DE102006047579A1

DE102006047579A1 - Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit durch eine Ätzlösung lokal strukturierten Oberflächen

Info

Publication number: DE102006047579A1
Application number: DE102006047579A
Authority: DE
Inventors: Peter Engelhart; Andreas Teppe; Sven Zastrau; Lotte Ehlers
Original assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Current assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2006-10-05
Publication date: 2008-04-17

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle unter Verwendung einer Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung (13) vorgestellt, das die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Solarzellensubstrates (1) mit einem Halbleitersubstrat (2) mit einem darin ausgebildeten pn-Übergang (5); lokales Aufbringen eines vorbestimmten Volumens einer Ätzlösung auf eine Oberfläche des Solarzellensubstrates (1) mittels der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung (13); lokales Ätzen der Oberfläche des Solarzellensubstrates (1) durch die aufgebrachte Ätzlösung während einer Ätzdauer; und Entfernen der Ätzlösung von der Oberfläche des Solarzellensubstrats (1) nach der Ätzdauer. Vorzugsweise wird die Ätzlösung nach dem Ätzen durch Verdampfen entfernt. Durch das Verfahren können in einfacher Weise Strukturen mit Abmessungen von weniger als 400 µm durch Ätzen in einem Solarzellensubstrat (1) und insbesondere in einer ein Halbleitersubstrat (2) bedeckenden Dielektrikumschicht (6) erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen, bei dem eine Oberfläche eines Solarzellensubstrates durch lokales Ätzen mit einer Ätzlösung strukturiert wird.
Solarzellen dienen der Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Hierzu weist eine Solarzelle ein Halbleitersubstrat mit Bereichen verschiedener Polarität auf. Beispielsweise kann in dem Halbleitersubstrat ein Emitterbereich mit einer ersten Polarität aus einem n-Typ-Halbleiter und ein Basisbereich mit einer zweiten Polarität aus einem p-Typ-Halbleiter ausgebildet sein. Durch den an der Grenzfläche zwischen den beiden Bereichen gebildeten pn-Übergang können Ladungsträgerpaare, die bei der Absorption auftreffenden Lichts gebildet werden, getrennt werden. Um die derart getrennten Ladungsträger einem externen Stromkreis zuführen zu können, sind der Basis- und der Emitterbereich durch Basis- und Emitterkontakte elektrisch kontaktiert.
Das Strukturieren von Oberflächen eines Solarzellensubstrates, z.B. das lokale Entfernen von Teilbereichen an Oberflächen des Solarzellensubstrates, kann den Wirkungsgrad einer Solarzelle erheblich steigern. Das Solarzellensubstrat kann hierbei das Halbleitersubstrat sowie weitere Schichten wie z.B. Dielektrikumschichten oder Metallisierungsschichten enthalten.
Es kann z.B. vorteilhaft sein, das Halbleitersubstrat an seiner Oberfläche mit V-förmigen Gräben oder Pyramiden-artigen Strukturen zu versehen, um die Einkopplung von Licht in das Halbleitersubstrat und damit die Absorption und letztendlich den Wirkungsgrad der Solarzelle zu steigern.
Eine weitere wirkungsgradsteigernde Maßnahme kann das Strukturieren von auf das Halbleitersubstrat aufgebrachten Schichten sein. Viele Solarzellen weisen an zumindest einer ihrer Oberflächen eine Dielektrikumschicht auf. Beispielsweise kann eine Schicht aus Siliciumoxid (meist SiO₂), Siliciumnitrid (z.B. Si₃N₄) oder eines anderen Dielektrikums oder Mischungen bzw. Schichtenfolgen davon an der Vorder- und/oder Rückseite einer Solarzelle abgeschieden sein. Als Verfahren zum Abscheiden solcher Dielektrikumschichten sind z.B. Aufdampfen, thermisches Aufwachsen, PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) und LPCVD (Liquid Phase CVD) im industriellen Maßstab einsetzbar.
Dielektrikumschichten können verschiedenen Zwecken dienen. Häufig werden sie als Oberflächenpassivierungsschicht dazu eingesetzt, die Oberfläche des Halbleitersubstrats zu passivieren, um dort eine Rekombination von Ladungsträgerpaaren zu reduzieren und so den Wirkungsgrad der Solarzelle zu steigern. Die Dielektrikumschicht kann aber auch als Antireflexschicht dienen, wenn Ihre Schichtdicke entsprechend angepasst ist, um z.B. Reflexionen eingestrahlten Lichts an der der Sonne zugewandten Seite zu vermeiden und so ebenfalls den Wirkungsgrad der Solarzelle zu erhöhen. Dielektrikumschichten können auch während des Herstellungsprozesses einer Solarzelle eingesetzt werden, z.B. um bestimmte Bereiche während eines Prozessschrittes zu schützen. Beispielsweise können Bereiche des Halbleitersubstrates während eines Diffusionsschrittes, bei dem z.B. in ein p-Typ-Substrat oberflächlich Dotanten eindiffundiert werden, um eine dünne n-Typ-Schicht als Emitterschicht zu bilden, lokal vollständig oder teilweise gegen ein Eindiffundieren von Dotanten geschützt werden, indem diese Bereiche mit einer Dielektrikumschicht bedeckt werden.
Bei den vielfältigen Anwendungen einer Dielektrikumschicht ist es häufig nötig, eine flächig aufgebrachte Dielektrikumschicht zu strukturieren. Es kann z.B. nötig sein, sie lokal zu öffnen, d.h. ganz oder teilweise lokal zu entfernen, um eine darunter liegende Schicht oder das darunter liegende Halbleitersubstrat freizulegen. Zum Beispiel muss bei einer typischen Solarzellenanwendung, bei der die Rückseite einer Solarzelle mit einer Dielektrikumschicht oberflächenpassiviert ist, die Dielektrikumschicht lokal geöffnet werden, um an den geöffneten Stellen feine Metallkontakte aufbringen zu können, die den unter der Dielektrikumschicht liegenden Halbleiter direkt elektrisch kontaktieren.
Die Strukturgrößen der zu öffnenden Bereiche können dabei sehr klein sein, häufig im Bereich von 10 μm bis zu wenigen hundert Mikrometern, so dass ein Entfernen der Dielektrikumschicht mit herkömmlichen mechanischen Mitteln wie z.B. Präzisionswafersägen nicht oder nur mit hohem technischem Aufwand möglich ist. Die Verwendung von Präzisionssägen führt außerdem durch die beim Sägen auftretenden mechanischen Belastungen häufig zu einem Brechen der Substrate.
Herkömmlich werden Dielektrikumschichten oft mit Hilfe von Lithographieverfahren lokal geöffnet. Dabei wird ein photoempfindlicher Lack auf die Dielektrikumschicht aufgebracht, lokal belichtet und anschließend werden die belichteten Bereiche des photoempfindlichen Lackes chemisch entfernt. Nachfolgend kann die Dielektrikumschicht in den Bereichen, die nicht mehr durch den Photolack geschützt sind, weggeätzt und somit lokal geöffnet werden. Auf diese Weise können heute bereits Strukturen von weit unter einem Mikrometer in Dielektrikumschichten eingeätzt werden. Lithographieverfahren sind jedoch teuer und arbeitsaufwendig.
Alternativ werden in den letzten Jahren bei der Solarzellenherstellung auch Laser eingesetzt, um Dielektrikumschichten lokal zu entfernen. Dabei wird ein hochenergetischer, kohärenter Laserstrahl auf den zu entfernenden Bereich der Dielektrikumschicht gerichtet. Die Verwendung dieser so genannten Laserablation bei der Solarzellenherstellung wird bereits erfolgreich dazu eingesetzt, um sowohl Siliciumnitridschichten als auch Siliciumoxidschichten lokal zu öffnen. Allerdings sind hierfür teure und aufwendig zu wartende Hochleistungslaser notwendig. Außerdem kann bei der Laserablation unter der abgetragenen Schicht liegendes Substratmaterial stark erhitzt, zum Teil sogar aufgeschmolzen und dadurch in seinen elektrischen Eigenschaften geschädigt werden, so dass es in einem nachfolgenden zusätzlichen Ätzschritt selektiv entfernt werden muss.
Ein weiterer derzeit untersuchter Ansatz, um Halbleiteroberflächen oder Dielektrikumschichten einer Solarzelle lokal zu entfernen, bedient sich ätzender, hochviskoser Pasten. Die Pasten werden z.B. mittels Siebdruck oder mittels Druckluft durch eine Kapillare dosiert auf eine zu ätzende Oberfläche aufgebracht. Während einer vorbestimmten Ätzdauer wird die Paste auf der zu ätzenden Oberfläche belassen und ätzt diese lokal an. Anschließend muss die Ätzpaste und deren Rückstände vollständig entfernt werden, da insbesondere die Rückstände die Funktionalität und den Wirkungsgrad der Solarzelle negativ beeinflussen würden. Es konnten bisher nur hochviskose Pasten mit einer Viskosität von mehr als 500 mPa·s verarbeitet werden. Solche Pasten sind verhältnismäßig teuer und aufwendig zu verarbeiten. Ferner traten erhebliche Schwierigkeiten aufgrund ausgasenden Lösungsmittels auf und es konnten nur bedingt reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden.
Die oben beschriebenen Verfahren zum lokalen Strukturieren von Solarzellensubstratoberflächen lassen sich direkt auf ein Halbleitersubstrat wie z.B. einen Siliciumwafer anwenden, es können aber auch Dielektrikumschichten oder Metallisierungsschichten auf dem Halbleitersubstrat strukturiert werden. Die beschriebenen Verfahren leiden darunter, dass sie arbeitsaufwendig sind und/oder teilweise teure Gerätschaften und teures Verbrauchsmaterial benötigen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle bereitzustellen, bei dem eine Oberfläche eines Solarzellensubstrates strukturiert werden kann, ohne dass insbesondere die oben beschriebenen Probleme auftreten. Insbesondere soll ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle vorgeschlagen werden, mit dem kleine Strukturen im Bereich weniger hundert Mikrometer in die Oberfläche eines Solarzellensubstrates eingebracht werden können unter Verwendung kostengünstiger, einfach zu handhabender Gerätschaften, bei geringen Kosten für Verbrauchsmaterial und bei minimiertem Arbeitsaufwand.
Diese Probleme werden durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Das Verfahren dient zum Herstellen einer Solarzelle unter Verwendung einer Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung und weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Solarzellensubstrates mit einem Halbleitersubstrat mit einem darin ausgebildeten pn-Übergang; lokales Aufbringen eines vorbestimmten Volumens einer Ätzlösung auf eine Oberfläche des Solarzellensubstrates mittels der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung; lokales Ätzen der Oberfläche des Solarzellensubstrates durch die aufgebrachte Ätzlösung während einer Ätzdauer; und Entfernen der Ätzlösung von der Oberfläche des Solarzellensubstrats nach der Ätzdauer.
Einzelheiten und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend erläutert.
Unter einer Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung wird nachfolgend eine Vorrichtung verstanden, die dazu ausgebildet ist, sehr kleine Mengen an Ätzlösung wie z.B. weniger als 1 μl Ätzlösung dosiert abzugeben. Eine Ätzlösung sei dabei eine im Wesentlichen reine, flüssige Säure oder Lauge oder ein Gemisch aus einer solchen Säure oder Lauge mit einem Lösungsmittel wie z.B. Wasser.
Es sind verschiedene Mikrodosiervorrichtungen bekannt. Ein konventionelles System basiert auf einem schnell schaltenden Ventil. Eine Flüssigkeit wird unter Druck durch das geöffnete Ventil dosiert. Das dosierte Volumen ergibt sich entsprechend aus den Schaltzeiten des Ventils und dem Druck auf die Flüssigkeit. Es können Volumina von 10 nl bis 10 μl dosiert werden.
Eine weitere Mikrodosiervorrichtung ist als InkJet-System bekannt. Sie bietet die Möglichkeit, Volumina im Bereich von wenigen Pikolitern zu dosieren. Die meisten InkJet-Systeme basieren dabei auf einer verjüngten Kapillare, die mit einem Piezoelement ummantelt ist. Durch die Kontraktion des Piezoelements bei Anlegen einer elektrischen Spannung wird in der Kapillare ein Druck aufgebaut, der eine in der Kapillare befindliche Flüssigkeit aus der Kapillare drängt. Tritt die Flüssigkeit aus, wird durch den Druckabfall außerhalb der Kapillare ein frei fliegender Tropfen abgeschnürt.
Eine weitere Mikrodosiervorrichtung ist als Volumendosierer bekannt und basiert z.B. auf einem zuvor mit einer zu dosierenden Flüssigkeit befüllten Reservoir definierten Volumens, aus dem dann die Flüssigkeit mittels Druck dosiert wird. Andere Verfahren zur Volumendosierung arbeiten z.B. mit einer Raupenpumpe oder mit dem definierten Druck eines Piezoelements.
Eine für die Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders geeignete Mikrodosiervorrichtung ist in der veröffentlichten Patentanmeldung DE 103 37 484 A1 beschrieben. Sie wurde zum Dosieren bzw. Pipetieren geringster, wählbarer Flüssigkeitsmengen entwickelt. Sie umfasst einen Polymerschlauch, der als Dosierkapillare ausgebildet ist und der durch eine Betätigungseinrichtung z.B. in Form eines von einem Piezoelement getriebenen Stempels zusammengequetscht werden kann, so dass es zu einem Tropfenabriss am Ende der Kapillare kommt. Der Polymerschlauch ist mit einem Reservoir für eine zu dosierende Flüssigkeit verbunden. Aufgrund ihres einfachen Aufbaus und der widerstandsfähigen Materialien ihrer Komponenten können mit einer solchen Mikrodosiervorrichtung auch aggressive Substanzen wie z.B. hochkonzentrierte Säuren oder Laugen dosiert werden. Es können Volumina von wenigen Nanolitern dosiert werden.
Erfindungsgemäß wird mit Hilfe der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung ein vorbestimmtes Volumen an Ätzlösung auf eine Oberfläche des Solarzellensubstrats aufgebracht. Bei der aus der DE 103 37 484 A1 bekannten Mikrodosiervorrichtung ergibt sich das vorbestimmte Volumen im Wesentlichen aus der Geometrie des Stempels und des Hubs, mit dem er den Polymerschlauch zusammenquetscht.
Das Solarzellensubstrat kann ein beliebiges Substrat sein, das ein Halbleitersubstrat aufweist, in dem ein pn-Übergang ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Solarzellensubstrat ein Siliciumwafer sein. Das Solarzellensubstrat kann lediglich aus dem Halbleitersubstrat bestehen oder weitere Schichten oder Bestandteile wie zum Beispiel an einer Oberfläche des Halbleitersubstrats abgeschiedene Dielektrikumschichten oder Metallschichten aufweisen.
Der in dem Halbleitersubstrat ausgebildete pn-Übergang kann sich im Wesentlichen ganzflächig über eine Oberfläche des Halbleitersubstrates erstrecken und auf beliebige Art und Weise erzeugt worden sein. Ein bei der industriellen Fertigung gebräuchliches Verfahren ist, in einen Siliciumwafer mit einer Grunddotierung, z.B. einen Bor-dotierten p-Typ-Wafer, einen Dotanten wie z.B. Phosphor oberflächlich einzudiffundieren und so eine Emitterschicht vom entgegen gesetzten Leitungstyp, z.B. eine n-Typ-Emitterschicht, zu erzeugen. An der Grenzschicht der Emitterschicht zum Rest des Wafersubstrates bildet sich dabei ein pn-Übergang. Der pn-Übergang kann aber auch auf jede andere bekannte Weise erzeugt sein, wie z.B. durch Abscheiden einer zusätzlichen Emitterschicht auf ein Basissubstrat, Induzieren einer Emitter-Inversionsschicht in einem Basissubstrat, etc.
Durch die aufgebrachte Ätzlösung wird die Oberfläche des Solarzellensubstrats während einer Ätzdauer lokal geätzt. Die Ätzdauer kann dabei so gewählt sein, dass bei bekannten Randbedingungen wie z.B. Umgebungstemperatur, Temperatur der Solarzellensubstrats, Art und Konzentration der Ätzlösung, etc. ein gewünschtes Ätzergebnis erreicht wird. Nachdem die Ätzdauer verstrichen ist, werden die Ätzlösung und etwaige während des Ätzvorgangs entstandene Reaktionsprodukte gezielt entfernt.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen und deren nachfolgender detaillierter Beschreibung.
In einer Ausführungsform wird die Ätzlösung von der Oberfläche des Solarzellensubstrates durch verdampfen entfernt. Die Ätzlösung kann verdampft werden, indem das Solarzellensubstrat gezielt geheizt wird, nachdem die Ätzdauer verstrichen ist. Beispielsweise kann das Solarzellensubstrat bereits während des Ätzens auf einer heizbaren Platte gelagert werden oder zumindest nach dem Ätzen mit einer solchen Heizplatte in Kontakt gebracht werden. Nach Verstreichen der Ätzdauer wird das Solarzellensubstrat durch die Heizplatte auf eine Temperatur gebracht, bei der die Ätzlösung zügig verdampft. Vorzugsweise wird das Solarzellensubstrat auf eine Temperatur oberhalb des Siedepunkts der Ätzlösung erhitzt. Alternativ kann die Ätzlösung verdampft werden, indem ein heißes Gas über die Oberfläche des Solarzellensubstrates strömen gelassen wird. Das heiße Gas kann Luft sein, die mittels einer Art Heißluftfön erhitzt und auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats gerichtet wird. Auch andere Methoden, das Solarzellensubstrat oder selektiv nur die Ätzlösung zu erhitzen, bis diese verdampft, können verwendet werden. Beispielsweise ist ein Heizen unter Einsatz induktiver Energieeinkopplung ähnlich einem Mikrowellenherd oder unter Verwendung von Infrarotstrahlung denkbar.
Das gezielte Verdampfen der Ätzlösung von der Oberfläche des Solarzellensubstrats hat mehrere Vorteile. Da mit der Mikrodosiervorrichtung nur sehr geringe Mengen an Ätzlösung auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats aufgebracht werden, kann das Verdampfen sehr schnell erfolgen. Der Ätzvorgang kann somit gezielt zeitlich definiert abgebrochen werden. Es muss kein zusätzlicher Spülschritt vorgesehen werden, um die Ätzlösung und die Reaktionsprodukte zu entfernen. Es werden keine Verbrauchsmaterialien benötigt, um die Ätzlösung und die Reaktionsprodukte zu entfernen. Es fallen keine flüssigen Abfälle an, sondern die verdampften Ätzlösungsdämpfe können in einfacher Weise abgesaugt und gegebenenfalls in einem Wäscher gereinigt werden. Wenn das Solarzellensubstrat bereits während des Ätzens auf einer Heizplatte gelagert wird oder wenn indirekte Heizmethoden mittels Induktion oder Infrarotstrahlung verwendet werden, muss das Solarzellensubstrat zum Entfernen der Ätzlösung nicht mehr bewegt werden, wodurch das Risiko eliminiert wird, dass die lokal aufgebrachte Ätzlösung während eines solchen Bewegens verfließt und unerwünschte Gebiete geätzt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Solarzellensubstrat während der Ätzdauer auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten. Beispielsweise kann das Solarzellensubstrat z.B. mit Hilfe einer Heizvorrichtung während der Ätzdauer auf einer gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhten Temperatur gehalten werden. Da ein Ätzen wie die meisten chemischen Reaktionen sehr temperaturempfindlich ist und eine Ätzrate in der Regel mit steigender Temperatur zunimmt, kann der Ätzvorgang dadurch beeinflusst, d.h. z.B. beschleunigt oder verlangsamt, werden. Außerdem kann, wenn bekannt ist, wie die Ätzrate für eine bestimmte Ätzlösung von der Temperatur abhängt, ein bestimmter Ätzgrad gezielt gewählt werden. Beispielsweise kann eine Ätztiefe beeinflusst werden. Der Ätzvorgang kann also gesteuert werden. Um schnell zu ätzen wird eine hohe Temperatur gewählt. Wenn z.B. bestimmte Bereiche des Solarzellensubstrats nicht angegriffen werden dürfen, wird bei geringerer Temperatur langsamer geätzt, so dass der Ätzvorgang rechtzeitig abgebrochen werden kann. Die Ätzdauer kann in Abhängigkeit von der vorbestimmten Temperatur gewählt werden. Dabei ist auch zu beachten, dass die Dauer, während der die Ätzlösung auf dem Substrat verbleibt bis sie vollständig verdampft ist, maßgeblich von der Temperatur des Substrats abhängt. Je höher die Substrattemperatur umso schneller verdampft die Ätzlösung. Um das Zusammenspiel von Ätzrate und Verweildauer der Ätzlösung auf dem Substrat bei einer bestimmten Substrattemperatur und für eine bestimmte Ätzlösung genau zu kennen, bevor das Verfahren tatsächlich bei der Herstellung von Solarzellen verwendet wird, wird der Fachmann in der Regel Vorabversuche durchführen.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Solarzellensubstrat einen Siliciumwafer auf, der an einer Oberfläche eine Dielektrikumschicht hat. Die Dielektrikumschicht kann Siliciumoxid (meist SiO₂) und/oder Siliciumnitrid (z.B. Si₃N₄) aufweisen. Die Ätzlösung kann dann mittels der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung direkt auf die Dielektrikumschicht aufgebracht werden. Dadurch kann die Dielektrikumschicht in einfacher Weise lokal geätzt und somit entfernt werden. Es kann z.B. eine Ätzlösung verwendet werden, die die Dielektrikumschicht ätzt, das darunter liegende Siliciumsubstrat aber nicht angreift. An den freigeätzten Stellen kann z.B. eine Metallisierung direkt das Substrat kontaktieren.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Ätzlösung auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats so aufgebracht, dass sie zwischen einem Verlassen der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung und einem Auftreffen auf der Oberfläche des Solarzellensubstrates als Tropfen frei fliegt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung während des Aufbringens der Ätzlösung ausreichend von der Oberfläche des Solarzellensubstrats beabstandet ist und die Ätzlösung mit genügend Druck ausstößt, dass sich nach Verlassen der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung ein Tropfen ausbildet. Dadurch, dass die Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung die Oberfläche des Solarzellensubstrats nicht berührt, kann einerseits ein verschleißfreier Betrieb und das reproduzierbare Ausstoßen stets gleich bleibender Volumina an Ätzlösung gewährleistet werden, andererseits kann verhindert werden, dass die Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung bereits an der Oberfläche des Solarzellensubstrats befindliche Ätzlösungsanlagerungen verschmiert. Des Weiteren werden durch das kontaktlose Aufbringen der Ätzlösung mechanische Belastungen des Solarzellensubstrats während des Aufbringens vermieden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die bei dem Herstellungsverfahren verwendete Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung dazu ausgelegt, dass ein einzelner von ihr abgegebener Tropfen ein Volumen von weniger als 50 nl, vorzugsweise weniger als 10 nl und stärker bevorzugt weniger als 1 nl aufweist. Indem nur sehr kleine Tropfen auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats aufgebracht werden, können dort sehr kleine Strukturen durch ätzen erzeugt werden. Es wurden bereits Strukturen mit Abmessungen von weniger als 400 μm reproduzierbar erzeugt. Außerdem verhindert bei derart kleinen Tropfen die Oberflächenspannung der Ätzlösung, dass der Tropfen nach dem Auftreffen auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats verfließt.
In einer weiteren Ausführungsform wird mittels der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung ein Ätzlösungsvolumen von weniger als 50 nL, vorzugsweise weniger als 10 nL und stärker bevorzugt weniger als 1 nL auf eine Fläche der Oberfläche des Halbleitersubstrates von 1 mm² abgeschieden. Zum Beispiel können auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrates einzelne Ätzlösungstropfen mit einem Durchmesser von etwa 100 μm derart eng benachbart aufgebracht werden, dass sich größere Punkte oder Linien bilden. Durch die geringe Größe der einzelnen Tropfen lassen sich sehr feine Strukturen an Ätzlösung aufbringen. Beispielsweise können Linien mit einer Breite von weniger als 400 μm „gezeichnet" werden. Die geringe abgeschiedene Menge an Ätzlösung kann wie oben beschrieben einfach und schnell verdampft und so die Ätzreaktion unterbrochen werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Ätzlösung mittels der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung punktförmig und/oder streifenförmig auf die Oberfläche des Solarzellensubstrates aufgebracht. Dadurch können definiert punkt- oder streifenförmige Strukturen in die Oberfläche des Solarzellensubstrats geätzt werden. Beispielsweise können in eine Dielektrikumschicht an der Oberfläche des Solarzellensubstrats linienförmige Öffnungen geätzt werden. Die derart lokal geöffnete Dielektrikumschicht kann z.B. als Diffusionsmaske während eines nachfolgenden Diffusionsprozesses dienen. Alternativ können in den linienförmigen Öffnungen in einem nachfolgenden Metallisierungsschritt fingerförmige Metallkontakte angeordnet werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Ätzmittel verwendet, dass eine Viskosität von zwischen etwa 1 und 72 mPa·s aufweist. Mit einem Ätzmittel mit solch geringer Viskosität konnten mit Hilfe einer Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung bereits Strukturen von weniger als 400 μm Breite reproduzierbar erzeugt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Ätzlösung Verunreinigungen von weniger als 50 ppb (parts per billion) auf. Chemikalien mit einer solchen Reinheit haben eine sog. VLSI-Qualität, d.h. sie sind zu Fertigung von Mikroelektronikbauelementen mit Strukturgrößen von 0,8 bis 1,2 μm geeignet. Unter Verunreinigungen werden dabei Bestandteile verstanden, die weder Säure noch Lauge noch Lösungsmittel sind. Beispielsweise können sich Spuren von Metallen in der Ätzlösung negativ auf das Verhalten der fertigen Solarzelle auswirken. Indem eine hochreine Ätzlösung verwendet wird kann verhindert werden, dass Verunreinigungen an das Solarzellensubstrat gelangen. Insbesondere kann verhindert werden, dass in der Ätzlösung enthaltene Verunreinigungen beim Verdampfen der Ätzlösung, wie es weiter oben beschrieben wurde, um die Ätzlösung zu entfernen und den Ätzvorgang zu unterbrechen, auf dem Solarzellensubstrat verbleiben und dies schädigen. Speziell wenn das Verfahren verwendet wird, um eine Dielektrikumschicht z.B. aus Siliciumoxid oder Siliciumnitrid lokal zu ätzen, löst sich das Dielektrikum vollständig in der Ätzlösung und hat einen ausreichenden Dampfdruck, dass es mitsamt der Ätzlösung einfach verdampft werden kann. Wenn hochreine Chemikalien für die Ätzlösung verwendet werden, kann somit die gesamte Ätzlösung samt der Reaktionsprodukte vollständig verdampft werden und ein anschließender Reinigungsschritt zum Entfernen von Rückständen kann entfallen.
Je nachdem, welches Material geätzt werden soll, können unterschiedliche Ätzlösungen verwendet werden. Zum nasschemischen Abtrag von Siliciumoxidschichten oder Siliciumnitridschichten eignet sich z.B. konzentrierte Flusssäure (HF) oder für selektiven Abtrag heiße reine Phosphorsäure (H₃PO₄). Zum Ätzen von Siliciumoberflächen kann eine Kaliumhydroxidlösung (KOH) verwendet werden. Metallschichten z.B. aus Silber oder Aluminium können mit einer Ätzlösung, die Salpetersäure (HNO₃) oder salpetrige Säure (HNO₂) enthält, geätzt werden.
Die beschriebenen und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform zusammen mit der begleitenden Zeichnung ersichtlich, wobei:
1 schematisch eine Vorrichtungsanordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle beschrieben. Das beschriebene Verfahren umfasst neben den im Hauptanspruch beanspruchten Verfahrensschritten weitere Verfahrensschritte. Mit dem Stand der Technik vertraute Fachleute erkennen, dass diese weiteren, nicht beanspruchten Verfahrensschritte optional sind, weggelassen, modifiziert oder durch andere Verfahrensschritte ersetzt oder ergänzt werden können. Die beschriebene Ausführungsform stellt lediglich ein Beispiel eines Gesamtherstellungsverfahrens für Solarzellen dar, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit den beanspruchten Verfahrensschritten umfasst, jedoch nicht als den Umfang der Erfindung beschränkend ausgelegt werden soll.
Das vorgestellte Verfahren zur Herstellung einer Siliciumsolarzelle wird ausgehend von einem unbehandelten handelsüblichen Siliciumwafer beschrieben. Der Siliciumwafer ist eine Scheibe aus monokristallinem oder multikristallinem Silicium mit einer Dicke von etwa 200 bis 300 μm. Im vorgestellten Beispiel wird von einem Wafer ausgegangen, der homogen mit Bor dotiert ist und somit einen p-Typ-Halbleiter darstellt, wobei p-Typ-Bereiche des Wafers später die Basis der letztendlich hergestellten Solarzelle bilden.
Nach einem Reinigungsschritt und evtl. einem Ätzschritt, um einen durch das Sägen des Wafers erzeugten oberflächlichen Sägeschaden zu entfernen, wird eine Emitterschicht in den Wafer eindiffundiert. Hierzu wird der Wafer in ein auf etwa 800–1000°C geheiztes Ofenrohr eingebracht. In das Ofenrohr wird gasförmiges POCl₃ eingeleitet. Die freiwerdenden Phosphoratome diffundieren in die Oberflächen des Wafers, so dass der p-Typ-Wafer in einer oberflächlichen Schicht, die später den Emitter der fertig gestellten Solarzelle bildet, zu einem n-Typ-Halbleiter überkompensiert wird. An der Grenzfläche zwischen der p-Typ-Basis und der n-Typ-Emitterschicht wird so ein pn-Übergang ausgebildet.
Anschließend wird an Oberflächen des Wafers eine Dielektrikumschicht ausgebildet. Diese kann beispielsweise aus Siliciumdioxid bestehen, dass bei hohen Temperaturen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre auf der Siliciumoberfläche aufgewachsen wird. Alternativ kann auch eine Siliciumnitridschicht auf Oberflächen des Wafers abgeschieden werden z.B. mit dem PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).
Wie in 1 dargestellt weist das derart vorbereitete Solarzellensubstrat 1 ein Halbleitersubstrat 2 auf, in dem zwischen einem Basisbereich 3 und einem Emitterbereich 4 ein pn-Übergang 5 ausgebildet ist. An der rückseitigen Oberfläche des Solarzellensubstrats 1 befindet sich eine Dielektrikumschicht 6 und an der frontseitigen Oberfläche befindet sich eine Dielektrikumschicht 7.
Das Solarzellensubstrat 1 wird nun mit der Rückseite nach oben auf eine Heizplatte 9 gelegt. Die Heizplatte 9 ist mit einer Steuerung 11 verbunden, mit der die Temperatur der Heizplatte 9 gesteuert oder geregelt werden kann.
Die Heizplatte kann entweder schon geheizt sein, bevor Tropfen auf das Solarzellensubstrat 1 abgeschieden werden oder erst später geheizt werden. Mit einer Mikrodosiervorrichtung 13 werden nun winzige Tropfen 15 einer Ätzlösung auf die rückseitige Dielektrikumschicht 6 aufgebracht. Die Ätzlösung ist in diesem Fall eine konzentrierte Lösung aus Flusssäure (HF), die die Dielektrikumschicht 6 ätzt und in der sich die Bestandteile der Dielektrikumschicht 6 vollständig lösen. Es werden Chemikalien in VLSI-Qualität verwendet.
Die Mikrodosiervorrichtung 13 ist der in der Patentanmeldung DE 103 37 484 A1 beschriebenen Mikrodosiervorrichtung ähnlich und weist einen verformbaren Polymerschlauch 17 mit einem Durchmesser von etwa 200 μm auf, dessen vorderes offenes Ende 18 auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats 1 gerichtet ist. Das andere Ende des Schlauchs 17 ist mit einem Reservoir für die Ätzlösung verbunden (in 1 nicht dargestellt). Die Komponenten der Mikrodosiervorrichtung 13, die direkt mit der Ätzlösung in Kontakt kommen, bestehen aus Materialien, die resistent gegen die Ätzlösung sind: Wird Flusssäure als Ätzlösung verwendet, können diese Komponenten beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (auch unter dem Markenname „Teflon" bekannt) bestehen.
Ein Stempel 19 liegt an einer seitlichen Oberfläche des Schlauchs 17 an. Der Stempel 19 ist über ein Verbindungselement 21 mit einem als Aktuator dienenden Piezoelement 23 verbunden. Wird an das Piezoelement 23 eine ausreichend hohe Spannung angelegt, verlagert es den Stempel 19 sehr schnell in Richtung des Schlauchs 17. Der aus elastischem Material bestehende Schlauchbereich in der Nähe des Stempels 19 wird dabei schlagartig deformiert. Durch die damit zusammenhängende Volumenverringerung innerhalb des Schlauchs 17 wird am vorderen Ende 18 des Schlauchs 17 ein Tropfen 15 ausgestoßen, der sich beim Verlassen des Schlauches 17 abschnürt und hin zu der Oberfläche des Solarzellensubstrats 1 frei fliegt. Anschließend wird die an das Piezoelement 23 angelegte Spannung langsam gesenkt, der Stempel 19 wird zurückgefahren und der Schlauch 17 nimmt seine ursprüngliche unverformte Form wieder an und füllt sich dabei mit frischer Ätzlösung aus dem Ätzlösungsreservoir.
Die von der Mikrodosiervorrichtung 13 ausgestoßenen Tropfen 15 haben einen Durchmesser von weniger als 100 μm und ein Volumen von weniger als 5 nl. Aufgrund ihrer geringen Größe werden die Tropfen 15 durch die Oberflächenspannung der Ätzlösung auch nach dem Auftreffen auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats 1 in Form gehalten und zerfließen nicht. Die Tropfen 15 werden nacheinander auf das Solarzellensubstrat 1 aufgebracht, wobei die Mikrodosiervorrichtung 13 relativ zu dem Solarzellensubstrat 1 verlagert wird. Dabei kann entweder das Solarzellensubstrat 1 verlagert werden, beispielsweise durch einen in XY-Richtung verlagerbaren Tisch, oder die Mikrodosiervorrichtung 13 oder zumindest ihr Schlauch 17 kann verlagert werden. Es können auch mehrere Mikrodosiervorrichtungen parallel angeordnet werden, um mehrere Tropfen gleichzeitig parallel auszustoßen. Die Tropfen 15 können ausreichend beabstandet voneinander auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats 1 aufgebracht werden, so dass sie als einzelne punktförmige Tropfen 15 verbleiben, oder sie können so eng benachbart aufgebracht werden, dass sie an der Oberfläche des Solarzellensubstrats 1 zu einer Linie verfließen.
Wenn das Solarzellensubstrat 1 bereits während dem Aufbringen der Tropfen 15 geheizt wird, beispielsweise auf 100 bis 150°C, ätzt die Ätzlösung die Dielektrikumschicht sehr schnell und verdampft gleichzeitig. Das Gesamtätzergebnis ist dabei aufgrund der reproduzierbar konstanten Größe der Tropfen 15 und der konstanten Temperatur des Substrats stets dasselbe, so dass fein definierte Strukturen geätzt werden können.
Alternativ kann das Solarzellensubstrat 1, während die Tropfen 15 aufgebracht werden, bei einer relativ niedrigen Temperatur gehalten werden. Die Ätzrate der Ätzlösung ist dabei gering. Sobald alle Tropfen 15 auf der Oberfläche des Solarzellensubstrats 1 aufgebracht sind, wird die Heizplatte 9 auf eine erhöhte Temperatur zwischen etwa 100 und 150°C geheizt. Die Ätzrate der Ätzlösung steigt dabei erheblich an. Die erhöhte Temperatur wird während einer vorbestimmten Ätzdauer gehalten. Dadurch, dass der Hauptätzeffekt während der Ätzdauer bei der erhöhten Temperatur erzielt wird und das vorangehende Ätzen während der Phase, in der die Tropfen 15 nacheinander aufgebracht werden vernachlässigt werden kann, wird erreicht, dass alle von den Tropfen 15 geätzten Strukturen etwa gleich groß sind. Eine Ätzdauer, die zu einer erwünschten Größe der geätzten Strukturen führt, kann vorab experimentell bestimmt werden.
Bei der erhöhten Temperatur verdampfen die kleinen Ätzlösungstropfen 15 rasch und der Ätzvorgang kann somit definiert abgebrochen werden. Mit dem beschriebenen Verfahren können somit an definierten Positionen geätzte Strukturen einer definierten Größe erzeugt werden.
Im beschriebenen Beispiel werden durch den Ätzvorgang kleine Löcher in die Dielektrikumschicht 6 geätzt. Die Löcher werden in einem nachfolgenden Metallisierungsschritt dazu verwendet, die Basis 3 der zu fertigenden Solarzelle zu kontaktieren. In dem Metallisierungsschritt wird auf der gesamten Rückseite des Solarzellensubstrats 1 eine Metallschicht abgeschieden, die an den Löchern die Basis 3 kontaktiert, wohingegen dazwischen liegende Bereiche von der Dielektrikumschicht 5 abgedeckt bleiben und so die Rückseitenoberfläche der Solarzelle passiviert wird, was zu einer Wirkungsgradsteigerung gegenüber ganzflächig mit Metall kontaktierten Solarzellen beiträgt. Nach einem weiteren Metallisierungsschritt zur Kontaktierung des Emitters 4 ist die Solarzelle im Prinzip fertig gestellt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle unter Verwendung einer Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung (13), aufweisend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Solarzellensubstrates (1) mit einem Halbleitersubstrat (2) mit einem darin ausgebildeten pn-Übergang (5); lokales Aufbringen eines vorbestimmten Volumens einer Ätzlösung auf eine Oberfläche des Solarzellensubstrates (1) mittels der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung (13); lokales Ätzen der Oberfläche des Solarzellensubstrates (1) durch die aufgebrachte Ätzlösung während einer Ätzdauer; und Entfernen der Ätzlösung von der Oberfläche des Solarzellensubstrats (1) nach der Ätzdauer.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Entfernens der Ätzlösung ein Verdampfen der Ätzlösung von der Oberfläche des Solarzellensubstrates (1) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Ätzlösung von der Oberfläche durch Heizen des Solarzellensubstrates (1) verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Ätzlösung von der Oberfläche des Solarzellensubstrates (1) durch Strömen von heißem Gas über die Oberfläche des Solarzellensubstrates (1) verdampft wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Solarzellensubstrat (1) während der Ätzdauer auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Ätzdauer in Abhängigkeit von der vorbestimmten Temperatur bestimmt ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Solarzellensubstrat (1) einen Siliciumwafer aufweist, der an einer Oberfläche eine Dielektrikumschicht (6, 7) aufweist, und wobei die Ätzlösung mittels der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung (13) auf die Dielektrikumschicht (6, 7) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Dielektrikumschicht (6, 7) Siliciumoxid und/oder Siliciumnitrid aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ätzlösung zwischen einem Verlassen der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung (13) und einem Auftreffen auf der Oberfläche des Solarzellensubstrates (1) als Tropfen (15) frei fliegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein einzelner von der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung (13) abgegebener Tropfen (15) ein Volumen von weniger als 50 nl, vorzugsweise weniger als 10 nl und stärker bevorzugt weniger als 1 nl aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mittels der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung (13) ein Volumen von weniger als 50 nL, vorzugsweise weniger als 10 nL und stärker bevorzugt weniger als 1 nL auf eine Fläche der Oberfläche des Solarzellensubstrats von 1 mm² abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ätzlösung mittels der Ätzlösung-Mikrodosiervorrichtung (13) punktförmig und/oder streifenförmig auf die Oberfläche des Solarzellensubstrates (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ätzlösung Verunreinigungen von weniger als 50 ppb aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ätzlösung eine Viskosität von zwischen etwa 1 und 72 mPa·s aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ätzlösung konzentrierte Flusssäure enthält.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ätzlösung Phosphorsäure enthält.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ätzlösung Kaliumhydroxid enthält.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ätzlösung salpetrige Säure enthält.