DE102011010306A1 - Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliziumsolarzelle unter Vermeidung unerwünschter Metallabscheidungen - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliziumsolarzelle, bei welchem zum Zwecke des Ausbildens eines Emitters (52) auf einer ersten Seite eines Siliziumsubstrats (50) Dotierstoff in das Siliziumsubstrat (50) eindiffundiert wird (10), nachfolgend eine Siliziumnitridschicht (56) auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats (50) abgeschieden wird (16), nachfolgend auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats (50) lokal Öffnungen (58) in die Siliziumnitridschicht (56) eingebracht werden, nachfolgend in den Öffnungen (58) mittels Plattieren (20) Metallkontakte (60) ausgebildet werden (20), wobei vor dem Abscheiden (16) der Siliziumnitridschicht (56) der Emitter (52) auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats (50) teilweise zurückgeätzt wird (12) und nachfolgend vor dem Abscheiden (16) der Siliziumnitridschicht (56) auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats (50) eine Siliziumoxidschicht (54) mit einer Dicke im Bereich von 1,0 nm bis 10 nm ausgebildet wird (14).
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliziumsolarzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine mit diesem Verfahren gefertigte Solarzelle.
- Aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2008/039067 A2 - Eine andere Möglichkeit zur Ausbildung von Metallkontakten bei Solarzellen besteht darin, lokal Öffnungen in dielektrischen Schichten, welche auf einer Oberfläche eines verwendeten Siliziumssubstrats angeordnet sind, auszubilden. In diesen Öffnungen wird im Weiteren mittels Plattieren Metall abgeschieden. Es hat sich herausgestellt, dass beidem Plattieren, sei es Elektroplattieren oder stromloses Plattieren, teilweise auch Metall auf ungeöffneten Bereichen der dielektrischen Schicht abgeschieden wird, beispielsweise auf ungeöffnetem Bereichen einer Siliziumnitridschicht. Derartige unerwünschte Metallabscheidungen werden häufig als „Geisterabscheidungen” oder „ghostplating bezeichnet. Sie sind deshalb unerwünscht, da sie zu zusätzlichen Abschattungsverlusten führen und den Wirkungsgrad der Solarzelle beeinträchtigen.
- Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zur Verfügung zu stellen, mit welchem die Entstehung von Geister abscheidungen vermieden werden kann, ohne den Wirkungsgrad der fertigen Solarzelle zu verringern.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
- Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Solarzelle mit durch Plattieren ausgebildeten Kontakten ohne Geisterabscheidungen zur Verfügung zu stellen.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
- Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand abhängiger Unteransprüche.
- Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, zum Zwecke des Aus bildens eines Emitters auf einer ersten Seite eines Siliziumsubstrats Dotierstoff in das Siliziumsubstrat einzudiffundieren, nachfolgend eine Siliziumnitridschicht zumindest auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats abzuscheiden, nachfolgend auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats lokal Öffnungen in die Siliziumnitridschicht einzubringen und nachfolgend in den Öffnungen mittels Plattieren Metallkontakte auszubilden. Vor dem Abscheiden der Siliziumnitridschicht wird der Emitter auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats teilweise zurückgeätzt. Danach, jedoch vor dem Abscheiden der Siliziumnitridschicht, wird auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke im Bereich von 1,0 nm bis 10 nm ausgebildet.
- Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise Geisterabscheidungen vermieden und dadurch Solarzellen mit verringerten Abschattungsverlusten hergestellt werden können.
- Die beschriebene Ausbildung des Emitters ist nicht notwendigerweise auf die erste Seite des Siliziumsubstrats beschränkt, sondern kann auch auf weiteren Seiten des Siliziumsubstrats erfolgen. Die Abscheidung der Siliziumnitridschicht, die Ausbildung der Siliziumoxidschicht wie auch das Zurückätzen des Emitters sind ebenfalls nicht notwendigerweise auf die erste Seite des Siliziumsubstrats beschränkt.
- Unter Plattieren im vorliegenden Sinne ist ein Elektroplattieren, welches teilweise auch als galvanische Metallabscheidung oder electroplating bezeichnet wird, oder ein stromfreies Plattieren zu verstehen, welches teilweise als chemische Metallabscheidung oder electroless plating bezeichnet wird. Ein Metallkontakt im vorliegenden Sinne ist ein aus einem oder mehreren Metallen oder einem oder mehrerer Metalllegierungen gebildeter Kontakt.
- Die Öffnungen werden vorzugsweise mittels Laserablation in die Siliziumnitridschicht eingebracht. Vorteilhafterweise wird eine wasserstoffhaltige Siliziumnitridschicht auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats abgeschieden. Auf diese Weise kann im Verlauf der Solarzellenfertigung Wasserstoff aus der Siliziumnitridschicht zur Passivierung von Defekten in das Siliziumsubstrat eindiffundiert werden. Dies ist insbesondere bei der Verwendung multikristalliner Siliziumsubstrate von Vorteil. Aufgrund der geringen Dicke der noch vor Abscheidung der Siliziumnitridschicht ausgebildeten Siliziumoxidschicht wird die Eindiffusion von Wasserstoff aus der Siliziumnitridschicht in das Siliziumsubstrat durch die Siliziumoxidschicht nicht in relevantem Umfang behindert.
- Vorzugsweise werden die Metallkontakte in den Öffnungen durch Elektroplattieren ausgebildet. Bei dieser Ausführungsvariante wirkt sich die Erfindung besonders vorteilhaft aus, da beim Elektroplattieren Geisterabscheidungen in einem stärkeren Ausmaß auftreten als bei einem stromfreien Plattieren.
- Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Emitter nasschemisch zurückzuätzen. Vorzugsweise wird er in einer Ätzlösung zurückgeätzt, welche Flusssäure und Salpetersäure oder Flusssäure und Ozon aufweist.
- In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens wird durch das Zurückätzen des Emitters dessen Schichtwiderstandswert um 10 Ω/sq bis 50 Ω/sq erhöht. Bei Verwendung eines multikristallinen Siliziumsubstrats hat sich in der Praxis nach dem Zurückätzendes Emitters eine Höchstgrenze für dessen Schichtwiderstandswert von 90 Ω/sq bewährt. Werden monokristalline Siliziumsubstrate verwendet, so kann diese Höchstgrenze höher liegen.
- Vorzugsweise wird die Siliziumoxidschicht mittels einer nasschemischen Oxidation ausgebildet. Dies kann beispielsweise in einer Ozon, Wasserstoffperoxid oder Salpetersäure aufweisenden Lösung erfolgen. Besonders bevorzugt wird die Siliziumoxid-Schicht in einer Oxidationslösung aus deionisiertem Wasser und darin gelöstem Ozon ausgebildet.
- In einer alternativen Ausführungsvariante kann die Silizium Oxidschicht mittels einer Gasphasenoxidation ausgebildet werden. Vorzugsweise erfolgt dies in einer ozonhaltigen Gasatmosphäre. Vorteilhafterweise wird diese energetisch angeregt, beispielsweise durch Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise von ultraviolettem Licht.
- In der Praxis hat es sich bewährt, die Siliziumoxidschicht in einer Dicke im Bereich von 2 nm bis 3 nm auszubilden.
- Vorteilhafterweise wird in den in die Siliziumnitridschicht eingebrachten Öffnungen die Siliziumoxidschicht lokal entfernt. Dies kann wiederum mittels Laserablation erfolgen und besonders bevorzugt in demselben Laserablationsschritt, in welchem auch die Öffnungen in die Siliziumnitridschicht eingebracht werden.
- Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Öffnungen mittels Laserablation in die Siliziumnitridschicht eingebracht und dabei mittels Laserdiffusion in Bereichen der Öffnungen stärker dotierte Emitterbereiche ausgebildet. Unter einer Laserdiffusion ist dabei zu verstehen, dass das Siliziumsubstrat mittels Laserstrahlung, welche bereits für die Laserablation eingestrahlt wird, lokal derart erhitzt wird, dass es in den Bereichen der Öffnungen zu einer Umlagerung des Dotierstoffs kommt, ein Emitterprofil also lokal verändert wird. Unter eine solche Umlagerung von Dotierstoff fällt auch die Aktivierung elektrisch inaktiven Dotierstoffs. Mittels einer derartigen Laserdiffusion können in Bereichen der Öffnungen lokal stärker dotierte Emitterbereiche und damit ein sogenannter selektiver Emitter ausgebildet werden.
- Bei der praktischen Umsetzung der Laserablation haben sich, sowohl in Verbindung mit homogenen wie auch selektiven Emittern, laserinduzierte chemische Verfahren, teilweise als laser chemical processing bezeichnet, bewährt; beispielsweise ein laserinduziertes chemisches Ätzen, welches teilweise als laser chemical etching bezeichnet wird. Alternativ kann die Laserablation auch mittels Laserstrahlverdampfung realisiert werden, welches ebenso wie die laserinduzierten chemischen Verfahren eine Laserdiffusion zum Zwecke der Ausbildung eines selektiven Emitters ermöglicht.
- Wird in der beschriebenen Weise ein selektiver Emitter ausgebildet, so kann eine stärkere Diffusion zur Ausbildung des Emitters auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats eingesetzt werden. Dies erleichtert zum einen die Verfahrensführung zum anderen können bei einer stärkeren Eindiffusion von Dotierstoff in dem Siliziumsubstrat vorhandene Verunreinigungen besser gegettert werden, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad der fertigen Solarzelle auswirkt.
- Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass im Falle eines selektiven Emitters die oben genannten, vorteilhaften Höchstgrenzen für Emitterschichtwiderstandswerte abseits stärker dotierter Emitterbereiche überschritten werden können. Höhere Schichtwiderstandswerte in diesen Bereichen können sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad gefertigter Solarzellen auswirken.
- Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens -
2 schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens -
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem wird zunächst Dotierstoff in ein Siliziumsubstrat50 eindiffundiert 10 und in dieser Weise ein Emitter52 ausgebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Dotierstoff lediglich in die Oberseite des Solarzellensubstrats50 eindiffundiert. Dies kann in an sich bekannter Weise beispielsweise durch Eindiffusion von Dotierstoff aus einer auf die Oberseite des Siliziumsubstrats50 aufgebrachten, dotierstoffhaltigen Lösung erfolgen. Der eingesetzte Dotierstoff ist auf die Volumendotierung des Siliziumsubstrats50 abzustimmen. Grundsätzlich kann sowohl ein n- wie auch ein p-dotierter Emitter ausgebildet werden. Des Weiteren besteht grundsätzlich die Möglichkeit, nicht nur in die Oberseite des Siliziumsubstrats Dotierstoff einzudiffundieren, sondern in die gesamte Oberfläche. In diesem Falle wären geeignete Maßnahmen zu treffen, um einen Kurzschluss zwischen dem Emitter52 und einem später aufzubringenden Rückkontakt62 zu verhindern. - Im weiteren Verfahrensverlauf wird der Emitter
52 teilweise zurückgeätzt12 . Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt dies nasschemisch in einer Flusssäure und Salpetersäure enthaltenden Lösung. - Im Weiteren wird das Siliziumsubstrat
50 zum Zwecke des Ausbildens14 einer Siliziumoxidschicht54 in deionisiertes Wasser getaucht, in welchem Ozon gelöst ist. In dieser Weise erfolgt eine nasschemische Oxidation der gesamten Oberfläche des Siliziumsubstrats50 . - Im Weiteren wird eine wasserstoffhaltige Siliziumnitridschicht abgeschieden
16 . Dies erfolgt üblicherweise mittels einer chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (CVD). Die in der Darstellung der1 nach unten weisende Rückseite des Siliziumsubstrats50 wird dabei von der Siliziumnitridschicht56 freigehalten. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem die Siliziumsubstrate paarweise Rücken an Rücken in eine verwendete Beschichtungsanlage eingebracht werden oder indem die Rückseite an einem Boot zur Anlage gebracht wird, welches in die verwendete Beschichtungsanlage eingefahren wird. - Im weiteren Verfahrensverlauf werden auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats
50 , im vorliegenden Ausführungsbeispiel also auf der Oberseite des Siliziumssubstrats50 , lokal Öffnungen58 in die Siliziumnitridschicht56 eingebracht18 . Dies erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels Laserablation. Hierbei wird bei dieser Ausführungsvariante zudem in den Öffnungen58 die Siliziumoxidschicht54 lokal entfernt. - Abschließend werden in den Öffnungen
58 mittels Elektroplattieren20 Vorderseitenkontakte60 ausgebildet. Bei diesen handelt es sich um Metallkontakte, welche beispielsweise Nickel und Silber oder Nickel, Kupfer und Silber aufweisen. Im Rahmen des Elektroplattierens20 wird zudem der Rückseitenkontakt62 auf der Rückseite des Siliziumsubstrats50 ausgebildet. Dieser besteht demzufolge aus dem gleichen Material wie die Vorderseitenkontakte60 . - Auf die Darstellung an sich bekannter Verfahrensschritte zur Ausbildung von Rückseitenfeldern, so genannten back surface fields, wurde in
1 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit verzichtet. Entsprechende, an sich bekannte Verfahrenschritte können jedoch ohne Weiteres integriert werden. - Die unterste Teildarstellung in
1 illustriert neben dem letzten Verfahrensschritt des Elektroplattierens20 zudem ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Solarzelle. - Das Ausführungsbeispiel der
2 unterscheidet sich von demjenigen der1 darin, dass bei dem lokalen Einbringen28 von Öffnungen58 in die Siliziumnitridschicht56 auch eine Laserdiffusion erfolgt28 . Hierbei werden in Bereichen der Öffnungen58 stärker dotierte Emitterbereiche64 ausgebildet, welche zusammen mit den übrigen Bereichen des Emitters52 einen selektiven Emitter bilden. Wie im Fall des Ausführungsbeispiels der1 kann die Laserablation, und in Verbindung hiermit die Laserdiffusion, mittels laserinduzierten chemischen Ätzens realisiert werden. Anstelle eines laserinduzierten chemischen Ätzens kann ein Laserstrahlverdampfungsverfahren Verwendung finden. - Die unterste Teildarstellung in
2 illustriert schematisch neben dem letzten Verfahrensschritt des Elektroplattierens20 zudem ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Solarzelle. - Bezugszeichenliste
-
- 10
- Eindiffusion Dotierstoff
- 12
- Zurückätzen Emitter
- 14
- Ausbilden Siliziumoxidschicht
- 16
- Siliziumnitridabscheidung
- 18
- Einbringen Öffnungen
- 20
- Elektroplattieren
- 28
- Einbringen Öffnungen und Laserdiffusion
- 50
- Siliziumsubstrat
- 52
- Emitter
- 54
- Siliziumoxidschicht
- 56
- Siliziumnitridschicht
- 58
- Öffnung
- 60
- Vorderseitenkontakt
- 62
- Rückseitenkontakt
- 64
- stärker dotierter Emitterbereich
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2008/039067 A2 [0002]
Claims (12)
- Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliziumsolarzelle, bei welchem – zum Zwecke des Ausbildens eines Emitters (
52 ) auf einer ersten Seite eines Siliziumsubstrats (50 ) Dotierstoff in, das Siliziumsubstrat (50 ) eindiffundiert wird (10 ); – nachfolgend eine Siliziumnitridschicht (56 ) auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats (50 ) abgeschieden wird (16 ); – nachfolgend auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats (50 ) lokal Öffnungen (58 ) in die Siliziumnitridschicht (56 ) eingebracht werden; – nachfolgend in den Öffnungen (58 ) mittels Plattieren (20 ) Metallkontakte (60 ) ausgebildet werden (20 ); dadurch gekennzeichnet, dass – vor dem Abscheiden (16 ) der Siliziumnitridschicht (56 ) der Emitter (52 ) auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats (50 ) teilweise zurückgeätzt wird (12 ); – nachfolgend vor dem Abscheiden (16 ) der Siliziumnitridschicht (56 ) auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats (50 ) eine Siliziumoxidschicht (54 ) mit einer Dicke im Bereich von 1,0 nm bis 10 nm ausgebildet wird (14 ). - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkontakte (
60 ) in den Öffnungen (58 ) mittels Elektroplattieren (20 ) ausgebildet werden (20 ). - Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Eindiffusion (
10 ) von Dotierstoff in das Siliziumsubstrat (50 ) ein Emitter (52 ) mit einem Schichtwiderstandswert im Bereich von 50 Ω/sq bis 70 Ω/sq ausgebildet wird. - Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (
52 ) nasschemisch zurückgeätzt wird (12 ). - Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Zurückätzen (
12 ) des Emitters (52 ) dessen Schichtwiderstandswert um 10 Ω/sq bis 50 Ω/sq erhöht wird. - Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumoxidschicht (
54 ) mittels einer nasschemischen Oxidation ausgebildet wird (14 ). - Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumoxidschicht mittels einer Gasphasenoxidation ausgebildet wird.
- Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumoxidschicht (
54 ) in einer Dicke im Bereich von 2 nm bis 3 nm ausgebildet wird (14 ). - Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Öffnungen (
58 ) die Siliziumoxidschicht (54 ) lokal entfernt wird, vorzugsweise mittels Laserablation. - Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserstoff enthaltende Siliziumnitridschicht (
56 ) abgeschieden wird (16 ). - Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (
58 ) mittels Laserablation in die Sillziumnitridschicht (54 ) eingebracht werden (28 ) und dabei mittels Laserdiffusion in Bereichen der Öffnungen (58 ) stärker dotierte Emitterbereiche (62 ) ausgebildet werden (28 ). - Solarzelle hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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