DE10046170A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Metallkontaktes durch eine dielektrische Schicht - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Metallkontaktes durch eine dielektrische SchichtInfo
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung einer, mit wenigstens einer passivierenden, dielektrischen Schicht (12) überzogenen Halbleiteroberfläche (13). DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Metallschicht (11) auf die dielektrische Schicht (12) aufgebracht wird und mittels einer Strahlungsquelle (9) diese Metallschicht (11) kurzzeitig lokal punkt- oder linienförmig erhitzt wird, so dass sich eine Schmelzmischung aus Metallschicht (11), dielektrischer Schicht (12) und dem Halbleiter (13) bildet, die nach dem Erstarren einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Halbleiter (13) und der Metallschicht (11) bildet.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung einer mit
wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen, elektrisch zu kontaktierenden
Halbleiteroberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der p-leitenden Basisschicht
einer Solarzelle, die mit einer dielektrischen Passivierungsschicht überzogen ist.
Die industrielle Fertigung von Solarzellen unterliegt bereits rein aus
Wettbewerbsgründen den Bestrebungen Solarzellen mit möglichst hohem
Wirkungsgrad, d. h. einer möglichst hohen elektrischen Stromausbeute aus dem auf
die Solarzelle eintreffenden solaren Energiefluß, herzustellen und zugleich den
Fertigungsaufwand und damit eng verbunden die Herstellungskosten gering zu
halten.
Zum näheren Verständnis der bei einer optimierten Fertigung von Solarzellen zu
beachtenden Maßnahmen sollen die nachstehenden Ausführungen dienen:
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln.
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln.
Üblicherweise bestehen sie aus einem Halbleitermaterial - meist werden Solarzellen
aus Silizium gefertigt -, das n- bzw. p-leitende Halbleiterbereiche aufweist. Die
Halbleiterbereiche werden in an sich bekannter Weise als Emitter bzw. Basis
bezeichnet. Durch auf die Solarzelle einfallendes Licht werden innerhalb der
Solarzelle positive und negative Ladungsträger erzeugt, die an der Grenzfläche
zwischen dem n- (Emitter) und p-dotierten (Basis) Halbleiterbereich, am
sogenannten pn-Übergang räumlich voneinander getrennt werden. Mittels
metallischer Kontakte, die mit dem Emitter und mit der Basis verbunden sind, können
diese voneinander getrennten Ladungsträger abgeführt werden.
In der einfachsten Form bestehen Solarzellen aus ganzflächigen Basis- 2 und
Emitterbereichen 3, wobei der Emitter 3 auf der dem Licht zugewandten Seite, der
Vorderseite der Solarzelle liegt. Zur Veranschaulichung sei an dieser Stelle auf Fig.
1 verwiesen, die eine bekannte Solarzelle 1 zeigt.
Zur elektrischen Kontaktierung der Basis 2 wird für gewöhnlich die Rückseite der
Solarzelle 1 mit einer ganzflächigen Metallschicht 4 versehen, auf die geeignete
Rückseitenkontaktleiterbahnen 5, bspw. aus AlAg aufgebracht sind. Der
Emitterbereich 3 wird mit einem Metall-Grid 6 kontaktiert mit dem Ziel, möglichst
wenig Licht durch Reflexion am Metallkontakt für die Solarzelle zu verlieren, d. h.
das Metall-Grid 6 weist eine Fingerstruktur auf, um möglichst wenig Solarzellenfläche
zu verdecken. Zur Optimierung der Leistungsausbeute der Solarzelle 1 wird zudem
versucht die optischen Verluste auf Grund von Reflexion möglichst klein zu halten.
Erreicht wird dies durch die Abscheidung sogenannter Antireflexionsschichten 7
(ARC) auf der Vorderseitenoberfläche der Solarzelle 1. Die Schichtdicke der
Antireflexionsschichten 7 ist so gewählt, daß sich im energetisch wichtigsten
Spektralbereich gerade destruktive Interferenz des reflektierten Lichtes ergibt.
Verwendete Antireflexmaterialien sind z. B. Titandioxid, Siliciumnitrid und
Siliciumdioxid. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Reflexionsminderung
durch Herstellung einer geeigneten Oberflächentextur mittels einem Ätz- oder
mechanischen Bearbeitungsverfahren erzielt werden, wie es auch aus der in Fig. 2
dargestellten Solarzelle hervorgeht. Hier ist der Emitterbereich 3 sowie auch die auf
dem Emitter aufgebrachte Antireflexionsschicht 7 derart strukturiert ausgebildet, daß
das auf die strukturierte Oberfläche der Solarzelle 1 einfallende Licht an den
pyramidenartig ausgebildeten Strukturen eine erhöhte
Einkopplungswahrscheinlichkeit hat. Auch im Falle der Solarzelle gemäß der Fig. 2
erfolgt die elektrische Kontaktierung des Emitters 3 mit einem möglichst
feingliedrigen Metall-Grid 6, von dem lediglich ein schmaler Kontaktfinger in Fig. 2
dargestellt ist. Die Antireflexionsschicht 7 kann überdies auch als
Passivierungsschicht dienen, die zum einen für einen mechanischen
Oberflächenschutz sorgt aber zudem auch intrinsische Wirkungen besitzt hinsichtlich
der Reduzierung von Oberflächenrekombinationsprozessen, auf die im weiteren
genauer eingegangen wird.
Bei der elektrischen Kontaktierung einer Solarzelle ist zwischen der Vorder- und
Rückseite zu unterscheiden. Während auf der Rückseite der Solarzelle versucht
wird, einen Kontakt herzustellen, der sich hauptsächlich durch einen niedrigen
Kontakt- und Leitungswiderstand auszeichnet, muß auf der Vorderseite zusätzlich
möglichst viel Licht in die Solarzeile eingekoppelt werden. Deshalb wird auf der
Vorderseite normalerweise eine Kammstruktur, wie aus der Fig. 1 ersichtlich,
erzeugt, um sowohl die Widerstands- als auch die Abschattungsverluste klein zu
halten. Auf der Rückseite der Solarzelle kommen für gewöhnlich sowohl ganzflächige
als auch strukturierte z. B. gitterartige Kontakte zum Einsatz.
Die Oberflächen von Solarzellen hoher Wirkungsgrade zeichnen sich neben guten
elektrischen Kontaktierungen zusätzlich durch eine niedrige
Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit aus, d. h. die Wahrscheinlichkeit, daß
Minoritätsladungsträger an die Oberfläche der Solarzelle gelangen und dort
rekombinieren und somit nicht zur Energieerzeugung beitragen, wodurch es zu einer
erheblichen Wirkungsgradreduktion kommt, ist gering.
Realisiert werden kann dies entweder dadurch, daß a) wenige
Minoritätsladungsträger an die Oberfläche gelangen, oder daß b) sie an der
Oberfläche nur mit geringer Wahrscheinlichkeit rekombinieren.
Die Methode a) kann dadurch realisiert werden, indem im Bereich der Oberfläche
eine hohe Dotierung an Fremdatomen erzeugt wird oder daß an der Oberfläche feste
Ladungen in der Grenzschicht eingebaut werden. Eine hohe Dotierung ist durch die
Emitterdotierung auf der Vorderseite in verschieden starker Ausprägung realisiert,
auf der Rückseite kann hierzu unterstützend ein sogenanntes Rückseitenfeld, ein
sogenanntes "Back Surface Field" eingebaut werden.
Eine hohe Dotierung ist jedoch stets mit dem Nachteil verbunden, daß zwar die
Rekombinationswahrscheinlichkeit an den Oberflächen der Solarzelle reduziert
werden kann, dafür erhöht sich jedoch die Rekombinationswahrscheinlichkeit
innerhalb der Solarzellenschicht. Ladungen können z. B. auch durch eine Schicht aus
Siliciumnitrid, die besonders gut als Antireflexionsschicht dient, eingebaut werden.
Die Methode b) kann dadurch realisiert werden, daß die
Oberflächenrekombinationszustände verringert werden, z. B. dadurch, daß an der
Oberfläche aufgebrochene und somit nicht abgesättigte Siliziumbindungen durch
eine Schicht aus Siliziumnitrid oder Silizumdioxid abgesättigt werden die, wie oben
beschrieben, an der Vorderseite auch als Antireflexschicht verwendet werden
können. Diese Passivierung kann sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite
angewendet werden und ist eines der wichtigsten Merkmale hocheffizienter
Solarzellen.
Ein weiteres Merkmal derartiger hocheffizienter Solarzellen sind schmale (<40 µm)
und hohe Vorderseitenkontakte (<10 µm) mit niedrigem Kontakt- und
Leitungswiderstand. Die als Grid-Finger ausgebildeten Oberflächenkontakte sollen
möglichst wenig Solarzellenfläche abdecken, also müssen sie möglichst schmal
ausgebildet sein, sollen überdies für die Abführung der in der Solarzelle getrennten
Ladungsträger einen möglichst geringen Leitungswiderstand aufweisen, also sollte
ihr Leitungsquerschnitt möglichst groß sein.
Die wichtigsten bekannten Metallisierungstechnologien für die Rückseitenkontakte
einer Solarzelle sind:
A. Siebdruckverfahren
Per Siebdruck wird eine eine Aluminiumpaste ganzflächig auf die Oberfläche gedruckt. Anschließend wird bei einem Hochtemperaturschritt für ca. 10-30 Sekunden eine Temperatur von ca. 700-800°C gehalten. Hierdurch wird ein guter elektrischer Kontakt realisiert und es bildet sich eine Aluminiumsiliciumlegierung, das "Back Surface Field" aus. Dies ist der in der Industrie am weitesten verbreitete Prozeß zur Rückseitenkontaktierung.
Per Siebdruck wird eine eine Aluminiumpaste ganzflächig auf die Oberfläche gedruckt. Anschließend wird bei einem Hochtemperaturschritt für ca. 10-30 Sekunden eine Temperatur von ca. 700-800°C gehalten. Hierdurch wird ein guter elektrischer Kontakt realisiert und es bildet sich eine Aluminiumsiliciumlegierung, das "Back Surface Field" aus. Dies ist der in der Industrie am weitesten verbreitete Prozeß zur Rückseitenkontaktierung.
B) Ganzflächiges Aufdampfen
Die Metallschicht wird durch ganzflächiges Aufdampfen aufgebracht.
Die Metallschicht wird durch ganzflächiges Aufdampfen aufgebracht.
C) Photolithographie und Aufdampfen
Zuerst wird eine meist passivierende, dielektrische Schicht z. B. Siliciumdioxid aufgebracht. Durch Belichtung, Entwicklung und Auswaschen eines photosensiblen Filmes, dem sogenannten Ätzresist wird die gewünschte Struktur bis zur vorher aufgebrachten dielektrischen Schicht freigelegt. Durch anschließendes Ätzen wird letztere bis zum Siliziumwafer geöffnet. Auf der Rückseite der Solarzelle kann die Metallisierung sofort nach der Schichtöffnung und dem Entfernen des photosensiblen Ätzresist erfolgen. Der Rückseitenkontakt kann dann ganzflächig, bspw. durch Aufdampfen, aufgebracht werden.
Zuerst wird eine meist passivierende, dielektrische Schicht z. B. Siliciumdioxid aufgebracht. Durch Belichtung, Entwicklung und Auswaschen eines photosensiblen Filmes, dem sogenannten Ätzresist wird die gewünschte Struktur bis zur vorher aufgebrachten dielektrischen Schicht freigelegt. Durch anschließendes Ätzen wird letztere bis zum Siliziumwafer geöffnet. Auf der Rückseite der Solarzelle kann die Metallisierung sofort nach der Schichtöffnung und dem Entfernen des photosensiblen Ätzresist erfolgen. Der Rückseitenkontakt kann dann ganzflächig, bspw. durch Aufdampfen, aufgebracht werden.
Mit den bekannten photolithographischen Verfahren können Strukturgrößen bis unter
1 µm hergestellt werden. Die Photolithographie ist aber ein verhältnismäßig
kostenaufwendiges Verfahren und wird deshalb kaum im industriellen Bereich der
Solarzellenfertigung angewendet. Die meisten Prozesse mit denen bisher Solarzellen
mit einem Wirkungsgrad über 20% hergestellt werden enthalten mehrere
photolithographische Prozeßschritte. Die bereits unter Bezugnahme auf Fig. 2
beschriebene Solarzelle ist mit den beiden vorstehend beschriebenen
Photolithographieschritten hergestellt worden.
D) Photolithographie, lokale Hochdotierung und Aufdampfen
Eine Variante dieses Verfahrens ist die Verwendung einer lokalen Hochdotierung unter den Kontakten, wodurch insbesondere die Kontakteigenschaften verbessert werden. Die bekannte Realisierung der lokalen Hochdotierung wird durch Diffusion eines vor der Diffusion aufzubringenden und anschließend evtl. wieder zu entfernenden Dotierstoffes erreicht. Schliesslich erfolgt die Kontaktierung wie oben, unter (C) beschrieben.
Eine Variante dieses Verfahrens ist die Verwendung einer lokalen Hochdotierung unter den Kontakten, wodurch insbesondere die Kontakteigenschaften verbessert werden. Die bekannte Realisierung der lokalen Hochdotierung wird durch Diffusion eines vor der Diffusion aufzubringenden und anschließend evtl. wieder zu entfernenden Dotierstoffes erreicht. Schliesslich erfolgt die Kontaktierung wie oben, unter (C) beschrieben.
Unter Anwendung dieses Verfahren sind die höchsten bisher auf Silicium erreichten
Wirkungsgrade von ca. 24% realisiert worden. Die Prozessfolge ist aber äußerst
aufwendig und komplex und wird deshalb nicht für die Herstellung von Solarzellen in
industriellem Maßstab in Betracht gezogen.
E) Ein Verfahren, mit dem auf einer teilweise der Photolithographie ähnlichen Weise
der Vorderseitenkontakt einer Solarzelle hergestellt werden kann, ist in US Patent Nr.
5,011,565 "Dotted contact solar cell and method of making same" von Dube et al.
dargestellt worden. Das Patent beschreibt einen Solarzellentyp und ein Verfahren zu
dessen Herstellung. Die Vorderseite der Solarzelle ist dabei mit einer dielektrischen
Schicht versehen die mit einem Laser, insbesondere einem YAG-Laser mit in Linien
angeordneten Punkten geöffnet wird. Die Punkte sind mit einem gewissen Abstand
angebracht. Die eigentliche Kontaktformierung geschieht dann durch eine
Abscheidung von Nickel und Kupfer in einem chemischen Bad. Dabei werden die
Abstände zwischen den Punktkontakten überbrückt.
F) Eine ähnliche Kontaktierungsmethode ist in US Patent Nr. 4,626,613 beschrieben.
Hier werden zur Kontaktierung durch eine passivierende, dielektrische Schicht
hindurch Gräben in die Solarzellenoberfläche eingebracht, die anschließend mit
einem Kontaktmetall gefüllt werden. Der Graben wird durch mechanische
Strukturierung oder vorzugsweise durch Laserablation hergestellt. Das Verfahren
wird industriell zur Kontaktierung der Zelivorderseite eingesetzt.
G) Ein weiteres ähnliches Verfahren ist zur Kontaktierung der Rückseite aus "R.
Preu, S. W.Glunz, S. Schäfer, R. Lüdemann, W. Wettling, W. Pfleging, Laser
Ablation - A New Low-Cost Approach for Passivated Rear Contact Formation in
Crystalline Silicon Solar Cell Technology', Proceedings of the 16th European
Photovoltaic Solar Energy Conference, Glasgow, UK (2000)" bekannt. Hier wird die
Rückseite einer Solarzelle kontaktiert, in dem zuerst eine ganzflächige,
passivierende dielektrische Schicht aufgebracht wird und diese anschließend mit
einem kurzpulsigen Laser lokal geöffnet wird. Anschliessend wird ganzflächig eine
Schicht aus Aluminium aufgebracht. Ein guter elektrischer Kontakt wird durch das
Erhitzen der Scheibe auf 400°C oder darüber hergestellt.
H) Ausserdem ist ein Verfahren bekannt, bei dem ganzflächig eine dielektrische
Schicht aufgebracht wird und anschliessend lokal eine Paste - z. B. im
Siebdruckverfahren - aufgebracht wird, die neben metallischen Bestandteile unter
anderem auch ätzende Bestandteile enthält. Bei Erhöhung der Temperatur wird
dieser Ätzvorgang in Gang gesetzt oder beschleunigt, so dass die dielektrische
Schicht lokal geöffnet wird und sich ein guter elektrischer Kontakt zwischen
metallhaltiger Paste und dem Substrat ausbilden kann.
Die heute industriell mit den vorstehend kurz umrissenen Technologien des
ganzflächigen Siebdruckes einer Aluminiumpaste (A), sowie des ganzflächigen
Aufdampfens (B) hergestellten Solarzellen weisen einen Wirkungsgrad auf, der
deutlich unter dem, der mit der Technologie der Photolithographie hergestellten
Solarzellen liegt. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet aber einen deutlichen Mehrwert
der Solarzelle. Die Anwendung der mittels Photolithographie durchgeführte
Technologie (C) und (D) ist jedoch im Augenblick so aufwendig, daß sie trotz der
hohen erzielbaren Wirkungsgrade nicht realisiert wird.
Bei den in US 5,011,565 und US 4,626,613 beschriebenen Verfahren wird während
der Entfernung der dielektrischen Schicht, das darunterliegende Silicium so
beschädigt, dass in der Praxis eine Teil des Siliciummaterials mit einem zusätzlichen
Ätzschritt abgetragen werden muß.
Außerdem tritt bei der Laserablation häufig das Problem auf, dass sich das vom
Laserstrahl ablatierte Material auf der zu bearbeitenden Oberfläche absetzt sowie
sich auf gegebenenfalls im Lichtstrahl vorhandene optische Abbildungseinheiten, wie
Sammellinsen, absetzt, wodurch der Abtrageprozess erheblich in Mitleidenschaft
gezogen wird. Unterbrechungen des Abtrageprozesses sind die Folge, um
notwendige Reinigungsarbeiten durchführen zu können.
Schließlich muß zur Erzielung sehr guter Widerstandswerte bei dem
Laserablationsverfahren (G) nach dem Aufbringen der Metallschicht im allgemeinen
der Kontakt bei Temperaturen über 300°C nachbehandelt werden, was einen
zusätzlichen Prozessschritt bedeutet, der zudem die Wahl der
Passivierungsschichten einschränkt.
Das lokale Aufbringen der Metall- und ätzhaltigen Paste entsprechend Verfahren (H)
hat den Nachteil, dass die Herstellung der Paste aufwendig ist und deshalb deutlich
höhere Kosten verursacht als die Verwendung reinen Metalls wie es z. B. beim
Aufdampfen verwendet werden kann. Außerdem ist vor der Metallisierung eine
Reinigung der Oberfläche notwendig. Darüber hinaus wird bei dem
Kontaktformierungsprozeß die Rückseite ganzflächig hohen Temperaturen
ausgesetzt, was die Wahl der möglichen Passivierungsmaterialien einschränkt, bzw.
eine Verschlechterung der Passivierungsschicht zur Folge haben kann.
Außerdem ist bei nur lokaler Metallisierung der Rückseite z. B. in Form eines Gitters,
die Reflektivität der Rückseite im Vergleich zu einer ganzflächigen Metallisierung
heruntergesetzt. Deshalb wird Licht mit einer Wellenlänge, die nur geringfügig im,
photovoltaisch aktiven Material absorbiert wird, wesentlich schlechter reflektiert als
bei einer ganzflächigen metallischen Rückseite.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur elektrischen
Kontaktierung eines mit wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen,
elektrisch zu kontaktierenden Oberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der .
Basisschicht einer Solarzelle, die mit einer dielektrischen Passivierungsschicht
überzogen ist, derart weiterzubilden, daß die vorstehend dargelegten, beim Stand
der Technik auftretenden Nachteile umgangen werden können. Insbesondere sollte
eine Fertigung leistungsfähiger Solarzellen im industriellen Maßstab möglich sein, die
zum einen den hohen Ansprüchen der Erzielung guter Wirkungsgrade gerecht wird,
als auch eine möglichst preisgünstige Produktion der Solarzellen begünstigt.
Überhitzungen der zu bearbeitenden Materialoberflächen sowie auftretende
Verunreinigungen während des Aufschmelzens sollten vermieden werden.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1
angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausbildende Merkmale sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines mit
wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen, elektrisch zu kontaktierenden
Oberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der Basisschicht einer Solarzelle, die
mit einer dielektrischen Passivierungsschicht überzogen ist, derart weitergebildet,
dass die Passivierungsschicht ganzflächig mit einer Metallschicht - vorzugsweise
Aluminiumn - bedeckt wird und der Kontakt durch kurzzeitiges lokales Aufschmelzen
der Metallschicht, der dielektrischen Schicht sowie der, vorzugsweise aus einem
Halbleitermaterial bestehenden, zu kontaktierenden Oberfläche mit einer
Strahlungsquelle hergestellt wird. Durch den Aufschmelzvorgang bildet sich
zwischen den einzelnen Schichten eine Schmelzmischung aus, die nach dem
Erstarren einen elektrischen Kontakt zwischen der Halbleiteroberfläche und der
Metallschicht bildet. Hierbei wird der Schichtverbund nur in der nächsten Umgebung
des Kontaktes derart modifiziert, dass auf diese Weise ein hinreichend niedriger
spezifischer Kontaktwiderstand für die Herstellung hocheffizienter Solarzellen
gewonnen werden kann. Insbesondere kommt es also darauf an, daß der
Energieeintrag derart erfolgt, daß an dem lokalen Kontakt ein hinreichend niedriger
spezifischer Kontaktwiderstand erreicht wird, wobei darauf zu achten ist, daß in der
Umgebung des lokalen Kontaktes der Schichtverbund in seinen Eigenschaften
möglichst nicht beeinflußt wird.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde durch die Passivierungsschicht hindurch, ein
bestimmtes Muster oder eine bestimmte Anordnung von Kontaktöffnungen zu
schaffen, an denen die zu kontaktierende Materialoberfläche, vorzugsweise die
Emitter und Basisschicht der Solarzelle, vollständig lokal freigelegt ist. Die lokale
Erhitzung der Halbleiter-, Passivierungs- und Aluminiumschicht erfolgt vorzugsweise
durch Laserbestrahlung, d. h. durch unmittelbare Laserlichteinwirkung auf die
Oberfläche des Aluminiums wird dieses lokal so stark erhitzt, daß ein
Schmelzgemisch aus dem Aluminium, der dielektrischen Schicht und des
darunterliegenden Siliciummaterials, woraus bevorzugt die Halbleiterschicht besteht,
gebildet wird.
Als Lichtquelle, wird wie bereist erwähnt vorzugsweise ein Laser eingesetzt, der
vorzugsweise gepulst betrieben wird. Besonders eignen sich Lichtpulse mit einer
Pulsdauer, die zwischen einer und 500 Nanosekunden liegt, um die thermische
Belastung der angrenzenden Materialschichten möglichst gering zu halten, aber
gleichzeitig die thermische Einwirkung lang genug aufrechtzuerhalten, um das
Aufschmelzen des Siliciums bis in eine Tiefe von einigen 100 nm bis einigen µm zu
gewährleisten, um hierdurch einen sehr guten elektrischen Kontakt entstehen zu
lassen. Das lokale Erstarren der Schmelzmischung kann dabei so erfolgen, daß sich
zuerst eine Schicht aus aluminiumdotierten Silicium bildet und darauf der eigentlich
Aluminiumkontakt entsteht. Die lokale Dotierung hat den Vorteil, daß dadurch der
spezifische Kontaktwiderstand reduziert wird und durch das, durch die Dotierung
erzeugte, elektrische Feld die Rekombinationsrate an der Metall-Silicium-
Grenzfläche herabgesenkt wird.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Solarzelle nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 optimierte Solarzelle mit Passivierungsschicht nach dem Stand der
Technik und
Fig. 3 Lokales Aufschmelzen der Metallschicht, der darunterliegenden
Passivierungs- und Siliciumschicht.
In den Fig. 1 und 2 sind jeweils bekannte Solarzellen dargestellt, die in der
Beschreibungseinleitung zur Würdigung des Standes der Technik beschrieben
worden sind. Insbesondere die in Fig. 2 dargestellte Solarzelle, die aus Gründen
der Optimierung auf der Rückseite eine Passivierungsschicht sowie intrinsische
Effekte zur Vermeidung von Oberflächenrekombinationen von Ladungsträgern
vorsieht, gilt es bevorzugt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf eine möglichst
kostengünstige und sichere Weise herzustellen.
Zunächst wird auf der Solarzellenrückseite eine passivierende Schicht aus
siliciumreichem Siliziumnitrid mit typischer Weise einer Dicke von etwa 60 nm
aufgebracht. Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 ist dies die Schicht 7, die sowohl als
Antireflexions- als auch als Passivierungsschicht dient. Das Siliciumnitrid wird
anschließend bei ca. 400°C in einer Formiergas-Atmosphäre verdichtet, um die
Passivierungseigenschaften zu verbessern und zu konservieren.
Als nächster Schritt wird auf die Passivierungsschicht eine typischerweise 2 µm
starke ganzflächige Metallschicht aus Aluminium aufgebracht. Einen derartigen
Schichtaufbau zeigt das obere Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, das einen Teil
einer Solarzellenrückseite zeigt mit der Si-Halbleiterschicht 13, der darauf
befindlichen Passivierungsschicht 12 sowie schließlich einer auf der
Passivierungsschicht 12 befindlichen Aluminiumschicht 11.
Die derart beschichtete Solarzellenrückseite wird unter die in Fig. 3 schematisch
dargestellte Lichtquelle 9 gebracht, die Lichtpulse 10 mit kurzer Pulslänge im ns-
Bereich zu erzeugen vermag. Auf diese Weise kann der Energieeintrag in der
Umgebung der Lichtdeposition klein sowie auch die Materialbeanspruchung klein
gehalten werden. Dennoch können die dielektrische Schicht 12 sowie und die Si-
Halbleiterschicht 13 unter dem Kontakt bis zu einer Tiefe von einigen 100 nm bis
einigen µm aufgeschmolzen werden (siehe Fig. 3 untere Darstellung). So wird bei
der lokalen Deponierung von Lichtenergie an der Kontaktstelle 14 das Aluminium 11
in Art eines Metallbades aufgeschmolzen, das sich am unteren Bereich des sich
ausbildenden Schmelztiegels mit dem Silizium 13 sowie Teilen der
Passivierungsschicht 12 zu eine Legierung 15 verschmilzt. Bei ersten Versuchen der
auf diese Weise hergestellten Solarzellen wurde bereits ein hoher Wirkungsgrad von
19,3% bei ausgezeichnetem Kontaktverhalten erzielt.
Das Verfahren weist also gegenüber dem nach dem Stand der Technik mehrere
Vorteile auf:
Zum einen kann eine Schichtstruktur verwendet werden, die nach heutigem Stand eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit der Solarzelle ermöglicht als unter (A) und (B) realisiert. Im Vergleich zu den photolithographischen Verfahren (C) und (D) ist der Herstellungsprozeß deutlich vereinfacht und kann kostengünstiger realisiert werden.
Zum einen kann eine Schichtstruktur verwendet werden, die nach heutigem Stand eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit der Solarzelle ermöglicht als unter (A) und (B) realisiert. Im Vergleich zu den photolithographischen Verfahren (C) und (D) ist der Herstellungsprozeß deutlich vereinfacht und kann kostengünstiger realisiert werden.
Im Vergleich zu den Verfahren (E)-(G) kann die Materialbeschädigung durch das
vergleichsweise schonende Einlegieren des Aluminiums reduziert werden. Auch sind
für das reine Aufschmelzen geringere Energien notwendig als für das Abtragen, so
daß bei gleicher eingesetzter Gesamtenergie die Prozeßzeit reduziert werden kann.
Auch stehen für das Aufschmelzen einer metallischen Oberfläche wesentlich mehr
und u. a. effektivere Lasersysteme als für das Abtragen von dielektrischen Schichten
zur Verfügung. Da bereits durch das Aufschmelzen der Kontakt gebildet wird, kann
eine Verschmutzung der Umgebung des lokalen Kontaktes durch ablatiertes Material
vermieden werden. Das Einlegieren des Aluminiums bildet darüber hinaus die
Möglichkeit sehr gute Kontaktwerte zu erreichen und gleichzeitig die Rekombination
am Kontakt zu reduzieren. Im Vergleich zu dem Verfahren (H) kann, anstelle der
Verwendung kompliziert aufgebauter Pasten, elementares Metall für die
Kontaktierung benützt werden. Erfindungsgemäß bietet auch die einfache
Prozeßfolge ein hohes Potential zur kostengünstigeren Herstellung. Das nur lokale
Erhitzen gibt dazu zusätzliche Möglichkeiten für die Verwendung von thermisch
sensiblen Materialien deren Passivierungswirkung durch eine Temperaturerhöhung,
wie in Verfahren (H) vorgesehen, nachläßt. Bei Verfahren (H) wird ausserdem für die
Realisation eines Rückseitenspiegels ein zusätzlicher Prozeßschritt notwendig.
Zusammengefaßt kann also erfindungsgemäß mit einem vergleichsweise einfachen
Herstellungsverfahren ein Rückseitenkontakt realisiert werden, der ein sehr hohes
Wirkungsgradpotential aufweist und damit einen deutlichen Vorteil im Vergleich zu
den bisher bekannten Varianten realisiert.
1
Solarzelle
2
Basis-Bereich
3
Emitter-Bereich
4
Kontaktelektroden
5
Rückseitenkontaktfläche
6
Metall-Grid
7
Antireflexionsschicht, Passivierungsschicht
8
Rückseitenkontakte
9
Lichtquelle, Laser
10
Laserpuls
11
Metallfläche
12
Passivierungsschicht
13
Halbleiter
14
Kontakt
15
Legierung
Claims (14)
1. Verfahren zur elektrischen Kontaktierung einer, mit wenigstens einer
passivierenden, dielektrischen Schicht (12) überzogenen Halbleiteroberfläche (13),
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Metallschicht (11) auf die dielektrische Schicht (12) aufgebracht wird
und mittels einer Strahlungsquelle (9) diese Metallschicht (11) kurzzeitig lokal punkt-
oder linienförmig erhitzt wird, so dass sich eine lokale Schmelzmischung aus
Metallschicht (11), dielektrischer Schicht (12) und dem Halbleiter (13) bildet, die
nach dem Erstarren einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Halbleiter (13)
und der Metallschicht (11) bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kombination mehrerer kontaktierter Punkte
oder Linien eine Fläche kontaktiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Kontaktwiderstand unter den
kontaktierten Punkten und Linien kleiner als 0,02 Ωcm2 ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die dielektrische Schicht Siliciumnitrid
und/oder Siliciumdioxid verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Schichten reich an Silicium sind,
d. h. ihr Siliciumgehalt höher als bei einer stöchiometrischen Zusammensetzung ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die passivierende, dielektrische Schicht eine Dicke
zwischen 10 und 500 nm aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen der Metallschicht Aluminium
verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht zwischen 0,5 und 10 µm stark
ausgebildet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht durch Aufdampfen oder Sputtern
hergestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die zuvor lokal aufgeschmolzene Siliciumschicht nach
dem Erstarren eine lokale Dotierung aufweist, durch deren eingebautes Feld die
Rekombinationsrate an der Grenzfläche Halbleiter/Legierung herabgesetzt wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter Silicium verwendet wird.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter p-dotiertes Silicium mit einem
spezifischen Widerstand größer als 0,1 Ωcm2 verwendet wird.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Lichtquelle ein Laser ist und dieser
eine Pulslänge im Bereich 1-500 ns aufweist.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß der Energieeintrag derart erfolgt, daß die Erhitzung
der Metallschicht an der herzustellenden Kontaktfläche derart lokal erfolgt, daß die
unmittelbar an den Kontakt angrenzenden Schichtbereiche unbeschadet in ihren
Eigenschaften bleiben.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |