WO2022167018A1 - Passivierende und leitende schichtstruktur für solarzellen - Google Patents

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Kaining Ding
Manuel Pomaska
Kaifu QIU
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • H01L31/1868—Passivation

Definitions

  • the present invention relates to a transparent, tunnel oxide passivated layer structure for solar cells, in particular solar cells that are stable at high temperatures, and solar cells containing this transparent, passivating and conductive layer structure, which is preferably arranged on the front side of these solar cells, and also to a method for producing such a layer structure and solar cell.
  • the efficiency of solar cells can be increased by reducing loss mechanisms.
  • the parameters recombination of charge carriers and light efficiency are particularly important. A goal of research and development is therefore to avoid the recombination of charge carriers, to transfer free charge carriers with as little loss as possible and to optimally couple the light.
  • the rear contact consists of an ultra-thin tunnel oxide layer and a thin silicon layer.
  • an ultra-thin tunnel oxide rear contact is applied to the rear of the silicon cell, in most cases over the entire surface.
  • This silicon oxide passivation layer is only one to two nanometers thick.
  • the charge carriers can overcome this barrier layer by means of quantum mechanical tunneling processes.
  • a thin layer of highly doped silicon is deposited across the entire surface of this tunnel oxide layer [7],
  • n-type polycrystalline Si (poly-Si(n)) disadvantageously exhibits parasitic optical absorption due to its optical material properties.
  • a number of approaches have already been developed to reduce this parasitic absorption of the poly-Si layer.
  • the second solution using nc-SiOx as electron-selective material, also shows good passivation (iVoc > 725 mV), however, the layer thickness of this tunnel oxide can increase during nc-SiOx deposition and exceed 2 nm, which degrades carrier transport .
  • the poly-Si(n) In order to use the poly-Si(n) locally under the metal contacts, the poly-Si(n) has to be applied locally in a structured manner, which has to be realized with an expensive structuring process. A cost-effective structuring process would therefore have to be developed in order to reduce the complexity of production and thus the production costs, so that the solar cell produced can become established on an industrial scale.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to provide the technology of tunnel oxide passivated contacts (TOPCon technology) in addition to rear contacting for the front side of solar cells, in particular for high-temperature solar cells, and thus also compared to the prior art Technology to provide improved solar cell efficiency. Furthermore, the object of the invention is to provide a method for producing these tunnel oxide-passivated contacts, in particular for the front side of solar cells, and to provide solar cells comprising these contacts.
  • TOPCon technology tunnel oxide passivated contacts
  • this layer structure can preferably be designed as a front-side contact of a solar cell, preferably a high-temperature solar cell.
  • the tunnel oxide layer should preferably have a layer thickness in the range of 1-2 nm in order to have sufficient chemically passivating and tunneling properties.
  • the poly-Si(n) commonly used for TOPCon backsides is replaced by wide-bandgap conducting microcrystalline (n-type) silicon carbide (pc-SiCx(n)). replaced and used in particular for TOPCon fronts.
  • An optical band gap of the hydrogenated // c-SiCx(n) layer in the range of 2.3 to 2.9 eV has proven advantageous.
  • the hydrogenated y c-SiCx(n) can now be used on the front of a solar cell.
  • the parasitic optical absorption of the hydrogenated y c-SiCx(n):H(n) is low compared to, for example, poly-Si(n) or nc-Si:H(n).
  • y c-SiCx(n):H(n) has an absorption coefficient a of 2210 cm' 1 in contrast to poly-Si(n) or nc-Si:H(n) with a value of 17737 cm -1 or 13511 cm 1 , so that a high layer thickness, for example in a range from 30 to 200 nm, is advantageously possible, which also advantageously protects against firing through of the paste for the electrical contact layer or the metallization of the solar cell and thus prevents direct contact of the paste with the c-Si semiconductor material of the solar cells. Furthermore, since no oxygen precursor is present during the deposition of the y c-SiCx(n) due to the material used, the thickness of the tunnel oxide also remains constant and the charge carrier transport at the tunnel oxide is ensured by tunneling.
  • carbon is preferably added to the material of the microcrystalline hydrogenated n-type silicon carbide, so that a C-rich and/or doped/alloyed //c-SiCx:H(n) layer can be provided.
  • the ratio of Si to C can advantageously be in a range of 1.0:0.7. However, a ratio of Si to C of 1.0:0.7 to 1.0 is also possible.
  • the diffusion energy of hydrogen can be increased, resulting in a lower diffusion coefficient for hydrogen, which in turn corresponds to a higher thermal stability of hydrogen in the network.
  • the quantifiable numerical values for bound H are of the order of 1 E22 cm' 3 .
  • a covering layer is applied to the y c-SiCx:H(n) layer.
  • This can consist of a material which prevents hydrogen effusion from the solar cell and in particular from the layered structure.
  • this has a concentration gradient with regard to the Si content and the N content.
  • the cover layer can, for example, be divided into three concentration sections with regard to the Si content and the N content: •
  • the lowest SiNx:H concentration section which is in direct contact with the y c-SiCx:H(n) layer, is Si-rich and thereby enables hydrogenation and good passivation quality.
  • the N/Si ratio (x) here is in a range of ⁇ 1, preferably from 0.3 to 0.9.
  • the uppermost SiNx:H concentration section is N-rich.
  • the N/Si ratio (x) here is in a range >1.
  • the N/Si ratio (x) is 1.1-1.5, for example.
  • This layer has a higher binding energy with hydrogen than that with silicon and, according to previous findings, prevents hydrogen effusion at high firing temperatures of up to 800° C.
  • N-rich SiNx is well suited as an anti-reflection layer.
  • the middle SiNx:H concentration section is a stoichiometric silicon nitride layer required for the Si-rich SiNx:H, stoichiometric SiNx:H, and N-rich SiNx:H layer stack.
  • a stoichiometric silicon nitride has an N/Si ratio (x) of 1.
  • This three-layer stack exhibits the best ability to block hydrogen leakage from the layer assembly of the present invention.
  • the invention also relates to a solar cell with tunnel oxide passivated contacts, comprising at least one crystalline n- or p-doped silicon layer to which a layer structure according to one of the preceding claims is applied as a front or front and rear contact.
  • the invention also relates to a method for producing the layer structure according to the invention and a solar cell containing this layer structure.
  • the procedure includes the following steps:
  • a cover layer is applied to the y c-SiCx:H layer.
  • this should consist of a material which prevents hydrogen effusion from the layers lying beneath it.
  • this consists of a SiNxH Layer and has the three-stage concentration gradient described above, in particular with regard to the Si content and the N content.
  • the monomethylsilane flow rate, the filament temperature and the substrate temperature are decisive for the SiC deposition.
  • SiN deposition silane and nitrogen flow rates, substrate temperature, power, and base pressure during deposition are critical. Among them, attention should be paid to the performance during the SiNx deposition, since the PEC VD deposition causes plasma damage to the SiC, which should be well controlled so as not to affect the passivation.
  • FIG. 3 Solar cell with hydrogenated p-type u c-SiCx as emitter.
  • FIG. 1 shows an example of a schematic structure of a high-temperature solar cell with the layer structure according to the invention on the front side of the solar cell.
  • the layer structure according to the invention with the transparent, tunnel oxide-passivated contacts comprises a tunneling silicon oxide layer SiOx 1, which is applied on the front side to the surface of the substrate layer 2 made of crystalline, n-doped silicon c-Si(n).
  • a hydrogenated u c-SiCx layer 3 is applied to the silicon oxide SiOx layer 1 .
  • the u c-SiCx 3 can be deposited, for example, by means of HWCVD, which leads to good crystallinity and conductivity. According to [1, 2], the conductivity of the u c-SiCx increases after a high-temperature annealing process, which has a positive effect on the vertical charge carrier transport. Due to the excellent surface passivation of the passivated contact, the c-Si bulk serves as the main channel for lateral charge carrier transport [3].
  • a cover layer 4 made of SiNx:H is applied to the u c-SiCx layer 3 and can be divided into the three areas described above: Si-rich, SiNx:H with the same ratio of Si and N to one another and N-rich.
  • a layer stack consisting of a boron emitter layer (p+ emitter) 5, an aluminum oxide layer (AI2O3) 6 and a cover layer 7 made of SiNx:H is applied to the c-Si(n) substrate layer 2, which has the same properties as the Covering layer 4 has on the front side.
  • Metal contacts 8, for example made of silver (Ag) are applied both to the front and to the rear on the areas where the cover layers 4 and 7 have been removed. This can be done using any method known from the prior art.
  • SiNx:H cap layer with a concentration gradient can be used both as a cap layer and as an anti-reflection layer.
  • Previous work [6] shows that N-rich SiNx shifts the hydrogen effusion peak from 550 °C to 800 °C. A temperature of 800 °C was considered to be the relevant temperature since the firing process during metallization is often carried out at this temperature.
  • the general hydrogen effusion can be further drastically reduced by stacking layers of SiNx with an N concentration gradient (Si-rich SiNx/SiN/N-rich SiNx). By using SiNx with a concentration gradient, hydrogen effusion can be prevented at high temperatures due to the high bond energies of the NH bonds and the compact density.
  • Hydrogen which effuses from the c-Si(n)/SiO2 interface or the hydrogenated u c-SiC at high temperatures from approx. 400°C, is retained in the cell and can return to the c-Si(n)/ Diffuse SiO2 interface and contribute to hydration.
  • boron-diffused emitters p + emitter
  • p + emitter boron-diffused emitters
  • the metal contacts are passivated, which can advantageously lead to an optimization of the recombination at the metal-semiconductor interface.
  • FIG. 3 differs from the embodiment according to FIG. 1 by the arrangement of a layer stack on the back of the solar cell, comprising a silicon oxide layer SiOx 9, a p-type u c-SiCx layer 11 and the previously described cover layer 7 made of SiNx:H.
  • a p-type o c-SiCx layer 11 was also advantageously used on the rear side in this embodiment, whereby u c-SiCx passivated contacts on both sides are made possible ( see figure 3).
  • This configuration of a solar cell is advantageous for the manufacturing method, since both SiNx and SiC can be deposited by means of HWCVD, and the manufacturing process is simplified as a result.
  • Both the AlOx tunnel oxide layer and the SiOx tunnel oxide layer can also be produced by an ALD (Atomic Layer Deposition) method.
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • the precursors for this are different.
  • the precursors are tris(dimethylamino)silane (TDMAS) and oxygen, while for AlOx trimethylaluminum (AI(CH 3 )3, TMA) and deionized water (H2O, DIW) are used.
  • TDMAS tris(dimethylamino)silane
  • AI(CH 3 )3, TMA) and deionized water (H2O, DIW) are used.
  • the optical and electrical properties of the SiC layers are primarily influenced by the filament temperature during application [10; 11],
  • Table 3 Process parameters for applying a SiC layer using HWCVD of SiNx layers with a band gap of 2.6-5.7 eV and a refractive index at 632 nm of 1.8-3: dielectric material
  • Table 4 Process parameters for applying SiNx cap layers using PECVD, which have areas with different Si or N content:

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schichtstruktur für Solarzellen, vorzugsweise für Hochtemperatursolarzellen, mit Tunneloxid-passivierten Kontakten auf der Frontseite oder auf der Front- und Rückseite der Solarzellen, bestehend aus wenigstens einer Tunneloxidschicht, insbesondere einer Siliziumoxidschicht SiOx mit x = 1-2 oder einer Aluminiumoxidschicht AlOx mit x = 1-2, sowie einer μc-SiCx(n) Schicht, mit x 50,5, vorzugsweise ≥ 0,5 bis 0,9, wobei (n) = n-dotiert, und wobei die μc-SiCx(n) in einer vorteilhaften Ausführung eine hydrierte μc-SiCx:H (n) Schicht ist. Die erfindungsgemäße Schichtstruktur kann vorzugsweise als Frontseitenkontakt einer Solarzelle, vorzugsweise einer Hochtemperatursolarzelle ausgestaltet sein. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der Schichtstruktur sowie eine Solarzelle enthaltend die erfindungsgemäße Schichtstruktur als Front- oder als Front- und Rückseitenkontakt.

Description

Beschreibung
Passivierende und leitende Schichtstruktur für Solarzellen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine transparente, Tunneloxid passivierte Schichtstruktur für Solarzellen, insbesondere hochtemperaturstabile Solarzellen, sowie Solarzellen enthaltend diese transparente, passivierende und leitende Schichtstruktur, die vorzugsweise auf der Frontseite dieser Solarzellen angeordnet ist, und weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schichtstruktur und Solarzelle.
Stand der Technik
Um dem theoretisch maximal erreichbaren Wirkungsgrad von Solarzellen möglichst nahe zu kommen, werden derzeit unterschiedliche Methoden und Verfahren entwickelt, mit denen die Wirkungsgrade von Solarzellen gesteigert und die inneren Verluste reduziert werden sollen. Gleichzeitig sollen die Solarzellen dabei kostengünstig herstellbar werden.
Durch eine Reduzierung von Verlustmechanismen kann der Wirkungsgrad von Solarzellen gesteigert werden. Dabei sind insbesondere die Parameter Rekombination von Ladungsträgern und Lichteffizienz wichtig. Ein Ziel der Forschung und Entwicklung ist es daher, die Rekombination von Ladungsträgern zu vermeiden, freie Ladungsträger möglichst verlustfrei zu übertragen und das Licht optimal einzukoppeln.
Ein mögliches Verfahren, um den Ladungsträgertransport zu optimieren, ist die Tunnel-Oxide- Passivierte-Contact-Technik (TOPCon-Technik). Bei dieser Technik besteht die Rückseitenkontaktierung aus einer ultradünnen Tunneloxidschicht und einer dünnen Siliziumschicht. Für die Kontaktierung wird auf die Rückseite der Silizium-Zelle, in den meisten Fällen vollflächig, ein ultradünner Tunneloxid-Rückseitenkontakt aufgebracht. Diese Siliziumoxid-Passivierungs- schicht ist nur ein bis zwei Nanometer stark. Diese Barriereschicht können die Ladungsträger mittels quantenmechanischer Tunnelprozesse überwinden. Auf diese Tunneloxidschicht wird flächendeckend eine dünne Schicht aus hochdotiertem Silizium abgeschieden [7],
Bisher wird die TOPCon Technik üblicherweise nur für Rückseitenkontakte eingesetzt. Dies liegt daran, dass n-Typ polykristallines Si (poly-Si(n)) nachteilig eine parasitäre optische Absorption, bedingt durch seine optischen Materialeigenschaften, zeigt. Um diese parasitäre Absorption der poly-Si Schicht zu reduzieren, wurden schon einige Lösungsansätze entwickelt.
Einer der aktuellen Lösungsansätze zur Reduzierung der parasitären Absorption in poly-Si ist die Entwicklung einer extrem dünnen poly-Si-Schicht mit ausreichend guten Passivierungseffekten und zugleich kleinem Schichtwiderstand. Gleichzeitig müssen im Rahmen des Herstellungsverfahrens die Paste des Materials für die elektrische Kontaktierung und das Feuerungsprofil an das extrem dünne poly-Si(n) angepasst werden. Ein weiterer Lösungsansatz besteht darin, das poly-Si(n) durch alternative Materialien wie nc-SiOx, das eine große Bandlücke besitzt, zu ersetzen. Zudem wird daran gearbeitet, das poly-Si(n) nur lokal unter den Metallkontakten zu nutzen, um die parasitäre Absorption zu verringern oder zu umgehen.
Die Lösung, eine extrem dünne poly-Si-Schicht zu entwickeln, führt zwar zu einer guten Passivierung (iVoc > 740 mV) vor der Metallbeschichtung, allerdings besteht nach der Beschichtung eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass beispielsweise die Silberpaste für die elektrische Kontaktierung durch das extrem dünne poly-Si(n) durchgefeuert wird und das c-Si direkt kontaktiert, was die Passivierung wieder verschlechtert. Es wird kontinuierlich an neuen Pasten für das extrem dünne poly-Si(n) geforscht, allerdings wird dabei momentan kein Fortschritt erzielt. Zusätzlich ist das Feuerungsprofil entscheidend und schwer zu kontrollieren.
Die zweite Lösung, die nc-SiOx als Elektronen-selektives Material nutzt, zeigt ebenfalls eine gute Passivierung (iVoc > 725 mV), allerdings kann die Schichtdicke dieses Tunneloxids während der nc-SiOx-Abscheidung zunehmen und 2 nm überschreiten, was den Ladungsträgertransport verschlechtert.
Um das poly-Si(n) lokal unter den Metallkontakten zu nutzen, muss das poly-Si(n) strukturiert lokal aufgebracht werden, was mit einem kostspieligen Strukturierungsverfahren realisiert werden muss. Es müsste daher ein kostengünstiges Strukturierungsverfahren entwickelt werden, um die Komplexität der Herstellung und damit die Produktionskosten zu reduzieren, damit die hergestellte Solarzelle sich industriell durchsetzen kann.
Derzeit sind keine Lösungen bekannt, um die vorteilhafte TOPCon Technik auch auf der Vorderseite von Solarzellen zu etablieren und damit von den exzellenten Passivierungseigenschaften der TOPCon Technik zu profitieren.
Aufgabe und Lösung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und die Technik der Tunneloxid-passivierten Kontakte (TOPCon Technik) neben der Rückseitenkontaktierung auch für die Frontseite von Solarzellen, insbesondere für Hochtemperatursolarzellen, bereitzustellen und damit auch eine gegenüber dem Stand der Technik im Wirkungsgrad verbesserte Solarzelle bereitzustellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung dieser tunneloxid-passivierten Kontakte bereitzustellen, insbesondere für die Frontseite von Solarzellen, sowie Solarzellen bereitzustellen, umfassend diese Kontakte.
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch eine Schichtstruktur mit den Merkmalen des Hautanspruchs und dem Verfahren und der Solarzelle gemäß der nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs und der Nebenansprüche ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass durch Einsatz von jic-SiCx(n):H, insbesondere von hydriertem pc-SiCx(n):H, die Technik dertunneloxid-passivierten Kontakte neben der Rückseitenkontaktierung auch auf der Frontseite von Solarzellen, insbesondere von Hochtemperatur-Solarzellen, eingesetzt und etabliert werden kann.
Gegenüber dem nach dem Stand der Technik für die TOPCon Technik bekannten Einsatz von poly-Si(n) als Elektronen-selektive und passivierende Schicht hat der Einsatz von |ic-SiCx(n), insbesondere von hydriertem pc-SiCx(n):H, den Vorteil, dass dieses Material auf Grund seiner transparenten Eigenschaften keine parasitäre optische Absorption verursacht, dabei aber trotzdem die erforderlichen Eigenschaften der Passivierung erfüllt und den selektiven Transport von Elektronen ermöglicht. Damit wird es möglich, von der exzellenten Passivierung der TOPCon Technik auch für den Frontseitenkontakt zu profitieren und damit den Wirkungsgrad der Solarzellen weiter zu verbessern.
Gegenstand der Erfindung ist eine Schichtstruktur für Solarzellen, vorzugsweise für Hochtemperatursolarzellen, mit Tunneloxid-passivierten Kontakten auf der Frontseite oder auf der Front- und Rückseite der Solarzellen, bestehend aus wenigstens einer Tunneloxidschicht, insbesondere einer Siliziumoxidschicht SiOx mit x = 1 -2 oder einer Aluminiumoxidschicht AIOX mit x = 1-2, sowie einer c-SiCx(n) Schicht, mit x s 0,5, vorzugsweise ä 0,5 bis 0,9, wobei (n) = n- dotiert, und wobei die |nc-SiCx(n) in einer vorteilhaften Ausführung eine hydrierte |ic-SiCx:H (n) Schicht ist. Diese Schichtstruktur kann gemäß der Erfindung vorzugsweise als Frontseitenkontakt einer Solarzelle, vorzugsweise einer Hochtemperatursolarzelle, ausgestaltet sein. Die Tunneloxidschicht sollte dabei vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 1-2 nm aufweisen, um ausreichend chemisch passivierende und Tunneleigenschaften aufzuweisen.
Wie zuvor erwähnt, wird bei der vorliegenden Erfindung das, gemäß dem Stand der Technik, üblicherweise für Rückseiten TOPCon verwendete poly-Si(n), durch leitendes mikrokristallines (n-Typ-) Siliziumkarbid (pc-SiCx(n)) mit großer Bandlücke ersetzt und insbesondere für Frontseiten TOPCon eingesetzt. Wird die optische Bandlücke (E04) bei a = 104 cm'1 genutzt, kann die Bandlücke des hydrierten jtz c-SiCx(n) 2,9 eV erreichen. Eine optische Bandlücke der hydrierten // c-SiCx(n) Schicht im Bereich von 2,3 bis 2,9 eV hat sich als vorteilhaft erwiesen. Aufgrund der großen Bandlücke kann das hydrierte y c-SiCx(n) nun auf der Frontseite einer Solarzelle verwendet werden. Die parasitäre optische Absorption des hydrierten y c- SiCx(n):H(n) ist im Vergleich zu beispielsweise poly-Si(n) oder nc-Si:H (n) gering. Bei einer Photonenenergie E von 2 eV hat y c-SiCx(n):H(n) beispielsweise einen Absorptionskoeffizienten a von 2210 cm'1 im Gegensatz zu poly-Si(n) oder nc-Si:H (n) mit einem Wert von 17737 cm-1 bzw. 13511 cm 1, sodass vorteilhaft eine hohe Schichtdicke, beispielsweise in einem Bereich von 30 bis 200 nm, möglich ist, die dadurch auch vorteilhaft vor dem Durchfeuern der Paste für die elektrische Kontaktschicht bzw. die Metallisierung der Solarzelle schützt und damit den direkten Kontakt der Paste mit dem c-Si-Halbleitermaterial der Solarzellen verhindert. Da weiterhin auf Grund des verwendeten Materials kein Sauerstoff-Präkursor während der Deposition des y c-SiCx(n) vorhanden ist, bleibt auch die Dicke des Tunneloxids konstant und der Ladungsträgertransport am Tunneloxid durch Tunneln gewährleistet.
In einer vorteilhaften Ausführung der Schichtanodnung sind dem Material des mikrokristallinen hydrierten n-Typ-Siliziumkarbid vorzugsweise Kohlenstoff zugefügt, so dass eine C-reiche und/oder dotierte/legierte // c-SiCx:H(n)-Schicht bereitgestellt werden kann. Das Verhältnis von Si zu C kann dabei vorteilhaft in einem Bereich von 1 ,0 : 0,7 liegen. Möglich ist aber auch ein Verhältnis von Si zu C von 1 ,0 : ä 0,7 bis 1 ,0. Indem dem SiC-Netz mehr C und/oder andere Elemente hinzugefügt sind, kann die thermische Stabilität des hydrierten y c-SiCx:H(n) verbessert werden, da Wasserstoff in einem solchen Netzwerk stabiler gebunden ist, wodurch die thermische Stabilität des Materials erhöht wird. Durch das Zufügen von Kohlenstoff C in das SiC-Netzwerkmaterial kann die Diffusionsenergie von Wasserstoff erhöht werden, was zu einem niedrigeren Diffusionskoeffizienten für Wasserstoff führt, was wiederum einer höheren thermischen Stabilität von Wasserstoff im Netzwerk entspricht. Die quantifizierbaren numerischen Werte für das gebundene H liegen in einer Größenordnung von 1 E22 cm'3.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Schichtanordnung ist auf die y c-SiCx:H(n)- Schicht eine Abdeckschicht aufgebracht. Diese kann aus einem Material bestehen, welches eine Wasserstoff-Effusion aus der Solarzelle und insbesondere aus der Schichtstruktur verhindert. Die Abdeckschicht kann dabei aus SiNx:H-Material, wobei x Werte im Bereich von x= 0,3 bis 1 ,5 annehmen kann, bestehen.
In einer vorteilhaften Ausführung der Abdeckschicht weist diese ein Konzentrationsgefälle hinsichtlich des Si-Gehalts und des N-Gehalts auf. Die Abdeckschicht kann dabei beispielsweise in drei Konzentrationsabschnitte hinsichtlich des Si-Gehalts und des N-Gehalts eingeteilt werden: • Der unterste SiNx:H-Konzentrationsabschnitt, welcher direkt mit der y c-SiCx:H(n)- Schicht in Kontakt steht, ist Si-reich und ermöglicht dadurch die Hydrierung und eine gute Passivierungsqualität. Das N/Si-Verhältnis (x) liegt hier in einem Bereich <1 , vorzugsweise bei 0,3 bis 0,9.
• Der oberste SiNx:H-Konzentrationsabschnitt dagegen ist N-reich. Das N/Si-Verhältnis (x) liegt hier in einem Bereich > 1. In einem N-reichen Zustand liegt das N/Si-Verhältnis (x) beispielsweise bei 1 ,1 -1 ,5. Diese Schicht weist eine höhere Bindungsenergie mit Wasserstoff auf, als die mit Silizium und verhindert nach bisherigen Erkenntnissen zufolge die Wasserstoff-Effusion bei hohen Feuerungstemperaturen bis 800 0 C. Zudem eignet sich N-reiches SiNx gut als Anti-Reflexionsschicht.
• Der mittlere SiNx:H- Konzentrationsabschnitt ist eine stöchiometrische Siliziumnitridschicht, die für den Schichtstapel aus Si-reichem SiNx:H, stöchiometrischem SiNx:H, und N-reichem SiNx:H erforderlich ist. Ein stöchiometrisches Siliziumnitrid weist ein N/Si-Verhältnis (x) von 1 auf.
Dieser Dreischichtstapel weist die beste Fähigkeit zur Blockierung des Wasserstoffaustritts aus der erfindungsgemäßen Schichtanordnung auf.
Grundsätzlich sind als Abdeckschichten jedoch auch alle Materialien einsetzbar, welche die Diffusion von Wasserstoff effektiv blockieren können. Diese Diffusion von Wasserstoff aus dem SiC: H-Material kann jeweils gemessen werden.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Solarzelle mit Tunneloxid passivierten Kontakten, umfassend wenigstens eine kristalline n- oder p-dotierte Siliziumschicht, auf die eine Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Front- oder als Front- und Rückseitenkontakt aufgebracht ist.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schichtstruktur sowie einer Solarzelle, enthaltend diese Schichtstruktur.
Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:
• Bereitstellen einer Substratschicht umfassend eine Siliziumschicht
• Aufbringen einer T unneloxidschicht auf die Substratschicht
• Aufbringen einer n- oder p-dotierten y c-SiCx:H- Schicht auf die Tunneloxidschicht
In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird auf die y c-SiCx: H-Schicht eine Abdeckschicht aufgebracht. Diese sollte in einer vorteilhaften Ausführung aus einem Material bestehen, welches eine Wasserstoff-Effusion aus den unter ihr liegenden Schichten verhindert. In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Abdeckschicht besteht diese aus einer SiNxH- Schicht und weist insbesondere hinsichtlich des Si-Gehalts und des N-Gehalts das oben beschriebene dreistufige Konzentrationsgefälle auf.
Grundsätzlich sollte bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Schichtstruktur, beispielsweise mittels PECVD, Folgendes beachtet werden:
Für die SiC-Abscheidung sind die Monomethylsilan-Fließrate, die Filamenttemperatur und die Substrattemperatur entscheidend. Für die SiN-Abscheidung sind die Fließraten von Silan und Stickstoff, die Substrattemperatur, die Leistung und der Basisdruck während der Abscheidung entscheidend. Unter ihnen ist die Leistung während der SiNx-Abscheidung zu beachten, da die PEC VD-Abscheidung eine Plasmaschädigung des SiC verursacht, die gut kontrolliert werden sollte, um die Passivierung nicht zu beeinträchtigen.
Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorangegangenen Beschreibung ausführlich dargestellt und beschrieben wurde, sind diese Abbildungen und Beschreibungen als illustrativ oder exemplarisch und nicht einschränkend zu betrachten. Es versteht sich, dass Änderungen und Modifikationen durch gewöhnliche Fertigkeiten im Rahmen der folgenden Ansprüche vorgenommen werden können. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung weitere Ausführungsformen mit einer beliebigen Kombination von Merkmalen aus verschiedenen Ausführungsformen, die oben und unten beschrieben sind.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsbeispielen und einigen Figuren näher und detaillierter erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die hier offenbarten exemplarischen Ausführungsbeispiele beschränkt. Alle beschriebenen und/oder bebilderten Merkmale können sich einzeln oder auch kombiniert in unterschiedlichen Ausführungsformen manifestieren. Die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen dieser Erfindung und ihre jeweiligen Vorteile werden beim Lesen der nachfolgend ausgeführten Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren offenbart. Dabei zeigen:
Figur 1: Solarzelle mit Bor-diffundiertem Emitter
Figur 2: Solarzelle mit p-Typ poly-Si als Emitter
Figur 3: Solarzelle mit hydriertem p-Typ u c-SiCx als Emitter.
Figur 1 zeigt beispielhaft einen schematischen Aufbau einer Hochtemperatur-Solarzelle mit der erfindungsgemäßen Schichtstruktur auf der Frontseite der Solarzelle. Die erfindungsgemäße Schichtstruktur mit den transparenten, tunneloxid-passivierten Kontakten umfasst dabei eine tunnelnde Siliziumoxidschicht SiOx 1, die auf der Frontseite auf die Oberfläche der Substratschicht 2 aus kristallinem, n-dotiertem Silizium c-Si(n) aufgebracht ist. Auf die Siliziumoxid SiOx Schicht 1 ist eine hydrierte u c-SiCx Schicht 3 aufgebracht. Diese o c-SiCx Schicht 3, die vorzugsweise hydriert ist, fungiert dabei als Elektronen-selektive Kontaktschicht. Das u c-SiCx 3 kann beispielsweise mittels HWCVD abgeschieden werden, was zu einer guten Kristallinität und Leitfähigkeit führt. Laut [1 , 2] steigt die Leitfähigkeit des u c- SiCx nach einem Hochtemperatur-Temperprozess an, was sich positiv auf den vertikalen Ladungsträgertransport auswirkt. Der c-Si-Bulk dient aufgrund der ausgezeichneten Oberflächenpassivierung des passivierten Kontakts als Hauptkanal für den lateralen Ladungsträgertransport [3]. Auf die u c-SiCx Schicht 3 ist eine Abdeckschicht 4 aus SiNx:H aufgebracht, die in die drei zuvor beschriebenen Bereiche aufgeteilt werden kann: Si-reich, SiNx:H mit gleichem Verhältnis von Si und N zueinander und N-reich. Auf der Rückseite der Solarzelle ist auf die c-Si(n) Substratschicht 2 ein Schichtstapel aus einer Bor-Emitterschicht (p+ Emitter) 5, einer Aluminiumoxidschicht (AI2O3) 6 sowie eine Abdeckschicht 7 aus SiNx:H aufgebracht, welche dieselben Eigenschaften wie die Abdeckschicht 4 auf der Frontseite aufweist. Sowohl auf der Front- als auch auf der Rückseite sind auf den Bereichen, wo die Abdeckschichten 4 und 7 entfernt wurden, Metallkontakte 8, beispielsweise aus Silber (Ag) aufgebracht. Dies kann mit allen nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen. Durch Verwendung von C-reichem u c-SiCx mit einem C/Si Verhältnis (x) von > 0,7 mit hohen Bindungsenergien von 432 KJ/mol der C-H-Bindungen gegenüber 318 kJ/mol der Si-H Bindungen, kann hochtemperaturstabiles hydriertes u c-SiCx erreicht werden. Darüber hinaus sorgt der hohe Kohlenstoffanteil im SiC-Netzwerk mit einem C/Si Verhältnis (x) von > 0,7 für eine blasenfreie Dünnschicht.
Vorangegangene Arbeiten [4] zeigen, dass das Hinzufügen von Kohlenstoff zum SiC-Netz- werk den Hochtemperatur-Effusionspeak zu höheren Temperaturen verschiebt, was auf eine bessere Temperaturstabilität des Wasserstoffs hindeutet. Die Verschiebung des Effusionspeaks, und zwar im Bereich von 500°C auf 650°C, wird durch eine höhere Diffusionsenergie erklärt. Dies bedeutet einen geringeren Diffusionskoeffizienten für atomaren Wasserstoff durch den Einbau von Kohlenstoff und damit eine höhere Temperaturstabilität des atomaren Wasserstoffs im Netzwerk. F-ISE [5] berichtet außerdem, dass der Einsatz von C-reichem a- SiC (ohne Tunneloxid) als rückseitige Passivierschicht eine vielversprechende Hydrierungsqualität nach einem industriellen Feuerungsschritt aufweist. Allerdings wird hier das u c-SiCx zusammen mit dem Tunneloxid nur als passivierter Vorderseitenkontakt genutzt.
Die zuvor bereits beschriebene SiNx:H Abdeckschicht mit Konzentrationsgefälle kann sowohl als Abdeckschicht als auch als Anti-Reflexionsschicht verwendet werden. Vorhergegangene Arbeiten [6] zeigen, dass N-reiches SiNx den Wasserstoff-Effusionspeak von 550 °C zu 800 °C verschiebt. Eine Temperatur von 800 °C wurde als maßgebliche Temperatur angesehen, da der Feuerungsprozess während der Metallisierung häufig bei dieser Temperatur durchgeführt wird. Durch Schichtstapel aus SiNx mit N-Konzentrationsgefälle (Si-reiches SiNx/SiN/N-reiches SiNx) kann die allgemeine Wasserstoff-Effusion weiter drastisch reduziert werden. Indem SiNx mit Konzentrationsgefälle verwendet wird, kann die Wasserstoff- Effusion bei hohen Temperaturen aufgrund der hohen Bindungsenergien der N-H-Bindungen und der kompakten Dichte verhindert werden. Wasserstoff, der bei hohen Temperaturen ab ca. 400°C von der c-Si(n)/SiO2-Grenzfläche oder dem hydrierten u c-SiC effundiert, wird in der Zelle gehalten und kann wieder in die c-Si(n)/SiO2-Grenzfläche diffundieren und zur Hydrierung beitragen. Im hier in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden Bor-diffun- dierte Emitter (p+ Emitter) verwendet, was eine bewährte Standardtechnik ist.
Figur 2 unterscheidet sich von der Ausführung gemäß Figur 1 durch die Anordnung eines Schichtstapels auf der Rückseite der Solarzelle, umfassend eine Siliziumoxidschicht SiOx 9, eine poly-Si(p)Schicht 10 und die zuvor schon beschriebene Abdeckschicht 7 aus SiNx:H mit den unterschiedlichen Si und N Konzentrationsabschnitten. Durch den SiOx Tunneloxid /poly-Si(p)-Stapel werden die Metallkontakte passiviert, wodurch es vorteilhaft zu einer Optimierung der Rekombination an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche kommen kann.
Figur 3 unterscheidet sich von der Ausführung gemäß Figur 1 durch die Anordnung eines Schichtstapels auf der Rückseite der Solarzelle, umfassend eine Siliziumoxidschicht SiOx 9, eine p-typ u c-SiCx Schicht 11 und die zuvor schon beschriebene Abdeckschicht 7 aus SiNx:H. Um die parasitäre Absorption des sonst nach Stand der Technik verwendeten poly- Si zu verringern, wurde in dieser Ausführungsform vorteilhaft auch auf der Rückseite eine p- typ o c-SiCx Schicht 11 genutzt, wodurch beidseitige u c-SiCx-passivierte Kontakte ermöglicht werden (siehe Figur 3). Diese Ausgestaltung einer Solarzelle ist für das Verfahren zur Herstellung vorteilhaft, da sowohl SiNx als auch SiC mittels HWCVD abgeschieden werden können und der Herstellungsprozess dadurch vereinfacht wird.
Im Folgenden werden beispielhaft Verfahren und die jeweils eingestellten Parameter zum Aufbringen einer Tunneloxidschicht aus Siliziumoxid, einer Siliziumcarbidschicht und einer Siliziumnitridschicht beschrieben:
1. Aufbrinqen einer Tunneloxidschicht aus SiO2 mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 ,5 nm a) Ozon Oxidation:
Tabelle 1: Geeignete Prozessparameter für das Aufbringen einer T unneloxidschicht aus
SiÜ2 durch Ozon Oxidation
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Das Verfahren der Ozon Oxidation ist ein dem Fachmann bekanntes Verfahren und wird beispielsweise in [8] beschrieben. b) Piranha Oxidation:
Tabelle 2: Geeignete Prozessparameter für das Aufbringen einer T unneloxidschicht aus
SiÜ2 durch Piranha Oxidation
Figure imgf000011_0002
Figure imgf000012_0002
Das Verfahren der Piranha Oxidation ist ein dem Fachmann bekanntes Verfahren und wird beispielsweise in [9] beschrieben.
Sowohl die Tunneloxidschicht aus AlOx als auch die Tunneloxidschicht aus SiOx können auch durch ein ALD (Atomic Layer Deposition) Verfahren hergestellt werden. Allerdings sind die Präkursoren dafür unterschiedlich. Für SiOx sind die Präkursoren Tris(dimethyla- mino)silan (TDMAS) und Sauerstoff, während für AlOx Trimethylaluminium (AI(CH3)3, TMA) und deionisiertes Wasser (H2O, DIW) verwendet werden. Diese Verfahren sind dem Fachmann für ALD-AlOx beispielsweise aus [12] bekannt und für ALD-SiOx aus [13],
2. Aufbrinqen einer SiC-Schicht mit einer Bandlücke im Bereich von 2.3-2.9 eV und einer elektrischen Dunkelleitfähigkeit im Bereich von 1E-12 bis 0.9 S/cm
Die optischen und elektrischen Eigenschaften der SiC Schichten werden während des Aufbringens vorwiegend von der Filamenttemperatur beeinflusst [10; 11],
Methode: Chemische Gasphasenabscheidung mit heißem Draht (Hot wire chemical vapor deposition = HWCVD)
Tabelle 3: Prozessparameter für das Aufbringen einer SiC-Schicht mittels HWCVD
Figure imgf000012_0003
Figure imgf000012_0001
von SiNx Schichten mit einer Bandlücke von 2.6-5.7 eV und einem Brechungsindex bei 632 nm von 1.8-3: Dielektrisches Material
Es wird angenommen, dass über einen breiten Bereich von Depositionsbedingungen die optischen Eigenschaften der SiNx Schichten vielmehr vom Verhältnis von [Si-H] zu [N-H] abhängen als vom Verhältnis von [Si-N], [Si-H] und [N-H] [7]. Methode: Plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition = PECVD) >
Tabelle 4: Prozessparameter zum Aufbringen von SiNx Abdeckschichten mittels PECVD, die Bereiche mit unterschiedlichem Si- oder N-Gehalt aufweisen:
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*: Dreifachschicht mit N/Si Verhältnis mit Si-reich von 0,4; Si~N von 0.9 und N-reich von 1 ,1.
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[9] Malte Köhler et al., Wet-Chemical Preparation of Silicon Tunnel Oxides for Transparent Passivated Contacts in Crystalline Silicon Solar Cells, ACS Applied Materials & Interfaces 2018 10 (17), 14259-14263; DOI: 10.1021/acsami.8b02002
[10] M. Köhler et al., Development of a Transparent Passivated Contact as a Front Side Contact for Silicon Heterojunction Solar Cells, 2018 IEEE 7th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC) (A Joint Conference of 45th IEEE PVSC, 28th PVSEC & 34th EU PVSEC), Waikoloa Village, HI, 2018, pp. 3468-3472, doi: 10.1109/PVSC.2018.8548008
[11] M. Köhler et al., Optimization of Transparent Passivating Contact for Crystalline Silicon Solar Cells, in IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 10, no. 1, pp. 46-53, Jan. 2020, doi: 10.1109/JPHOTOV.2019.2947131
[12] Hamchorom Cha, Hyo Sik Chang, Passivation performance improvement of ultrathin ALD-AI2O3 film by chemical oxidation, H. Cha, H.S. Chang / Vacuum 149 (2018) 180-184
[13] Mickael Lozach, Shota Nunomura, Koji Matsubara, Double-sided TOPCon solar cells on textured wafer with ALD SiOx layer, Solar Energy Materials and Solar Cells 207 (2020) 110357
Während die Erfindung anhand von besonderen Ausführungsbeispielen im vorangehenden Teil der Anmeldung eingehend beschrieben und bebildert wurde, sollen diese Beschreibung und die Figuren lediglich als Beispiel gelten, ohne dadurch einschränkend zu wirken. Es ist davon auszugehen, dass ein Fachmann im Rahmen seines Fachwissens selbst weitere Änderungen und Modifikationen der nachfolgenden Ansprüche vornehmen würde und könnte, die durch den Schutzbereich der Ansprüche mit abgedeckt sind. Insbesondere sind im Rahmen der Erfindung weitere Ausführungsformen mit jeder Art von Kombinationen der erwähnten Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele mit umfasst.

Claims

Patentansprüche
1 . Schichtstruktur für Solarzellen mit Tunneloxid-passivierten Kontakten, bestehend aus wenigstens einer Tunneloxidschicht und einer .c-SiCx Schicht mit x > 0,5.
2. Schichtstruktur nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die |ic-SiCx Schicht eine hydrierte p.c-SiCx:H(n) Schicht ist.
3. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die p.c-SiCx Schicht eine Schichtdicke im Bereich von 30 bis 200 nm aufweist.
4. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jic-SiCx Schicht eine Bandlücke von 2,3 bis 2,9 eV aufweist.
5. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der .c-SiCx Schicht Kohlenstoff zugesetzt ist.
6. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der .c-SiCx Schicht Kohlenstoff zugesetzt ist, wobei das Verhältnis von Si zu C in einem Bereich von 1 ,0 zu s 0,7 bis 1 ,0 liegt.
7. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunneloxidschicht eine Siliziumoxidschicht SiOx mit x = 1-2 oder eine Alumini- umoxidschicht AlOx mit x = 1-2 ist.
8. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunneloxidschicht eine Siliziumoxidschicht SiOx oder Aluminiumoxidschicht AlOx ist, mit einer Schichtdicke in einem Bereich von 1 -2 nm.
9. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunneloxidschicht eine Siliziumoxidschicht SiOx ist, die durch Piranha Oxidation, durch thermische Oxidation oder durch Ozon Oxidation aufgebracht ist oder eine durch ALD-gewachsene Siliziumoxidschicht SiOx oder Aluminiumoxidschicht AlOx ist.
10. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstruktur auf der Frontseite der Solarzelle angeordnet ist.
11. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstruktur transparent ist.
12. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstruktur auf der Front- und auf der Rückseite der Solarzelle angeordnet ist.
13. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die |ic-SiCx Schicht wenigstens eine Abdeckschicht aufgebracht ist.
14. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die |ic-SiCx Schicht wenigstens eine Abdeckschicht aufgebracht ist, bestehend aus Material, welches eine Wasserstoff- Effusion verhindert.
15. Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die pc-SiCx Schicht wenigstens eine Abdeckschicht aufgebracht ist, bestehend aus einer SiNx:H-Schicht mit x =0,3 bis 1 ,5.
16. Schichtstruktur nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht aus SiNx:H ein Konzentrationsgefälle hinsichtlich des Si-Gehalts und des N-Gehalts aufweist.
17. Schichtstruktur nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht in drei Konzentrationsabschnitte hinsichtlich des Si-Gehalts und des N-Gehalts eingeteilt ist. 15
18. Solarzelle mit Tunneloxid passivierten Kontakten, umfassend wenigstens eine kristalline n- oder p-dotierte Siliziumschicht, auf die eine Schichtstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Front- oder als Front- und Rückseitenkontakt aufgebracht ist.
19. Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 17 mit den Schritten:
• Bereitstellen einer Substratschicht umfassend eine Siliziumschicht
• Aufbringen einer Tunneloxidschicht auf die Substratschicht
• Aufbringen einer u c-SiCx:H-Schicht, die n- oder p-dotiert ist, auf die Tunneloxidschicht
20. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass auf die u c-SiCx:H-Schicht eine Abdeckschicht aufgebracht wird.
21 . Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass auf die ^ic-SiCx Schicht wenigstens eine Abdeckschicht aufgebracht wird, die aus einem Material besteht, welches eine Wasserstoff-Effusion verhindert.
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