereich, in welchem die dotierte oder undotierte insbesondere amorphe Siliziumschicht auf der Grenzschicht abscheidbar ist.
Außerdem kann die Solarzellen-Beschichtungsanlage nochwenigstens einen Schutzschicht- Abscheidebereich aufweisen, in welchem die Schutzschicht direkt auf der Siliziumschicht oder auf einer zuvor auf der Siliziumschicht abgeschiedenen Dotierschicht abscheidbar ist, wobei die Grenzschicht und die Siliziumschicht und die Schutzschicht in einem Durchlauf durch die Solarzellen- Beschichtungsanlage herstellbar sind. Diese Anlage ist eine Durchlaufanlage, die durch schnelle gleichzeitige Bearbeitung weniger Solarwafer und eine große Durchlaufgeschwindigkeit vieler Solarwafer einen ausreichend großen Anlagendurchsatz erreicht.
Bei den einzelnen Herstellungsbereichen kann es sich um separate Kammern handeln. Teilweise sind die einzelnen Herstellungsbereiche nicht durch komplett geschlossene, körperliche Kammerwände voneinander getrennt, sondern durch einfachere Mittel realisiert, wie z.B. Blenden, Gasvorhänge und/oder Abstände.
Die zunächst auf der Grenzschicht abgeschiedene Siliziumschicht dient der Kontaktierung durch die Metallkontakte. In dieser Schicht ist das Vorhandensein von Rekombinationszenten unkritischer als im Solarzellenvolumen, weil die Ladungsträger hier schon getrennt sind und der Minoritäts- Ladungsträgertyp wahrscheinlicher nicht zur Rekombination zur Verfügung steht. Für eine ausreichende Leitfähigkeit bzw. für hinreichend kleine Kontaktwiderstände muss die Siliziumschicht dotiert sein. Zur Einbringung der Dotierstoffe kann eine insitu-dotierende Abscheidung zum Einsatz kommen, bei der ein Dotiergas, z.B. Diboran schon bei der Abscheidung anwesend ist und dadurch der Dotierstoff, z.B. Bor, gleich während der Abscheidung in die Schicht eingebaut wird. Der Dotierstoff kann alternativ auch aus einer anderen Schicht, beispielsweise aus einer Borsilikatglas- Schicht (BSG) oder aus einer Phosphorsilikatglas-Schicht (PSG), in eine zuvor undotiert abgeschiedene Schicht eindiffundiert werden. Dotierte Schichten auf einer Seite der Solarzelle können auch hergestellt werden, indem eine hohe Dotierung in den kristallinen Wafer oder in eine Siliziumschicht eindiffundiert wird. p-Dotierungen mit Bor können beispielsweise aus einer BBr3- Gasphasenatmosphäre oder n-Dotierungen mit Phosphor aus einer Phosphoroxychlorid (POCI3)- Gasphasenatmosphäre eindiffundiert werden. Die Seite der Solarzelle, die dabei nicht dotiert werden soll, wird entweder mittels einer Schutzschicht vor dem Diffusionsschritt geschützt oder die Seite wird zunächst mit dotiert und anschließend wird die dotierte Schicht chemisch (insbesondere nasschemisch) auf der einen Seite der Solarzelle wieder entfernt. Dotierstoffe können auch durch Ionenimplantation eingebracht werden, wobei durch Maskentechniken auf der Rückseite eines Solarwafers räumlich voneinander getrennte Gebiete entgegengesetzter Dotierungen herstellbar sind. Zum weitgehenden Wirksamwerden von Dotierstoffen in einer bei niedrigen Temperaturen, von z.B. unter 400°C, insitu dotiert abgeschiedenen Schicht ist in der Regel eine Aktivierung, d.h. eine Temperaturbehandlung bei höheren Temperaturen erforderlich. Bei diesen höheren Temperaturen kann auch gleichzeitig eine Verdichtung und eine Kristallisation der zuvor abgeschiedenen
Siliziumschicht erfolgen.
Die Solarzellen-Beschichtungsanlage kann dafür ausgerüstet sein, in dem Grenzschicht- Herstellungsbereich auf der ersten Solarzellenseite und der zweiten Solarzellenseite die Grenzschicht beidseitig herzustellen, sowie auf der ersten Solarzellenseite eine Si-Beschichtung eines ersten Dotierungstyps (n-Dotierung bzw. p-Dotierung) und auf der zweiten Solarzellenseite eine Si- Beschichtung eines zweiten, zum ersten Dotierungstyp entgegengesetzten Dotierungstyps abzuscheiden. Die abgeschiedene Siliziumschicht kann eine Dicke zwischen 15 und 500 nm, bevorzugt zwischen 50 und 150 nm, konkret beispielsweise 75 nm haben. Bei der Herstellung einseitiger passivierter Kontakte auf den Rückseiten von PERC und PERT Solarzellen unter
Verwendung von gefeuerten Metallpasten werden ohne Optimierungen mit Schichtdicken von 120 nm gute Ergebnisse erreicht, nach Prozessoptimierungen können auch Schichtdicken von 80 nm und darunter beherrscht werden. Es erscheinen sogar Minimierungen der Schichtdicke bis herunter zu 15 nm möglich. Dünnere Schichten haben dabei den Vorteil eines geringeren Herstellungsaufwands. Dickere Schichten haben den Vorteil , dass sie definierte Schichteigenschaften und größere
Prozessfenster für die Kontaktierung durch Metallpasten bereitstellen. Bei Kontaktierungsvarianten ohne Metallpasten können auch dünnere Siliziumschichten funktionieren. Wenn bei nachfolgenden Prozessschritten die Siliziumschicht teilweise abgeätzt wird, dann können entsprechend der benötigten Opferschichtdicke größere Schichtdicken erforderlich sein.
Niedrigpreisige und dadurch wirtschaftliche Solarzellen sind regelmäßig auf beiden Seiten kontaktiert, sowohl an der dem Licht zugewandeten Vorderseite als auch der in der Regel zumindest weniger beleuchteten Rückseite. Da die Kontakte beim Lichteinfall lokal Abschattungen verursachen, sollen sie so wenig Fläche wie möglich belegen. Verschiedene Busbar- und Fingerdesigns als
Kontaktstrukturen und Kontaktstrukturen ohne Busbars, wie die in der Smart Wire Connection Technologie (SWCT) verwendeten, sind ein Technikgebiet neben der vorliegenden Erfindung und sollen hier deshalb nicht weiter erläutert werden. In verschiedenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Fierstellung von Solarzellen können verschiedene bekannte Kontaktherstellungsverfahren integriert sein. Herkömmliche, beidseitig kontaktierte Solarzellen, beispielsweise PERC-Solarzellen oder PERT-Solarzellen, haben sowohl auf ihrer Vorderseite als auch an Ihrer Rückseite unpassivierte Kontakte. Verbesserungspotential für diese Solarzellen besteht sowohl bei der Einführung passivierter Rückseitenkontakte als auch passivierter Vorderseitenkontakte. Der größte Effekt ist erreichbar, wenn alle Kontakte passiviert werden. Es können aber auch nur die Kontakte auf der Vorderseite oder auf der Rückseite passiviert werden, beispielsweise weil mit einer solchen einseitigen Passivierung der größte Effekt erreicht wird oder einfach, weil der eingesetzte Prozess am einfachsten funktioniert. Die Herstellung von passivierten Kontakten auf beiden Solarzellenseiten ist entsprechend der doppelten Anzahl erforderlicher Schichten aufwendiger als die Herstellung von passivierten Kontakten auf nur einer Solarzellenseite. Für die Herstellung von passivierten Kontakten auf beiden Seiten kann eine erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung der passivierten Kontakte auf der Vorderseite und eine erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung der passivierten Kontakte auf der Rückseite eingesetzt werden. Es können aber auch alle Schichten auf beiden Solarzellenseiten in einer einzigen aufwendigen, erfindungsgemäßen Anlage hergestellt werden. Teilweise können Synergien genutzt werden, beispielsweise indem eine Schicht, wie die Grenzschicht oder die
Schutzschicht in einem Prozess auf beiden Seiten der Solarzelle hergestellt wird. Beispielsweise können beide Seiten des Solarwafers gemeinsam oxidiert werden, um auf beiden Seiten
Grenzschichten herzustellen. Die entgegengesetzt zu dotierenden Siliziumschichten auf beiden Solarzellenseiten müssen zur Gewährleistung der gewollten Dotierungen sorgfältig separat hergestellt werden. Teilweise ist dabei auch das Umladen der Substrate auf andere, für die jeweilige Abscheidung dedizierte Substratträger erforderlich. Der Grenzschicht-Herstellungsbereich kann ein Oxidationsbereich sein, in dem insbesondere eine Oberflächenlage des Silizium- Solarwafers zu einer Siliziumoxidschicht aufoxidiert wird. Das durch Oxidation gebildete Oxid ist mit seinem atomaren Aufbau gut an die Unterlage aus kristallinem Silizium angepasst und deshalb eine gute oder sogar bevorzugte Passivierungsschicht. Zudem ist eine Oxidation des Substrats ein besonders einfacher und kostengünstiger Prozessschritt. Es können aber auch andere Oxidschichten durch Oxidation hergestellt werden. Oxidationen können auch
Bestandteile von ALD-Abscheidungen sein. Beispielsweise können Aluminiumoxidschichten lagenweise hergestellt werden, indem abwechselnd eine Lage eines Aluminiumprecursors an der zu beschichtenden Oberfläche angelagert und dann oxidiert wird. Unter bestimmten Voraussetzungen werden solche Abscheidungen auch als Atomlagenabscheidungen (ALD) bezeichnet. Der
Oxidationsbereich kann einen mit einem 03-haltigen Gas durchströmbaren Duschkopf aufweisen, der von einer Ozonquelle gespeist wird. Ozon ist ein geeignetes Gas, um bei niedrigen Temperaturen schnell eine Oxidschicht zu bilden. Die Eigenschaften der Grenzschicht, insbesondere Ihre Dicke, wirken sich direkt auf die Eigenschaften der hergestellten Solarzellen aus. Deshalb muss die
Grenzschicht eine gute Homogenität sowohl auf einem Solarwafer (with-in-wafer-(wiw)-uniformity) als auch auf benachbarten Solarwafern haben (wafer to wafer-(wtw)-uniformity). Eine Voraussetzung zur Erreichung einer guten Homogenität ist eine gleichmäßige Gasbereitstellung. Die gleichmäßige Gasbereitstellung kann durch Duschköpfe realisiert sein. Diese können lineare Injektoren sein, die auch als eindimensionale Duschköpfe angesehen werden können, welche jeweils entlang einer Linie eine gleichmäßige Gasausströmung für darunter vorbeifahrende Solarwafer bereitstellen. Mehrere benachbarte lineare bzw. 1-dimensionale Injektoren können zu einem 2-dimensionalen Duschkopf kombiniert sein. Der Duschkopf kann auch ein zweidimensionaler Duschkopf sein, der für einen oder mehrere Solarwafer auf einer unbewegten oder bewegten Fläche hinreichend definierte
Partialdrücke des Oxidationsmittels bereitstellt, um die gewünschte homogene Oxidation zu erreichen. Die Ozonquelle kann ein externer Ozongenerator sein, wobei das Ozon in bekannter Weise in einem separaten Raum von dem Ozongenerator erzeugt und über eine Leitung in den Oxidationsbereich gebracht wird. Ozon kann aber auch direkt in dem Oxidationsbereich aus
Sauerstoff oder einem anderen Sauerstoff enthaltenden Gas gebildet werden, beispielsweise mittels eines Plasmas oder mittels einer UV-Lichtquelle. Der Oxidationsbereich kann eine
Mikrowellenplasmaquelle und einen Gasanschluss für ein O2, O3 oder N2O enthaltendes Gas aufweisen. In Mikrowellenplasmen werden Ionen mit niedrigen Energien erzeugt, sodass mit einem Mikrowellenplasma keine Strahlungsschäden an den behandelten Solarwaferoberflächen entstehen. Außerdem sind mit Mikrowellenplasmaquellen große Plasmadichten und schnelle Prozesse möglich. Die Solarzellen-Beschichtungsanlage kann eine Inline-Anlage sein, in der wenigstens der Grenzschicht-Herstellungsbereich, der wenigstens eine Si-Abscheidebereich und ein Schutzschicht- Abscheidebereich auf einer Linie aufgereiht sind, wobei in dem Schutzschicht-Abscheidebereich die Schutzschicht direkt auf der Siliziumschicht oder auf einer zuvor auf der Siliziumschicht
abgeschiedenen Dotierschicht abscheidbar ist, und wobei die Grenzschicht und die Siliziumschicht und die Schutzschicht in einem Durchlauf durch die Solarzellen-Beschichtungsanlage herstellbar sind. Anlagen mit Transportvorrichtungen für einen geraden Substratdurchlauf sind besonders einfach aufgebaut, wenn man sie mit anderen Anlagentypen vergleicht, beispielsweise mit einer
kreisförmigen Kammeranordnung um einen zentralen Handlingsbereich. Weitere Vorteile von Inline- Anlagen sind ihre Kompaktheit, Wartungsfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit. Die Solarzellen- Beschichtungsanlage kann auch zwei gerade miteinander fluchtende oder parallele
Bearbeitungswege bzw. inline - Anordnungen aufweisen, beispielsweise einen ersten
Bearbeitungsweg zur Beschichtung der Solarzellenvorderseite und einen zweiten Beschichtungsweg zur Beschichtung der Solarzellenrückseite.
Ein Si-Abscheidebereich der Solarzellen-Beschichtungsanlage kann eine abschließbare PECVD- Kammer mit einer darin enthaltenen, bei HF-Frequenz betreibbaren Parallelplattenanordnung sein, wobei die PECVD-Kammer wenigstens einen Gasanschluss aufweist, insbesondere einen Silan- und einen Diborananschluss . Mehrere Gase können teilweise vor der PECVD-Kammer in einer gemeinsamen Zuführleitung gemischt werden, sie können auch über separate Gasleitungen zugeführt werden, bzw. sie müssen es wenn die Gase in der Leitung miteinander reagieren würden. Neben den bereits genannten kann die Kammer weitere Gasanschlüsse aufweisen, insbesondere einen H2-Anschluss. Der Dotierstoff kann auch in einer Verdünnung in H2 bereitgestellt werden. In dieser Kammer kann entsprechend eine Bor enthaltende a-Si-Schicht abgeschieden wenden. Durch die abschließbare Kammer kann die räumliche Verschleppung des Dotierstoffs Bor außerhalb des für Bor vorgesehenen Abscheidebereichs hinreichend klein gehalten werden. Eine PECVD-Kammer zur Abscheidung einer n-dotierten Siliziumschicht kann mit Silan- und einen Phosphin-oder Arsin- Quellen gekoppelt sein. Für andere Abscheidungen mit Beteiligung von Dotierstoffen können entsprechend auch eigene PECVD-Kammern bereitgestellt sein. Zur Abscheidung der dotierten oder undotierten Siliziumschichten können auch thermische CVD Kammern oder anderweitig räumlich begrenzte Plasmabeschichtungsbereiche vorhanden sein.
Wenigstens eine Platte der Parallelplattenanordnung der erfindungsgemäßen Solarzellen- Beschichtungsanlage kann als eine Hohlkathoden-Gasdusche ausgebildet sein, wobei Austrittshohlräume der Hohlkathoden-Gasdusche als Hohlkathoden zur Ausbildung einer
Hohlkathodenentladung darin ausgebildet sind. Der Umstand, dass durch Hohlräume im Bereich der Kathode zur Ausbildung von Hohlkathoden höhere Plasmadichten als ohne die Hohlräume realisierbar sind ist aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei haben die Hohlräume Abmessungen, im Bereich von freien Weglängen von Plasmabestandteilen, insbesondere der Elektronen, sodass dorch Zusätzliche Stöße in den Hohlräumen der Plasmadichte vergrößert werden kann. In der erfindungsgemäßen Solarzellenbeschichtungsanlage kann eine Siliziumabscheidekammer mit einer Hohlräume enthaltenden Elektrodenplatte der Parallelplattenanordnung ausgestattet sein, wobei die Hohlkathoden bei einer in der Kammer durchgeführten PECVD-Abscheidung und/oder bei einer plasmagestützten Reinigungsätzung in der Kammer zu dichteren Plasmen und entsprechend schnelleren Bearbeitungen kürzere Prozesszeiten ermöglichen. Mit RF abgeschiedene Si-Schichten erreichen größere Dichten als mit Mikrowellenplasmen abgeschiedene Schichten. Die RF-PECVD-Si- Schichten sind kaum hygroskopisch bei einer Vakuumunterbrechung, sodass eine Schutzschicht entbehrlich ist und die Solarzellen-Beschichtungsanlage zur Herstellung passivierter Kontakte ohne einen Schutzschicht-Herstellungsbereich ausgebildet sein kann. Die entwickelte Kammer mit der Hohlkathoden-Gasdusche kann auch in anderen Anlagen zur Abscheidung anderer Schichten als Siliziumschichten oder in Ätzanlagen zur Durchführung anderer Ätzprozesse eingesetzt werden.
Die Hohlkathoden-Gasdusche kann modular aus mehreren gleich großen Hohlkathoden-Segmenten zusammengesetzt sein, wobei die Hohlkathoden-Segmente insbesondere symmetrisch um eine zentrale HF-Einspeisung angeordnet sind. Großflächige Substrate, beispielsweise zweidimensionale Substratträger für 7x8 (= 56) ca. 161 mm große Solarwafer, bedingen entsprechend groß
dimensionierte Beschichtungsanlagen und in Parallelplattenanordnungen für stationäre
Beschichtungen auch entsprechend große Elektrodenplatten. Die Herstellung großer Anlagenteile ist aufwendig und teuer. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefundene Lösung, die gesamte Elektrode aus mehreren Elektrodensegmenten zusammenzusetzen, ermöglicht eine effiziente Herstellung und letztlich kostengünstige Prozesskammern. Durch geeignete gemeinsame
Versorgungen der mehreren Segmente mit elektrischer Hochfrequenz-Energie und mit Prozessgasen über Verteilungen, wirken die mehreren Elektrodensegmente beispielsweise als eine
Elektrodenplatte einer Parallelplattenanordnung zusammen. Um zentrale Einspeisepunkte herum symmetrische angeordnete Verteilungen tragen zu homogenen Bearbeitungen in der Kammer bei. In Durchlaufanlagen mit einem kontinuierlichen Durchlauf können auch lineare Anordnungen von beipielsweise lx 4=4 Elektrodensegmenten angeordnet sein. Der Schutzschicht-Abscheidebereich der erfindungsgemäßen Solarzellen-Beschichtungsanlage kann wenigstens eine Mikrowellenplasmaquelle und insbesondere Gas-Anschlüsse von Silan, Ammoniak, Lachgas, Sauerstoff und/oder Methan aufweisen, um eine SiNx, SiOxNy oder SiCxNy-Schicht abscheiden zu können. Die Schutzschicht wird so gewählt, dass sie die darunter befindliche
Siliziumschicht vor der Eindiffusion von unerwünschten Stoffen, insbesondere von Wasser und unerwünschten Dotierstoffen, beispielsweise eine p-dotierte Si-Schicht vor Phosphor aus einer POCU-Atmosphäre, und andere Teile des Solarwafers vor dem von der Schutzschicht abgedeckten Dotierstoff schützt. Vorzugsweise behindert die Schutzschicht auch eine Dotierstoffdiffusion aus der Siliziumschicht in die Schutzschicht, insbesondere indem sie eine Diffusionsbarriere aus Siliziumnitrid aufweist.
Die erfindungsgemäße Solarzellen-Beschichtungsanlage kann wenigstens einen Mehrschicht- Herstellungsbereich aufweisen, in welchem zeitlich nacheinander wenigstens zwei der folgenden drei Schichten herstellbar sind: die dünne Grenzschicht aus einem dielektrischen Material; die dotierte oder undotierte, insbesondere amorphe Siliziumschicht; und die Schutzschicht. In dieser
Solarzellenbeschichtungsanlage wird der Schichtstapel von wenigstens zwei Schichten also nicht in an verschiedenen Orten befindlichen Schichtbildungsbereichen hergestellt, sondern es werden zumindest zwei Schichten am gleichen Ort durch einen zeitlichen Abstand verschiedener
Beschichtungsschritte zueinander hergestellt. An gleichen Ort wird also erst eine erste Schicht, dann eine zweite Schicht hergestellt. Teilweise wird auch noch eine dritte Schicht am gleichen Ort hergestellt. In einem Abscheidebereich werden also in verschiedenen Varianten der Erfindung die Grenzschicht und die Siliziumschicht oder die Siliziumschicht und die Schutzschicht oder die
Grenzschicht und die Siliziumschicht und die Schutzschicht hergestellt. Wenn in dem einen
Abscheidebereich nur zwei der genannten drei Schichten hergestellt werden, dann wird die übrige Schicht entsprechend in einem anderen Abscheidebereich hergestellt.
Die Solarzellen-Beschichtungsanlage kann wenigstens zwei gleichzeitig zur Schichtherstellung nutzbare Beschichtungsbereiche oder Mehrschicht-Herstellungsbereiche aufweisen. Für die
Herstellung mehrerer Schichten wird mehr Zeit benötigt als zur Herstellung nur einer Schicht. Um auch bei langsamen Abscheidungen in einem Beschichtungsbereich die benötigten hohen Durchsätze der Beschichtungsanlage zu erreichen, kann die Beschichtungsanlage zwei oder mehr als zwei gleiche Beschichtungsbereiche oder Mehrschicht-Herstellbereiche aufweisen, welche gleichzeitig benutzbar sind, sodass in einem Zeitintervall mehr Substrate beschichtet werden können als in einer Anlage mit nur einem Beschichtungsbereich oder Mehrschicht-Herstellbereich. Weitere Anlagenkomponenten mit kürzeren Zykluszeiten als die Beschichtungsbereiche, beispielsweise Schleusenkammern und Automatisierungskomponenten zum Umladen von Substraten, können den mehreren
Beschichtungsbereichen gemeinsam zugeordnet sein, sodass die Beschichtungsanlage insgesamt kompakt und kostengünstig aufgebaut ist.
Der Beschichtungsbereich oder der Mehrschicht-Herstellungsbereich kann dabei jeweils eine abschließbare Vakuumkammer sein und die Solarzellen-Beschichtungsanlage kann eine Inline- Substratbearbeitungsanlage mit wenigstens zwei Vakuumkammern und einer Transportvorrichtung für zwei-dimensionale Substratträger sein, wobei die Substratträger von der Transportvorrichtung taktweise in zwischen Arbeitstakten erfolgenden Transporttakten zwischen verschiedenen Kammern der Solarzellen-Beschichtungsanlage bewegbar sind. Beschichtungsprozesse werden regelmäßig in Vakuumkammern durchgeführt, einerseits, weil in Vakuumkammern die benötigten sauberen Prozessbedingungen bereitgestellt werden können und andererseits teilweise auch, weil physikalische und/oder chemische Prozesserfordernisse eine Abscheidung bei Unterdrück bzw. im Vakuum erfordern. Teilweise werden auch Normaldruckverfahren oder Überdruckverfahren in Vakuumkammern durchgeführt, weil in diesen schnelle Gaswechsel und die benötigte Gasreinheit bereitgestellt werden können. Inline-Anlagen, bei denen mehrere Kammern entlang einer Linie angeordnet sind, können kompakter aufgebaut werden als andere Mehrkammeranlagen, bei denen mehrere Kammern um einem zentralen Handlingsbereich angeordnet sind. Inline Solarzellen- Beschichtungsanlagen verwenden große zwei-dimensionale Substratträger, von denen viele Substrate, beispielsweise zweiundvierzig in sechs Spalten und sieben Zeilen angeordnete Solarwafer, getragen werden, die entsprechend große Oberflächen haben und die entsprechend große
Vakuumkammern und sonstige Kammern erfordern. Bei diesen großen Kammern ist das
Inlinekonzept gegenüber anderen, weniger platzsparenden Konzepten von besonderem Vorteil. Zur Bewegung der Substratträger durch verschiedene Kammern weist die Substratbeschichtungsanlage eine Transportvorrichtung auf. Die Transportvorrichtung kann angetriebene und nicht angetriebene Transportrollen aufweisen, von denen Laufschienen der Substratträger angetrieben und geführt werden. Die Transportvorrichtung kann auch anderweitig aufgebaut sein, z.B. unter Verwendung von Transportbänden, Pendel-Balken, Zugketten oder Schubstangen. Auch in einer Inline-Anlage können mehrere, gleiche Bearbeitungskammern hintereinander angeordnet sein. Die Transportvorrichtung sorgt dann dafür, dass die mehreren Kammern taktweise mit unbearbeiteten Substraten bestückt werden. Nach dem Bearbeitungstakt, in dem in mehreren Kammern gleichzeitig Substrate bearbeitet wurden, werden in einem weiteren Transporttakt die bearbeiteten Substrate aus mehreren Kammern von der Transportvorrichtung weitertransportiert. Die Solarzellen-Beschichtungsanlage weist eine Steuerung auf, die unter anderem die logistischen Abläufe der Transportvorrichtung steuert.
Die Solarzellen-Beschichtungsanlage kann auch als eine Substratbearbeitungsanlage mit wenigstens zwei Vakuumkammern und einer Transportvorrichtung zum taktweisen Bewegen von drei dimensionalen Substratträgern ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Solarzellen- Beschichtungsanlage mehrere Rohr-Reaktoren aufweisen, in denen in Booten aufgenommene Substrate bearbeitet werden. Die Substratoberflächen befinden sich dabei in unterschiedlichen Ebenen in einem dreidimensionalen Raum. Die Transportvorrichtung transportiert dabei die beladenen Boote in die einzelnen Vakuumkammern hinein und aus diesen heraus. Teilweise realisiert die Transportvorrichtung auch Bewegungen während der Bearbeitung, beispielsweise Hin- und Her- Oszillationen zum Verhindern anlagenspezifischer Bearbeitungsmuster bzw. für eine homogene Beschichtung.
Die Vakuumkammern sind in verschieden Ausgestaltungen der Erfindung mit Mitteln für eine Insitu- Reinigung ausgestattet sind. In Beschichtungskammern treten regelmäßig auch Beschichtungen von Anlagenteilen auf, wo eigentlich keine Beschichtung benötigt wird. Die Beschichtungen müssen regelmäßig entfernt werden, beispielsweise um Abplatzungen zu vermeiden. Eine erfindungsgemäße Solarzellen-Beschichtungsanlage mit mehreren Vakuumkammern kann dafür ausgebildet sein, in der einen Kammer eine Abscheidung auf Substraten und gleichzeitig eine Reinigung einer anderen Vakuumkammer durchzuführen. In einer solchen Anlage kann das Reinigen fließend in den
Produktionsablauf integriert werden, sodass eine große Anlagenverfügbarkeit erreicht wird.
Beispielsweise kann eine Inline-Beschichtungsanlage so eingerichtet sein, dass von vier
Beschichtungskammern immer drei zur Beschichtung genutzt werden und die vierte Kammer gereinigt wird, wobei rollierend nacheinander alle Kammern gereinigt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch von einer Solarzellen-Herstellungslinie zur Herstellung von Solarzellen aus Solarwafern gelöst , in welcher in den p- oder n-dotierten Solarwafer eine entgegengesetzt dotierte Lage eindiffundiert wird oder auf dem p- oder n-dotierten Solarwafer eine entgegengesetzt dotierte Schicht ausgebildet wird, Solarwafer mit Passivierungsschichten und wenigstens einer Antireflexionsschicht beschichtet werden und die Solarwafer unter Ausbildung von Solarzellen mit Kontakten für den externen elektrischen Anschluss ausgestattet werden, die sich dadurch auszeichnet, dass die erfindungsgemäße Solarzellen-Herstellungslinie gegenüber einer herkömmlichen Solarzellen-Herstellungslinie aus dem Stand der Technik zusätzlich wenigstens eine erfindungsgemäße Solarzellen-Beschichtungsanlage aufweist, um mit dieser Solarzellen- Beschichtungsanlage wenigstens einen passivierten Kontakt der Solarzelle zu realisieren.
Eine Solarzellen-Herstellungslinie weist in einigen Ausführungsbeispielen eine Solarzellen- Beschichtungsanlage zur Herstellung von passivierten Kontakten an der Rückseite einer PERC Solarzelle auf. In anderen Ausführungsbeispielen weist die Solarzellen-Herstellungslinie eine
Solarzellen-Beschichtungsanlage zur Herstellung von passivierten Kontakten an der Rückseite einer PERC Solarzelle und eine Solarzellen-Beschichtungsanlage zur Herstellung von passivierten Kontakten an der Vorderseite der PERC Solarzelle auf. In weiteren Ausführungsbeispielen weist die Solarzellen- Herstellungslinie eine Solarzellen-Beschichtungsanlage zur Herstellung von passivierten Kontakten an der Rückseite und zur Herstellung von passivierten Kontakten an der Vorderseite einer PERC
Solarzelle auf. In weiteren nicht einzeln aufgeführten Ausführungsbeispielen sind Solarzellen- Herstellungslinien anderer Technologien, z.B. PERT, mit passenden erfindungsgemäßen Solarzellen- Beschichtungsanlagen ausgestattet. Die verschiedenen Beschreibungen von Optionen
erfindungsgemäßer Solarzellen-Beschichtungsanlagen gelten entsprechend auch für verschiedene Optionen verschiedener Solarzellen-Herstellungslinien.
Des Weiteren wird die Aufgabe der Erfindung von Verfahren zur Herstellung von auf kristallinem Silizium basierenden Solarzellen mit jeweils einem kristallinen Siliziumsubstrat, wenigstens einem p- dotierten Bereich und wenigstens einem n-dotierten Bereich in dem Siliziumsubstrat, metallischen Kontakten an dem p-dotierten Bereich und dem n-dotierten Bereich, wenigstens einer zwischen dem Kontakt und dem Siliziumsubstrat angeordneten dielektrischen Grenzschicht mit einer Dicke unter 5nm , insbesondere unter 3 nm, wobei die Grenzschicht einen elektrischen Stromfluss durch die Grenzschicht, insbesondere einen Tunnelstromfluss, ermöglicht und wenig behindert, gelöst, wobei das Herstellungsverfahren neben weiteren Verfahrensschritten die folgenden Verfahrensschritte aufweist, in denen:
- in wenigstens einem Grenzschichtherstellungsschritt auf wenigstens einer Seite des Substrates die Grenzschicht hergestellt wird, insbesondere durch Oxidation von Silizium zu Siliziumoxid,
- in einem auf den Grenzschichtherstellungsschritt vorzugsweise unmittelbar folgenden Si- Abscheideschritt auf der einseitigen Grenzschicht, eine dotierstoffhaltige PECVD Si Abscheidung einer insitu-dotierten Si-Schicht oder bei einer zweiseitigen Grenzschicht wenigstens einseitig eine dotierstoffhaltige PECVD Si-Abscheidung einer insitu-dotierten Si-Schicht und/oder eine einseitige, undotierte PECVD Si-Abscheidung einer undotierten Si-Schicht erfolgt, - teilweise in einigen Ausführungsbeispielen in einem vorzugsweise unmittelbar darauffolgenden Verfahrensschritt wenigstens eine einseitige Schutzschicht auf der dotierstoffhaltigen Si-Schicht abgeschieden wird,
- in wenigstens einem Hochtemperaturschritt bei Temperaturen über 800°C ein Dotierstoff in das Siliziumsubstrat oder in die zuvor undotiert abgeschiedene Si-Schicht eindiffundiert und/oder die Dotierung in der insitu-dotierten Schicht aktiviert wird als auch die eine Si-Schicht oder beide Si- Schichten zu nanokristallinen oder mikrokristallinen Si-Schichten mit aktivierten Dotierungen kristallisiert werden,
das sich dadurch auszeichnet, dass alle aufgeführten Verfahrensschritte mit einer Schichtherstellung oder Abscheidung in einer erfindungsgemäßen Solarzellen-Beschichtungsanlage durchgeführt werden. Verschiedene Optionen erfindungsgemäßer Solarzellen-Beschichtungsanlagen sind mit entsprechenden Optionen des Herstellungsverfahrens gekoppelt. Der Hochtemperaturschritt kann hingegen in einem separaten Ofen durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert gegenüber einem herkömmlichen Verfahren nur minimale zusätzliche Investitionen in zusätzliche Anlagentechnik, weil im einfachsten Fall alle neuen Verfahrensschritte in einer einzigen erfindungsgemäßen Solarzellen-Beschichtungsanlage durchgeführt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer neuen
erfindungsgemäßen Herstellungslinie durchgeführt werden. Eine herkömmliche Solarzellen- Herstellungslinie kann auch durch Nachrüstung einer erfindungsgemäßen Solarzellen- Beschichtungsanlage zu einer erfindungsgemäßen Solarzellen-Herstellungslinie erweitert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist gegenüber einem herkömmlichen Verfahren nur wenig aufwendiger, sodass sich Investitionen in erfindungsgemäße Solarzellen-Beschichtungsanlagen schnell amortisieren können.
Die vorliegende Erfindung soll im Folgenden anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen weiter erläutert werden, wobei
Fig. 1 eine Außenansicht einer erfindungsgemäßen Solarzellen-Beschichtungsanlage,
Fig. 2 eine Übersichtsskizze eines Solarzellen-Beschichtungsanlagen-Ausführungsbeispiels,
Fig. 3. eine Übersichtsskizze eines Solarzellen-Beschichtungsanlagen-Ausführungsbeispiels,
Fig. 4 einen Ablaufplan eines ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens,
Fig. 5. einen Ablaufplan eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens,
Fig. 6. einen Ablaufplan eines dritten Ausführungsbeispiels des Verfahrens und
Fig. 7 einen Querschitt durch eine Kammer mit einer Hohlkathoden-Gasdusche zeigt. Figur Fig. 1 zeigt die perspektivische Außenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarzellen-Beschichtungsanlage 1. Konkret handelt es sich in dem dargestellten Beispiel um eine Inline-Anlage, in der ein Grenzschicht-Fierstellungsbereich 2, ein Si- Abscheidebereich 3 und ein Schutzschicht-Abscheidebereich 4 in einer Linie entlang einer
Durchlaufrichtung von Substraten durch die Solarzellenbeschichtungsanlage angeordnet sind.
Außerdem weist die Solarzellen-Beschichtungsanlage 1 weitere Komponenten auf, beispielsweise eine Beladekammer 16, eine Transferkammer 17 und eine Entladekammer 18. Solarzellen- Beschichtungsanlagen 1 weisen außerdem eine Vielzahl einzelner Komponenten auf, deren
Beschreibung in einer Patentanmeldung entbehrlich ist, weil die gebräuchlichen Komponenten einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung bekannt sind.
Fig. 2 skizziert ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzellen-Beschichtungsanlage 1, das weitgehend dem von Fig. 1 entspricht, in einer Draufsicht. Gleiche Bezugszeichen in
verschiedenen Figuren bezeichnen generell gleiche oder ähnliche Elemente, sodass die Ausführungen zu einer Figur auf andere Figuren übertragen werden können. In Fig. 2 ist zu sehen, dass an das Belademodul 16, wo ein Substratträger 7 in die Solarzellen-Beschichtungsanlage 1 eingeladen bzw. eingeschleust wird, an den Grenzschicht-Fierstellungsbereich 2 angrenzt. Der Grenzschicht- Fierstellungsbereich hat in der Bearbeitungsrichtung, die in der Darstellung von Fig. 2 von links nach rechts verläuft, eine kürzere Länge als der Substratträger 7. Zur Flerstellung der Grenzschicht beim Durchlauf des Substratträgers 7 durch den Grenzschicht-Flerstellungsbereich 2 müssen deshalb zeitweise die nicht dargestellten Kammer-Ventile zu der Beladekammer 16 und einer
Transferkammer 17 geöffnet sein, um den benötigten Aufenthaltsraum für den Substratträger 7 bereitzustellen. Der Grenzschicht-Flerstellungsbereich 2 ist ein Oxidationsbereich, der einen vom einem Ozon enthaltenden Gas durchströmbaren Duschkopf 5 aufweist. Das Ozon wird im
dargestellten Ausführungsbeispiel von einem externen Ozongenerator 6 erzeugt. Der Silizium- Abscheidebereich 3 ist eine separate Vakuumkammer mit vier linearen Mikrowellenplasmaquellen 8, welche im vorgestellten Ausführungsbeispiel mit jeweils mit einem Silananschluss 10 und einem Phosphinanschluss 11 verbunden sind. Das Phosphin ist stark in Wasserstoff verdünnt. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen werden Silan, Dotiergas und Wasserstoff bereits in einer gemeinsamen Zuführleitung miteinander gemischt. Der Schutzschicht-Abscheidebereich 4 weist drei Mikrowellenplasmaquellen 9 zur Abscheidung der Schutzschicht auf, welche jeweils mit einem Silanschluss 10, einem Ammoniakanschluss 12 und einem Lachgasanschluss 13 verbunden sind. ln Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzellen- Beschichtungsanlage 1' skizziert, in welchem die Siliziumschicht anders als in Fig. 2 abgeschieden wird. Diese Anlage weist vier Siliziumabscheidebereiche 3' bzw. Si-Abscheidekammern auf, welche jeweils einen Silananschluss 10 und einem Phosphinanschluss 11 sowie einen NF3 Anschluss als ein Mittel 15 zur insitu-Reinigung der Kammer aufweisen. Außerdem ist jeder der Si-Abscheidebereiche 3' hier mit einer Parallelplattenanordnung 14 ausgestattet, mit der sehr gute Schichtdicken- Flomogenitäten der hergestellten Si-Schichten erreicht werden. In jeweils drei der vier Si- Abscheidebereiche 3' werden im Betrieb der Anlage gleichzeitig jeweils die Substrate auf einem Substratträger 7 beschichtet und in der vierten Abscheidekammer 3' erfolgt gleichzeitig eine insitu- Reinigung, in der Si-Schichten in der Kammer abgeätzt werden. Dabei werden die gasförmigen Reaktionsprodukte von der Vakuumpumpe des Beschichtungsbereiches abgepumpt.
Das vorgestellte Konzept mit mehreren gleichen hintereinander angeordneten
Beschichtungsbereichen 3' kann auch in Beschichtungsanlagen eingesetzt werden, die weniger oder mehr als drei Schichten abscheiden.
In einem abgerüsteten nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist eine erfindungsgemäßen Solarzellen-Beschichtungsanlage nur einen Grenzschicht-Fierstellungsbereich 2 und einen Si- Abscheidebereich mit einer Parallelplattenanordnung 14 auf, wobei eine solche Anlage eher als Entwicklungsanlage als als Produktionsanlage geeignet ist. In einem anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 der Schutzschicht- Abscheidebereich 4 weggelassen.
Fig. 4 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 101 zur Fierstellung von Solarzellen anhand eines Ablaufplanes von Verfahrensabschnitten. Das
Ausführungsbeispiel 1 betrifft ein Verfahren zur Fierstellung von bifacialen PERC-Solarzellen mit passivierten Rückseitenkontakten, eine entsprechende Solarzellen-Flerstellungslinie und eine entsprechende, in dem Verfahren verwendete Solarzellen-Beschichtungsanlage. Das Verfahren nach dem ersten Ausführungsbeispiel weist die folgenden Schritte auf:
1. Bereitstellen eines p-dotierten Solarwafers und nasschemisches Überätzen 110 sowohl der Vorderseite als auch der Rückseite zur Entfernung von beim Sägen des Solarwafers entstandenen Sägeschäden (Stand der Technik),
2. nasschemisches beidseitiges Texturieren 111 der Vorderseite und der Rückseite (Stand der Technik), 3. beidseitiges Reinigen 112 (Stand der Technik),
4. Herstellen einer Grenzschicht 116, nämlich einer Rückseitengrenzschicht durch Oxidation der Rückseite des Solarwafers in einem ozonhaltigen Gasgemisch in der erfindungsgemäßen
Solarzellenbeschichtungsanlage, konkret in einer Inline-Durchlaufanlage mit Substratträgern für matrixartig von dem Substratträger aufgenommenen Substrate,
5. PECVD-Abscheiden 117 einer insitu-Bor-dotierten Si Schicht auf der Rückseite der Solarwafer in der erfindungsgemäßen Solarzellenbeschichtungsanlage 1, 1',
6. PECVD- Abscheidung 118 einer aus SiON bestehenden Schutzschicht auf der Bor-dotierten Si Schicht, sowohl auf den beschichteten Rückseiten der Solarwafer als auch auf den beschichteten Substratträgerbereichen, die die Solarwafer-Rückseiten umgeben, in der erfindungsgemäßen Solarzellenbeschichtungsanlage 1. 1',
7. Diffusion 119 von Phosphor in die Solarzellen-Vorderseiten in einem Diffusionsofen, wobei auf der Vorderseite jeweils eine Phosphor-Silikat-Glas-Schicht (PSG) ausgebildet wird (Stand der Technik), und wobei gleichzeitig auf der Rückseite auch die Si-Schicht kristallisiert und auch die Bor-p- Dotierung aktiviert wird (neu),
8. nasschemisches Entfernen 120 der PSG-Schicht von der Vorderseite (Stand der Technik), wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung gleichzeitig auf der Rückseite auch die Schutzschicht mit entfernt wird (neu),
9. PECVD-Abscheidungen 121 - 123 einer Passivierungs- und Antireflexionsschicht auf der Rückseite, bestehend aus einer AIOx und einer SiNx:H Schicht, und einer SiNx:H - Passivierungs- und
Antireflexionsschicht auf der Vorderseite (Stand der Technik),
10. Siebdrucken 124 von Metallpasten auf der Vorderseite und der Rückseite (Stand der Technik),
11. Herstellen von metallischen Kontakten 125 aus den Metallpasten in einem
Kontaktfeuerungsschritt, in welchem die Metallpasten durch die Passivierungs- und
Antireflexionsschichten durchgefeuert und elektrische Kontakte mit der Solarzelle hergestellt werden(Stand der Technik), wobei auf der Rückseite infolge des Vorhandenseins der Grenzschicht die Kontakte passivierte Kontrakte sind (neu).
Die Verfahrensschritte 1-3 und 7-11 sind gegenüber dem Stand der Technik gleiche oder
abgewandelte Verfahrensschritte. Diese Verfahrensschritte können mit der gleichen Anlagentechnik durchgeführt werden, die auch im Stand der Technik verwendet wird. In dem Verfahren bzw. in der Herstellungslinie gemäß der Erfindung wird lediglich eine neue Anlage eingesetzt, nämlich eine erfindungsgemäße Solarzellen-Beschichtungsanlage 1, 1' zur Durchführung der Verfahrensschritte 4- 6. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel werden die Solarwafer zur Durchführung der Schritte 4-6 mit der Rückseite nach oben in geschlossene Substratnester eines plattenförmigen Substratträgers eingelegt. Die Solarzellen-Beschichtungsanlage ist eine Inline-Anlage. Die mit Solarwafern beladenen Substratträger 7 durchfahren verschiedene Bearbeitungsbereiche der Solarzellen- Beschichtungsanlage 1, .
In einem Oxidationsbereich zur Durchführung des 4. Schrittes wird über einen Gasduschkopf mit einer Vielzahl von Gasauslasslöchern ein ozonhaltiges Gas als Oxidationsmittel zur Oxidation der temperierten Solarwafer bereitgestellt. Die Dicke der durch Oxidation gebildeten Grenzschicht kann durch die Durchlaufgeschwindigkeit, die Größe des Gasduschkopfes, die Temperatur und den Druck, bzw. Gaspartialdrücke gesteuert werden. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel liegt die Dicke des Grenzoxids bei ca. 2 nm. In anderen Ausführungsbeispielen werden andere Dicken im Bereich zwischen 1 nm und 5 nm eingestellt. Das Ozon wird in einem unmittelbar extern vor dem
Gasduschkopf angeordnetem Ozongenerator erzeugt, in welchem aus Sauerstoff Ozon erzeugt wird. In anderen Ausführungsbeispielen wird Ozon anders erzeugt, beispielsweise mittels eines Plasmas, oder es kommen andere Oxidationsmittel zum Einsatz, beispielsweise O2, N2O oder H2O.
Die Si-Schicht wird im 5. Schritt im vorgestellten Ausführungsbeispiel in einer durch Kammerventile von benachbarten Kammern separierbaren Kammer von linearen Mikrowellenplasmaquellen abgeschieden. Aus einem Silan und Diboran enthaltenden Gasgemisch werden Bor-haltige
Siliziumschichten (Si) abgeschieden. Zur räumlichen Eingrenzung des Dotierstoffs Bor in der Solarzellen-Beschichtungsanlage, werden die Kammerventile der Si-Abscheidekammer nur bei abgeschalteter Diboranzufuhr geöffnet, um Substratträger hindurchzufahren.
Die Schutzschicht im 6. Schritt des Verfahrens ist im vorgestellten Ausführungsbeispiels eine 80 nm dicke SiON Schicht. In einem ersten Teil der Herstellung der SiON Schicht wird die Oberfläche der zu schützenden Si-Schicht in einer NH3-Atmosphäre nitridiert. In weiteren Teilschritten wird weitere Schichtdicke unter Verwendung der Präkursoren Silan (S1H4) , Ammoniak (NH3) und Lachgas (N2O) und von linearen Mikrowellenplasmaquellen per PECVD abgeschieden. Im Lauf der SiON- Beschichtung nimmt der Ammoniakanteil ab und der Lachgasanteil zu, sodass die SiON-Schicht an der Grenze zur Siliziumschicht nahezu ein Siliziumnitrid und an ihrer Oberfläche nahezu eine Siliziumoxidschicht ist. Zu dünne Schichten bieten keinen ausreichenden Schutz vor Diffusionen durch die Schicht bzw. durch Diffusionspfade in der Schicht. Zu dicke Schichten ziehen Nachteile wie z.B. erhöhte Kosten bei der späteren Entfernung der Schichten von den Solarwafern nach sich. In anderen Ausführungsbeispielen besteht die Schutzschicht aus einem anderen Material z.B, SiNx, SiOx, SiCxOvNz, AIOx oder die Schutzschicht wird mit einem anderen Verfahren abgeschieden, z.B. mit einem HF-PECVD- oder einem ALD-Abscheideverfahren.
Das in Fig. 5 veranschaulichte 2. Ausführungsbeispiel betrifft ein erfindungsgemäßes Verfahren 102 zur Fierstellung von monofacialen PERT-Solarzellen mit passivierten Rückseitenkontakten, eine entsprechende Solarzellen-Flerstellungslinie und eine entsprechende, in dem Verfahren verwendbare Solarzellen-Beschichtungsanlage 1, 1'. Das Verfahren nach dem diesem Ausführungsbeispiel weist die folgenden Schritte auf:
1. Bereitstellen eines n-dotierten Solarwafers und nasschemisches Überätzen sowohl der Vorderseite als auch der Rückseite zur Entfernung von beim Sägen des Solarwafers entstandenen Sägeschäden (Stand der Technik, saw demage etch - SDE),
2. nasschemisches beidseitiges Texturieren 111 der Vorderseite und der Rückseite und
anschließendes Reinigen 112 (Stand der Technik),
3. Diffusion 113 von Bor in die Solarzellen-Vorderseiten und Rückseiten in einem Diffusionsofen, wobei jeweils eine Bor-Silikat-Glas-Schicht (BSG) ausgebildet wird (Stand der Technik),
4. nasschemisches Entfernen 114 der BSG-Schichten von der Vorderseite und der Rückseite und des mit Bor dotierten Rückseiten-Oberflächenbereichs (single side etch SSE) und anschließender Reinigung 115 (Stand der Technik),
5. Fierstellen einer Grenzschicht, nämlich einer Rückseitengrenzschicht durch Oxidieren 116 der Rückseite des Solarwafers in einem ozonhaltigen Gasgemisch in der erfindungsgemäßen
Solarzellenbeschichtungsanlage 1, 1', konkret in einer Inline-Durchlaufanlage mit Substratträgern 7 für matrixartig von dem Substratträger aufgenommene Substrate, wobei in einem Oxidationsbereich der inline-Durchlaufanlage die Oxidschicht auf der Rückseite der Solarwafer beim Vorbeifahren an einem linearen Ozon-Duschkopf 5 gebildet wird,
6. PECVD-Abscheiden 117 einer insitu-Phosphor-dotierten Si-Schicht auf der Rückseite der Solarwafer in der erfindungsgemäßen Solarzellenbeschichtungsanlage 1, 1', wobei die Si-Schicht von
Mikrowellenplasmaquellen 8 auf vorbeifahrende Substratträger 7 abgeschieden wird,
7. PECVD- Abscheiden 119 einer aus SiON bestehenden Schutzschicht auf der Phosphor-dotierten Si Schicht, wobei die Siliziumschicht eine weitgehend amorphe Morphologie mit wenig kristallinem Anteil hat, sie also näherungsweise eine a-Si Schicht ist,
8. Kristallisieren 119 der Si-Schicht in einem Offen bei wenigstens 800°C,
9. Entfernen 120 der Schutzschicht auf der Rückseite und Reinigen der Vorderseite, 10. PECVD-Abscheiden 121, 122 einer Passivierungs- und einer Antireflexionsschicht auf der
Vorderseite und PECVD-Abscheiden 123 einer Passivierungs- und Reflexionsschicht auf der Rückseite,
10. Siebdrucken 124 von Metallpasten auf der Vorderseite und der Rückseite,
11. Herstellen von metallischen Kontakten aus den Metallpasten in einem Kontaktfeuerungsschritt 125, in welchem die Metallpasten durch die Passivierungs- und Antireflexionsschichten
durchgefeuert und elektrische Kontakte mit der Solarzelle hergestellt werden, wobei auf der Rückseite infolge des Vorhandenseins der Grenzschicht die Kontakte passivierte Kontrakte sind.
Die Verfahrensschritte 1-4 und 10-11 sind gegenüber dem Stand der Technik gleiche oder abgewandelte Verfahrensschritte. Diese Verfahrensschritte können mit der gleichen Anlagentechnik durchgeführt werden, die auch im Stand der Technik verwendet wird. In dem Verfahren bzw. in der Herstellungslinie gemäß der Erfindung werden lediglich zwei neue Anlagen eingesetzt, nämlich eine erfindungsgemäße Solarzellen-Beschichtungsanlage 1, 1' zur Durchführung der Verfahrensschritte 5. - 7. bzw. 116 -118 in Fig. 4, sowie der Kristallisationsofen zur Durchführung des Schrittes 119. Das Kristallisieren der abgeschiedenen Siliziumschicht in einem separaten Hochtemperaturschritt hat den Vorteil, dass das Kristallisieren separat optimiert werden kann, wobei dieser Vorteil die geringen zusätzlichen Kosten des Ofens aufwiegt. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel werden sie Solarwafer zur Durchführung der Schritte 5-7 mit der Rückseite nach oben in geschlossene Substratnester eines plattenförmigen Substratträgers 7 eingelegt. (In anderen Ausführungsbeispielen liegen die
Rückseiten auf kleinen Haken von Substratträgern auf und die Rückseiten sind nach unten orientiert.) Die Solarzellen-Beschichtungsanlage ist eine Inline-Anlage. Die mit Solarwafern beladenen
Substratträger 7 durchfahren verschiedene Bearbeitungsbereiche der Solarzellen- Beschichtungsanlage 1, 1'.
Die Si-Schicht wird im 5. Schritt im vorgestellten Ausführungsbeispiel mit linearen
Mikrowellenplasmaquellen 8 hergestellt, wie sie in der in Fig. 2 skizziert sind. In anderen
Ausführungsbeispielen wird die Si-Schicht stattdessen in gleichen, hintereinander angeordneten Beschichtungskammern bzw. Beschichtungsbereichen 3' (vgl. Fig.3) abgeschieden, die in den gleichen Beladetakten beladen und in den gleichen Entladetakten entladen werden. Teilweise werden nur drei der vier Beschichtungskammern 3' für Beschichtungen genutzt und die vierte Mehrschicht- Beschichtungskammer 3' wird in dem Beschichtungstakt gereinigt. In den Si-Beschichtungskammern 3' des dargestellten Ausführungsbeispiels und auch in nicht dargestellten Ausführungsbeispielen werden aus einem Silan und Phosphin enthaltenden Gasgemisch insitu-Phosphor-dotierte Siliziumschichten (n+-Si) abgeschieden, die jeweils ein elektrostatisches Rückseiten-Oberflächen-Feld (back surface field -BSF) erzeugen.
Die Schutzschicht im Schritt 7 des Verfahrens ist im vorgestellten Ausführungsbeispiel ein
Schichtstapel aus einer ultradünnen durch Plasma-Nitridierung gebildeten SislNU-Startschicht und einer 80 nm dicken SiOxNy Schicht, die unter Verwendung der Präkursoren Silan (SiFU), Ammoniak (NH3) und Lachgas (N2O) per FIF-PECVD abgeschieden wird.
Im 3. Ausführungsbeispiel, das in Fig. 6 veranschaulicht ist, wird im Folgenden ein Verfahren 103 zur Fierstellung von bifacialen PERC-Solarzellen mit passivierten Rückseitenkontakten und passivierten Vorderseitenkontakten vorgestellt. In diesem Kontext werden auch eine entsprechende Solarzellen- FHerstellungslinie und eine entsprechende, in dem Verfahren verwendbare
Solarzellenbeschichtungsanlage 1, 1' vorgestellt. Das Verfahren nach dem dritten
Ausführungsbeispiel weist die folgenden Schritte auf:
1. Bereitstellen eines Solarwafers und nasschemisches Überätzen 110 sowohl der Vorderseite als auch der Rückseite zur Entfernung von beim Sägen des Solarwafers entstandenen Sägeschäden. (Stand der Technik),
2. nasschemisches beidseitiges Texturieren 111 der Vorderseite und der Rückseite (Stand der Technik),
3. Reinigung 112 beidseitig (Stand der Technik),
4. Gleichzeitiges Fierstellen von zwei Grenzschichten 116, nämlich einer Rückseitengrenzschicht durch Oxidation der Rückseite des Solarwafers und einer Vorderseitengrenzschicht durch Oxidation der Vorderseite des Solarwafers in einem ozonhaltigen Gasgemisch in der erfindungsgemäßen Solarzellenbeschichtungsanlage, konkret einer inline-Durchlaufanlage mit Substratträgern für matrixartig von dem Substratträger aufgenommene Substrate,
5. PECVD-Abscheidung 117 mit insitu-Dotierung bzw. Dotierstoffeinbringung einer Bor-enthaltenden Si Schicht auf der Solarwafer-Rückseite,
6. PECVD-Abscheidung 118 einer aus SiON bestehenden Schutzschicht auf der Bor-haltigen Si Schicht auf den beschichteten Rückseiten der Solarwafer ,
7. Umladen 126 der Substrate auf andere Substratträger,
8. PECVD-Abscheiden 127 einer Phosphor enthaltenden Si-Schicht auf der Vorderseite des
Solarwafers,
9. PECVD-Abscheiden einer aus SiON 128 bestehenden Schutzschicht auf der Phosphor enthaltenden a-Si Schicht auf den Vorderseiten der Solarwafer, 10. Temperaturbehandlung 119 in einem Ofen (Diffusionsofen aus dem Stand der Technik) zur Aktivierung der Phosphor-Dotierung in den Si-Schichten auf den Solarwafer-Vorderseiten und zur Aktivierung der Bor-Dotierung in den Si-Schichten auf den Solarzellen-Rückseiten, wobei gleichzeitig auf der Vorderseite und der Rückseite auch die Si-Schichten kristallisiert (zu c-Si-Schichten) werden,
11. nasschemisches Entfernen der Schutzschichten 120,
12. PECVD-Abscheidungen 121 - 123 einer Passivierungs- und Antireflexionsschicht auf der Rückseite, bestehend aus einer AIOx und einer SiNx:H Schicht, und einer SiNx:H Schicht - Passivierungs- und Antireflexionsschicht auf der Vorderseite,
13. Siebdrucken 124 von Metallisierungspasten auf der Vorderseite und der Rückseite,
14. Herstellen von metallischen Kontakten 125 aus den Metallpasten in einem
Kontaktfeuerungsschritt, in welchem die Metallpasten durch die Passivierungs- und
Antireflexionsschichten durchgefeuert und elektrische Kontakte mit den c-Si-Schichten der Solarzelle hergestellt werden, wobei sowohl auf der Rückseite als auch auf der Vorderseite infolge des Vorhandenseins der Grenzschichten die Kontakte passivierte Kontrakte sind.
In diesem Ausführungsbeispiel sind insbesondere die Verfahrensschritte 5-9 neu gegenüber dem Stand der Technik. Bei den Si Abscheidungen in den Schritten 5 und 8 mit gleichzeitiger Dotierstoff- Einbringung (insitu-Dotierung) ist es wesentlich, dass die Abscheidungen und
Dotierstoffausbreitungen lokal auf die dafür vorgesehenen Kammern oder Gebiete beschränkt bleiben. In dem angegebenen Ausführungsbeispiel, wird die Verschleppung von Dotierstoffen in andere Beschichtungskammern durch das Umladen 126 auf für den Dotierstoff dedizierte
Substratträger erreicht. Statt der insitu-Dotierung werden in anderen Ausführungsbeispielen undotierte Si-Schichten und darauf Dotierquellen-Schichten, z.B. BSG oder PSG, abgeschieden, sodass in einem anschließenden Diffusionsschritt bei ausreichend hohen Temperaturen die
Dotanden aus der Dotierquellen-Schicht in die Si-Schicht diffundieren. Die Dotierquellen-Schichten sind hier Teil der als Mehrlagen- oder Gradientenschichten ausgebildeten Schutzschichten. In weiteren Ausführungsbeispielen werden Dotierungen ganzflächig oder über Masken teilflächig per Ionenimplantation in undotiert abgeschiedene Si-Schichten eingebracht. In weiteren
Ausführungsbeispielen werden die gleichen Substratträger für beide unterschiedlich dotierte Si- Abscheidungen benutzt. Das wird durch die Abscheidungen in Mehrschicht-Beschichtungskammern möglich, in denen außer der Si-Schicht auch die Schutzschicht abgeschieden wird, wobei die
Schutzschicht mit dotiertem Si beschichtete Oberflächen bedeckt. Fig. 7 zeigt schematisch den Querschnitt einer Vakuum-Kammer 19 mit einer Hohlkathoden- Gasdusche. Konkret ist in dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel die obere Elektrode der Parallelplattenanordnung als eine Hohlkathoden-Elektrode ausgebildet, die eine Vielzahl von zylindrischen Hohlräumen aufweist. Die Hohlkathoden-Elektrode ist aus mehreren, hier4x4=16, Elektrodensegmenten zusammengesetzt. Jedes dieser Elektrodensegmente weist eine
Hohlkathodenplatte 20 auf, die an einer Gasdusche 21 befestigt ist. Das Elektrodensegment wird jeweils über ein Anschlusselement 23 elektrisch und gastechnisch an entsprechende
Versorgungsquellen angeschlossen. Die mehreren Elektrodensegmente sind alle mit einer
Grundplatte 22 verbunden, sodass exakt definierte Positionen sichergestellt sind. Die Grundplatte 22 besteht im vorgestellten Ausführungsbeispiel aus einem Kohlenstofffaserverbundwerkstoff (carbon fiber compound - CFC). Dieses Material zeichnet sich durch eine geringe Dichte, einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und gute mechanische, chemische und thermische
Belastbarkeiten aus. Der elektrische Anschluss der Elektrodensegmente erfolgt HF-technisch günstig über eine symmetrische Verteilung, die in einer nicht dargestellten Draufsicht symmetrisch um einen zentralen Anschluss 24 herum angeordnet ist. Die Hohlkathodenplatte 20 ist als ein Segment der Elektrode und sie ist aus einer Metallplatte, hier Monel, gefertigt. Im konkreten Ausführungsbeispiel ist die Hohlkathodenplatte 20 etwa 1 cm dick und matrixartig dicht nebeneinanderliegenden Hohlräume sind hier zylindrische Bohrungen mit einem Durchmesser von ca. 1 cm durch die
Hohlkathodenplatte. Jeder dieser Hohlräume wird mit einer Austrittöffnung der Gasdusche 21 mit Prozessgasen versorgt. Die zweite Elektrode der Parallelplattenanordnung ist im vorgestellten Ausführungsbeispiel eine einfache planare geerdete Bodenelektrode 25. Um die
Parallelplattenanordnung 14 herum sind hier mehre Heizer 26 angeordnet, mittels denen die gewünschten Prozesstemperaturen realisierbar sind. Die in der Kammer das Bearbeitungs-Plasma ausgebildet wird ist im vorgestellten Ausführungsbeispiel eine Vakuumkammer 19 zur Durchführung eine Silizium-PECVD-Abscheidung auf einem Substratträger 7, der mit mehreren Solarwafern beladen ist. In nicht dargestellten anderen Ausführungsbeispielen ist die Kammer an jeweilige Drücke, Temperaturen und weitere Anforderungen anderer Prozesse angepasst. Die Kammer weist in der Darstellung von Fig. 7 einen Kammergrundkörper 27, ein geerdetes Deckelrandelement 28, einen Isolierrahmen 29 und ein ungeerdetes Deckelzentralelement 31 auf. Weitere Komponenten der Kammer, die für die Veranschaulichung des prinzipiellen Kammeraufbaus unerheblich sind, wurden für eine gute Übersichtlichkeit in der Skizze von Fig. 7 weggelassen. Mit dem dargestellten einfachen Kammeraufbau wird eine Plasmaausbildung zwischen der Bodenelektrode 25 und der Hohlkathoden- Elektrode erreicht. Seitliche Grenzen des Plasmas werden über seitliche Plasmaabgrenzungselemente 30 erreicht, welche neben einer elektrischen Isolierung auch eine thermische Isolierung bewirken. Eine HF-Abschirmung 32 bewirkt eine elektromagnetische Einhausung der HF-Verteilung über dem Deckelzentralelement 31. Mit der vorgestellten
Flohlkathoden-Gasdusche können Siliziumschichten mit hohen Beschichtungsraten hergestellt werden, wobei bestehende Anforderungen an Prozesstemperaturen bis 500°C, an die Größe des Prozessfensters und an lange Produktivzeiten zwischen Anlagenwartungen erfüllt werden, insbesondere, wenn der Flohlkathoden-Kammeraufbau mit dem anhand von Fig. 3 vorgestellten Anlagenkonzept kombiniert wird. An der hohen Produktivität haben dann auch die zyklisch durchgeführten Insitu-Reinigungsätzungen ihren Anteil. Der vorgestellte Aufbau kann für andere Anwendungen einfach skaliert und abgewandelt werden. In einer nicht dargestellten Abwandlung wird das Substrat für die Beschichtung nicht gestoppt, sondern die Substrate werden während der Beschichtung bewegt, beispielsweise mit einer konstanten Durchlaufgeschwindigkeit.
Die vorgestellten Ausführungsbeispiele sind als die Erfindung nicht einschränkende Beispiele zu verstehen und nicht als eine Festlegung der Erfindung darauf. Die Erfindung umfasst auch nicht explizit ausgeführte Alternativen, die der Fachmann aus der vorliegenden Offenbarung und seinen Fachwissen definiert. Zufällig nacheinander beschriebene Optionen sind als separate Optionen zu verstehen, nicht als zwingende Merkmalskombination.
Bezugszeichen
1, 1' Solarzellen-Beschichtungsanlage
2 Grenzschicht-Fierstellungsbereich
3, 3' Si-Abscheidebereich bzw. PECVD-Kammer mit Si Abscheidebereich
4 Schutzschicht-Abscheidebereich
5 Duschkopf
6 Ozongenerator
7 Substratträger
8, 9 Mikrowellenplasmaquelle für die Siliziumabscheidung bzw. die Schutzschichtabscheidung
10 Silananschluss
11 Phosphinanschluss
12 Ammoniakanschluss
13 Lachgasanschluss
14 Parallelplattenanordnung Mittel zur insitu-Reinigung
Beladekammer
Transferkammer
Entladekammer
Vakuum-Kammer mit Hohlkathoden-Gasduschen
Hohlkathodenplatte
Gasdusche
Grundplatte der obveren Parallelelektrode
Anschlusselement eines Elektrodensegments
Anschluss einer Verteilung
geerdete Bodenelektrode
Heizer
Kammergrundkörper
geerdetes Deckelrandelement
Isolierrahmen
Plasmaabgrenzungselement
ungeerdetes Deckelzentralelement
HF-Abschirmung
, 102, 103 Verfahren zur Herstellung von auf kristallinem Silizium basierenden Solarzellen nasschemisches Entfernen von Sägeschäden
Texturieren
Reinigen
Dotieren per Diffusion
Entfernen von Glasschichten (BSG oder PSG)
Reinigen
Herstellen von wenigstens einer Grenzschicht
. 127 Abscheiden einer Si-Schicht
. 128 Abscheiden einer Schutzschicht
Kristallisieren
Reinigen + Entfernen von Schichten auf Si
, 122, 123 Abscheiden von Passivierungs- und Antireflexions- oder Reflexionsschichten Siebdrucken von Metallisierungspasten
Herstellen von metallischen Kontakten durch Kontaktfeuern 126 Umladen auf andere Substratträger

Claims

Patentansprüche
1. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') zur Herstellung von dünnen Schichten auf einer ersten Solarzellenseite und/oder einer zweiten Solarzellenseite von kristallinen Silizium- Solarwafern mit einem Durchsatz von wenigstens 2000 Solarwafern pro Stunde (2000 W/h) ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen-Beschichtungsanlage ausgebildet ist zur Herstellung:
- wenigstens einer dünnen Grenzschicht aus einem dielektrischen Material auf der ersten Solarzellenseite und/oder der zweiten Solarzellenseite, wobei die Grenzschicht einen elektrischen Stromfluss durch die Grenzschicht, insbesondere einen Tunnelstromfluss, ermöglicht und wenig behindert,
- wenigstens einer dotierten oder undotierten insbesondere amorphen Siliziumschicht auf der Grenzschicht
2. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen-Beschichtungsanlage aufweist:
- wenigstens einen Grenzschicht-Herstellungsbereich (2), in welchem die dünne
Grenzschicht aus einem dielektrischen Material herstellbar ist, wobei die Grenzschicht einen elektrischen Stromfluss durch die Grenzschicht insbesondere einen
Tunnelstromfluss, ermöglicht und wenig behindert,
- wenigstens einen Si-Abscheidebereich (3), in welchem die dotierte oder undotierte insbesondere amorphe Siliziumschicht auf der Grenzschicht abscheidbar ist.
3. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Solarzellen-Beschichtungsanlage dafür ausgerüstet ist, in dem Grenzschicht-Herstellungsbereich (2) auf der ersten Solarzellenseite und der zweiten Solarzellenseite die Grenzschicht beidseitig herzustellen, sowie auf der ersten
Solarzellenseite eine Si-Beschichtung eines ersten Dotierungstyps und auf der zweiten Solarzellenseite eine Si-Beschichtung eines zweiten, zum ersten Dotierungstyp entgegengesetzten Dotierungstyps abzuscheiden.
4. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Grenzschicht-Herstellungsbereich (2) ein Oxidationsbereich ist, in dem insbesondere eine Oberflächenlage des Silizium- Solarwafers zu einer
Siliziumoxidschicht aufoxidiert wird, wobei der Oxidationsbereich einen mit einem O3- haltigen Gas durchströmbaren Duschkopf (5) aufweist, der von einer Ozonquelle gespeist wird.
5. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen-Beschichtungsanlage (1) eine Inline-Anlage ist, in der wenigstens der Grenzschicht-Herstellungsbereich (2), der wenigstens eine Si-Abscheidebereich (3) und der Schutzschicht-Abscheidebereich (4) auf einer Linie aufgereiht sind, wobei in dem Schutzschicht-Abscheidebereich (4) die Schutzschicht direkt auf der Siliziumschicht oder auf einer zuvor auf der Siliziumschicht abgeschiedenen Dotierschicht abscheidbar ist, und wobei die Grenzschicht und die Siliziumschicht und die Schutzschicht in einem Durchlauf durch die Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') herstellbar sind.
6. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Si-Abscheidebereich (3) eine abschließbare PECVD-Kammer (3', 29) mit einer darin enthaltenen, bei RF-Frequenz betreibbaren Parallelplattenanordnung (14) ist, wobei die PECVD-Kammer (3', 29) wenigstens einen Gasanschluss (10, 11) aufweist, insbesondere für Silan (10) und/oder einen Diboran oder Silan (10) und/oder Phosphin (11).
7. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Platte der Parallelplattenanordnung (14) als eine Hohlkathoden- Gasdusche ausgebildet ist, wobei Austrittshohlräume der Hohlkathoden-Gasdusche als Hohlkathoden zur Ausbildung einer Hohlkathodenentladung darin ausgebildet sind.
8. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkathoden-Gasdusche modular aus mehreren gleich großen Hohlkathoden- Segmenten (20) zusammengesetzt ist, wobei die Hohlkathoden-Segmente (20) insbesondere symmetrisch um eine zentrale HF-Einspeisung (24) herum angeordnet sind.
9. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschicht-Abscheidebereich (4) wenigstens eine Mikrowellenplasmaquelle (9) und insbesondere Gas-Anschlüsse von Silan (10), Ammoniak (12), Lachgas (13), Kohlendioxid und/oder Methan aufweist, um eine Siliziumoxid-, Siliziumnitrid-, Siliziumoxynitrid- oder Siliziumcarbonitrid-Schicht abscheiden zu können.
10. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') wenigstens einen Mehrschicht- Herstellungsbereich aufweist, in welchem zeitlich nacheinander wenigstens zwei der folgenden drei Schichten herstellbar sind:
- die dünne Grenzschicht aus einem dielektrischen Material,
- die dotierte oder undotierte, insbesondere amorphe Siliziumschicht, und
- die Schutzschicht.
11. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') wenigstens zwei gleichzeitig zur Schichtherstellung nutzbare Beschichtungsbereiche (3, 3', 4) oder Mehrschicht-Herstellungsbereiche aufweist.
12. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsbereich (3, 3', 4) oder der Mehrschicht-Herstellungsbereich jeweils eine abschließbare Vakuumkammer ist und die Solarzellen-Beschichtungsanlage eine Inline- Substratbearbeitungsanlage mit wenigstens zwei Vakuumkammern und einer Transportvorrichtung für zwei-dimensionale Substratträger (7) ist, wobei die
Substratträger (7) von der Transportvorrichtung taktweise in zwischen Arbeitstakten erfolgenden Transporttakten zwischen verschiedenen Kammern der Solarzellen- Beschichtungsanlage (1, 1') bewegbar sind.
13. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen-Beschichtungsanlage eine Substratbearbeitungsanlage mit wenigstens zwei Vakuumkammern und einer Transportvorrichtung zum taktweisen Bewegen von drei-dimensionalen Substratträgern ist.
14. Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vakuumkammern mit Mitteln für eine Insitu-Reinigung (15) ausgestattet sind.
15. Solarzellen-Herstellungslinie zur Herstellung von Solarzellen aus Solarwafern, in welcher in den p- oder n-dotierten Solarwafer eine entgegengesetzt dotierte Lage eindiffundiert wird oder auf dem p- oder n-dotierten Solarwafer eine entgegengesetzt dotierte Schicht ausgebildet wird, Solarwafer mit Passivierungsschichten und wenigstens einer
Antireflexionsschicht beschichtet werden und die Solarwafer unter Ausbildung von Solarzellen mit Kontakten für den externen elektrischen Anschluss ausgestattet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die
Solarzellen-Herstellungslinie gegenüber einer herkömmlichen Solarzellen- Herstellungslinie aus dem Stand der Technik zusätzlich wenigstens eine Solarzellen- Beschichtungsanlage (1, 1') nach wenigstens einem der Ansprüche 1-14 aufweist, um mit dieser Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') wenigstens einen passivierten Kontakt der Solarzelle zu realisieren.
16. Verfahren (101, 102, 103) zur Herstellung von auf kristallinem Silizium basierenden
Solarzellen mit jeweils einem kristallinen Siliziumsubstrat, wenigstens einem p-dotierten Bereich und wenigstens einem n-dotierten Bereich, metallischen Kontakten an dem p- dotierten Bereich und dem n-dotierten Bereich, wenigstens einer zwischen dem Kontakt und dem Siliziumsubstrat angeordneten dielektrischen Grenzschicht mit einer Dicke unter 5 nm, wobei die Grenzschicht bei der geringen Dicke einen elektrischen Stromfluss, insbesondere einen Tunnelstromfluss, ermöglicht und wenig behindert, wobei das Verfahren (101, 102, 103) die folgenden Verfahrensschritte aufweist, in denen:
- in wenigstens einem Grenzschichtherstellungsschritt 116 auf wenigstens einer Seite des Substrates eine Grenzschicht aus einem dielektrischen Material auf der ersten
Solarzellenseite und/oder der zweiten Solarzellenseite hergestellt wird, wobei die Grenzschicht insbesondere durch Oxidation von Silizium zu Siliziumoxid hergestellt wird,
- in einem auf den Grenzschichtherstellungsschritt 116 vorzugsweise unmittelbar folgenden Si-Abscheideschritt 117, 127, insbesondere a-Si-Abscheideschritt, auf der einseitigen Grenzschicht, eine dotierstoffhaltige PECVD Si-Abscheidung einer insitu- dotierten Si-Schicht oder bei einer zweiseitigen Grenzschicht wenigstens einseitig eine dotierstoffhaltige PECVD Si-Abscheidung einer insitu-dotierten Si-Schicht und/oder eine einseitige, undotierte PECVD Si-Abscheidung einer undotierten Si-Schicht erfolgt,
- in wenigstens einem Hochtemperaturschritt 113, 119 bei Temperaturen über 800°C sowohl ein Dotierstoff in das Siliziumsubstrat oder in die zuvor undotiert abgeschiedene Si-Schicht eindiffundiert und/oder die Dotierung in der insitu-dotierten Si-Schicht aktiviert wird als auch die eine Si-Schicht oder beide Si-Schichten zu nanokristallinen oder mikrokristallinen Si-Schichten mit aktivierten Dotierungen kristallisiert werden, wobei alle aufgeführten Verfahrensschritte mit einer Schichtherstellung oder
Schichtabscheidung in wenigstens einer Solarzellen-Beschichtungsanlage (1, 1') nach wenigstens einem der Ansprüche 1-14 durchgeführt werden.
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