DE102011112043A1 - Process for producing a photovoltaic solar cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Bereitstellen einer Halbleiterstruktur (4), welche Halbleiterstruktur (4) eine Siliziumschicht umfasst und eine Vorstufe im Herstellungsprozess einer photovoltaischen Halbleiter-Solarzelle ist, B Erzeugen mindestens eines pn-Übergangs in der Halbleiterstruktur (4), C Aufbringen mindestens einer metallischen Kontaktierungsstruktur (1, 6) an einer Kontaktierungsoberfläche der Halbeiterstruktur (4) zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterstruktur (4) und D thermische Behandlung durch Temperaturbeaufschlagung zumindest der Halbleiterstruktur (4) und der aufgebrachten Kontaktierungsstruktur (1, 6) für eine Zeitdauer im Bereich 1 Sekunde bis 60 Minuten bei einer Temperatur im Bereich 200°C bis 800°C, welche sich dadurch auszeichnet, dass in Verfahrensschritt D die thermische Behandlung in einer Gasatmosphäre durchgeführt wird, welche weniger als 15% Sauerstoff und mehr als 1% Wasserdampf aufweist.The invention relates to a method for producing a photovoltaic solar cell, comprising the following method steps: A providing a semiconductor structure (4), which semiconductor structure (4) comprises a silicon layer and is a precursor in the production process of a photovoltaic semiconductor solar cell, B generating at least one pn junction in the semiconductor structure (4), C applying at least one metallic contacting structure (1, 6) to a contacting surface of the semiconductor structure (4) for electrically contacting the semiconductor structure (4) and D thermal treatment by applying temperature to at least the semiconductor structure (4) and the applied contacting structure (1, 6) for a period in the range of 1 second to 60 minutes at a temperature in the range 200 ° C to 800 ° C, which is characterized in that in step D, the thermal treatment is carried out in a gas atmosphere, which is less than 15 % Sow and more than 1% of water vapor.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for producing a photovoltaic solar cell according to the preamble of
Eine photovoltaische Solarzelle stellt ein flächiges Halbleiterbauelement dar, bei dem mittels ein fallender elektromagnetischer Strahlung Ladungsträgerpaare erzeugt und anschließend getrennt werden, so dass zwischen mindestens zwei metallischen Kontaktierungsstrukturen ein Potential entsteht und über einen mit diesen Kontaktierungsstrukturen verbundenen externen Stromkreis elektrische Leistung von der Solarzelle abgegriffen werden kann. Die Ladungsträgertrennung erfolgt an einem pn-Übergang, der beispielsweise dadurch realisiert werden kann, dass in einem Siliziumsubstrat eines Basisdotierungstyps eine Dotierung eines hierzu entgegengesetzten Dotierungstyps zur Ausbildung eines Emitters vorgenommen wird. Ebenso ist es bekannt, den Emitter durch Aufbringen einer oder mehrerer Schichten auf einem Basissubstrat auszubilden.A photovoltaic solar cell constitutes a planar semiconductor component in which charge carrier pairs are generated by means of falling electromagnetic radiation and separated, so that a potential is created between at least two metallic contacting structures and electrical power can be tapped from the solar cell via an external electric circuit connected to these contacting structures , The charge carrier separation takes place at a pn junction, which can be realized, for example, by doping a doping type opposite thereto to form an emitter in a silicon substrate of a basic doping type. It is also known to form the emitter by applying one or more layers on a base substrate.
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung solcher photovoltaischer Solarzellen, bei denen zumindest die Basis als Siliziumschicht ausgebildet ist. Eine solche Schicht kann beispielsweise durch ein Siliziumsubstrat wie einen Siliziumwafer oder auch durch eine Siliziumschicht auf einem Trägersubstrat ausgebildet sein.The invention relates to methods for producing such photovoltaic solar cells, in which at least the base is formed as a silicon layer. Such a layer may be formed for example by a silicon substrate such as a silicon wafer or by a silicon layer on a carrier substrate.
Zur Herstellung einer Solarzelle wird eine Halbleiterstruktur bereitgestellt, welche Halbleiterstruktur wie zuvor beschrieben eine Siliziumschicht umfasst und somit eine Vorstufe im Herstellungsprozess einer photovoltaischen Halbleiter-Solarzelle ist. Anschließend wird mindestens ein pn-Übergang in der Halbleiterstruktur erzeugt. Hierbei und im Folgenden bezeichnet der Begriff pn-Übergang sowohl solche Halbleiterstrukturen, bei denen entgegengesetzte Dotierbereiche unmittelbar aneinandergrenzen, als auch solche Strukturen, bei denen eine entgegengesetzte Dotierungen durch eine dünne, intrinsische oder dielektrische Schicht getrennt sind und sich dennoch ein pn-Übergang ausbildet, z. B. ein so genannter PIN-Übergang. Weiterhin können durch Oberflächenladungen induzierte pn-Übergänge von Metall Isolator Halbleiter Schichtsystemen verwendet werden. Alle Varianten werden im Folgenden als pn-Übergang bezeichnet.For the production of a solar cell, a semiconductor structure is provided, which semiconductor structure comprises a silicon layer as described above and thus is a precursor in the production process of a photovoltaic semiconductor solar cell. Subsequently, at least one pn junction is generated in the semiconductor structure. Here and below, the term pn junction designates both those semiconductor structures in which opposite doping regions adjoin one another directly, and those structures in which an opposite dopants are separated by a thin, intrinsic or dielectric layer and nevertheless forms a pn junction, z. As a so-called PIN transition. Furthermore, surface charge induced pn junctions of metal insulator semiconductor layer systems can be used. All variants are referred to below as the pn junction.
Anschließend wird mindestens eine metallische Kontaktierungsstruktur an einer Kontaktierungsoberfläche der Halbleiterstruktur zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterstruktur aufgebracht. Mittels der metallischen Kontaktierungsstruktur werden Ladungsträger des Emitter- oder Basisbereiches bei Betrieb der Solarzelle abgeführt.Subsequently, at least one metallic contacting structure is applied to a contacting surface of the semiconductor structure for electrical contacting of the semiconductor structure. By means of the metallic contacting structure, charge carriers of the emitter or base region are removed during operation of the solar cell.
Bei vielen Herstellungsprozessen ist nun eine Temperaturbehandlung der Halbleiterstruktur, welcher eine Vorstufe einer Solarzelle im Herstellungsprozess darstellt, notwendig oder zumindest sinnvoll, um beispielsweise die Eigenschaften elektrisch passivierender Schichten und/oder Eigenschaften von Kontakten zu verbessern und/oder um Kristall-Schäden in dem Siliziummaterial auszuheilen.In many manufacturing processes, a temperature treatment of the semiconductor structure, which represents a precursor of a solar cell in the manufacturing process, is necessary or at least useful, for example to improve the properties of electrically passivating layers and / or properties of contacts and / or to heal crystal damage in the silicon material ,
Hierbei ist es bekannt, diese „Annealing Step” genannten Temperatur-Behandlungen unter Formiergasatmosphäre, Druckluft oder Stickstoff-Atmosphäre durchzuführen.It is known to carry out this "annealing step" temperature treatments under Formiergasatmosphäre, compressed air or nitrogen atmosphere.
Bei einer Vielzahl heute üblicher Herstellungsverfahren für photovoltaische Solarzellen werden gedruckte und anschließend Kontakt-gefeuerte Silber-Kontakte als metallische Kontaktierungsstruktur verwendet. Hierbei bewirkt die nach dem Kontakt-Feuern durchgeführte Temperaturbehandlung eine Umverteilung einer dünnen Schicht aus Glasfritte, welche sich im Herstellungsprozess der metallischen Kontaktstruktur zwischen der Siliziumschicht und den Kristalliten der Kontaktstruktur befindet. Es bilden sich hierbei Lücken aus und es ergibt sich der Nachteil, dass der spezifische Kontaktwiderstand zwischen Kontaktierungsstruktur und Silizium ansteigt. Dies ist beispielsweise in
Es wurde daher bisher davon ausgegangen, dass vorteilhafterweise die Temperaturbehandlung unter Formiergas-Atmosphäre durchgeführt wird. Denn im Vergleich beispielsweise zur Durchführung der Temperaturbehandlung unter Stickstoffatmosphäre wird bei Formiergas der zuvor beschriebene negative Einfluss auf den Kontaktwiderstand reduziert, wie beispielsweise in
Beispielsweise sind Herstellungsprozesse bekannt, bei denen vorgenannte Temperaturbehandlung unter einer Formiergasatmosphäre bestehend aus etwa 95% N2 und 5% H2 durchgeführt wird.For example, manufacturing processes are known in which the aforementioned temperature treatment is carried out under a Formiergasatmosphäre consisting of about 95% N 2 and 5% H 2 .
Aufgrund der Explosionsgefahr bei Verwendung von Wasserstoffgas in Verbindung mit erhöhten Temperaturen ist zur Durchführung solcher Prozesse eine aufwändige Anlagenauslegung notwendig, um die notwendigen Sicherheitsstandards zu gewährleisten. Darüber hinaus ist der Einsatz von Formiergas kostenintensiv.Due to the risk of explosion when using hydrogen gas in conjunction with elevated temperatures, a complex system design is necessary to carry out such processes in order to ensure the necessary safety standards. In addition, the use of Formiergas is costly.
Weiter ist bekannt, dass Wasserdampf als Atmosphäre während eines Temperschritts eingesetzt werden kann, um die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an einer Si-SiO2-Grenzfläche, wobei die SiO2-Schicht durch thermische Oxidation eines Siliziumsubstrats erzeugt wurde, zu senken, wie beispielsweise beschrieben in
US-Patent
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle zu bilden, bei dem vorgenannte thermische Behandlung unaufwändiger und kostengünstiger durchführbar ist.The present invention is therefore an object of the invention to provide a method for producing a photovoltaic solar cell, in which the aforementioned thermal treatment is less expensive and less expensive to carry out.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 12. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung eingebunden.This object is achieved by a method according to
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle umfasst folgende Verfahrensschritte: in einem Verfahrensschritt A erfolgt das Bereitstellen einer Halbleiterstruktur, welche Halbleiterstruktur eine Siliziumschicht umfasst. Die Halbleiterstruktur stellt somit eine Vorstufe im Herstellungsprozess einer photovoltaischen Halbleiter-Solarzelle dar.The method according to the invention for the production of a photovoltaic solar cell comprises the following method steps: in a method step A, the provision of a semiconductor structure takes place, which semiconductor structure comprises a silicon layer. The semiconductor structure thus represents a preliminary stage in the production process of a photovoltaic semiconductor solar cell.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Halbleiterstruktur als Siliziumwafer ausgebildet ist. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Halbleiterstruktur ein Trägersubstrat umfasst, auf welchem eine Siliziumschicht angeordnet ist.It is within the scope of the invention that the semiconductor structure is formed as a silicon wafer. It is likewise within the scope of the invention that the semiconductor structure comprises a carrier substrate on which a silicon layer is arranged.
In einem Verfahrensschritt B wird mindestens ein pn-Übergang zur Ladungsträgertrennung in der Halbleiterstruktur erzeugt. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, wie eingangs erwähnt den pn-Übergang durch unmittelbar aneinandergrenzende Dotierungsbereiche mit entgegengesetzten Dotierungen (Dotierungen sind hierbei die n-Dotierung und die hierzu entgegengesetzte p-Dotierung) auszubilden und/oder durch Zwischenschaltung einer dünnen intrinsischen oder dielektrischen Schicht einen so genannten pin-Übergang auszubilden, und/oder durch Oberflächenladungen einen induzierten pn-Übergang auszubilden, die im Folgenden ebenfalls als unter den Oberbegriff pn-Übergang fallend definiert sind.In a method step B, at least one pn junction for charge carrier separation is generated in the semiconductor structure. Here, it is within the scope of the invention, as mentioned above, to form the pn junction by means of directly adjacent doping regions with opposite dopings (dopings are the n-doping and the p-doping opposite thereto) and / or by interposing a thin intrinsic or dielectric layer form a so-called pin junction, and / or form by surface charges an induced pn junction, which are also defined below as falling under the generic term pn junction.
Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, den pn-Übergang in an sich bekannterweise auszubilden. Beispielsweise ist dies durch Dotierung entsprechender Halbleiterschichten bzw. eines Siliziumwafers mit entsprechenden Dotierstoffen möglich. Ebenso liegt das Aufbringen unterschiedlich dotierter und/oder ortsfeste Ladungen aufweisender Schichten zur Ausbildung eines pn-Übergangs im Rahmen der Erfindung.In this case, it is within the scope of the invention to form the pn junction in a manner known per se. For example, this is possible by doping corresponding semiconductor layers or a silicon wafer with corresponding dopants. Likewise, the application of differently doped and / or stationary charges having layers to form a pn junction in the invention.
In einem Verfahrensschritt C wird mindestens eine metallische Kontaktierungsstruktur aufgebracht. Die Kontaktierungsstruktur dient zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterstruktur, so dass bei Betrieb der Solarzelle und Beaufschlagung derselben mit elektromagnetischer Strahlung Ladungsträger über die metallische kontaktierungsstruktur abführbar sind.In a method step C, at least one metallic contacting structure is applied. The contacting structure is used for electrical contacting of the semiconductor structure, so that charge carriers can be dissipated via the metallic contacting structure during operation of the solar cell and exposure to the same with electromagnetic radiation.
Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, in an sich bekannter Weise mindestens zwei metallische Kontaktierungsstrukturen aufzubringen, wobei eine erste metallische Kontaktierungsstruktur zur elektrischen Kontaktierung einer in Verfahrensschritt B erzeugten Basis und eine zweite metallische Kontaktierungsstruktur zur elektrischen Kontaktierung eines in Verfahrensschritt B erzeugten Emitters dient.In this case, it is within the scope of the invention to apply at least two metallic contacting structures in a manner known per se, a first metallic contacting structure serving for electrical contacting of a base produced in method step B and a second metallic contacting structure for electrically contacting an emitter produced in method step B.
In einem Verfahrensschritt D erfolgt eine thermische Behandlung durch Temperaturbeaufschlagung zumindest der Halbleiterstruktur und der aufgebrachten metallischen Kontaktierungsstruktur. Die thermische Behandlung erfolgt für eine Zeitdauer im Bereich 1 Sekunde bis 60 min bei einer Temperatur im Bereich 200°C bis 800°C.In a method step D, a thermal treatment takes place by applying temperature to at least the semiconductor structure and the applied metallic contacting structure. The thermal treatment is carried out for a period in the range of 1 second to 60 minutes at a temperature in the range 200 ° C to 800 ° C.
Wesentlich ist, dass in Verfahrensschritt D die thermische Behandlung in einer Gasatmosphäre durchgeführt wird, welche weniger als 15% Sauerstoff und mehr als 1% Wasserdampf aufweist. Die Prozentangaben zur Beschreibung der Gasatmosphäre beziehen sich hierbei und im Folgenden – sofern nicht anders angegeben – auf das Stoffmengenverhältnis, das heißt den Anteil der Moleküle des bezeichneten Gases pro Volumeneinheit an der Gesamtanzahl der Gasmoleküle pro Volumeneinheit.It is essential that in process step D the thermal treatment is carried out in a gas atmosphere which has less than 15% oxygen and more than 1% water vapor. The percentages for the description of the gas atmosphere here and below - unless stated otherwise - refer to the molar ratio, ie the proportion of the molecules of the designated gas per unit volume to the total number of gas molecules per unit volume.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass überraschenderweise sich eine positive, den Wirkungsgrad der Solarzelle steigernde Auswirkung bei Durchführen des Verfahrensschritts D wie zuvor beschrieben ergibt. Bisher wurde davon ausgegangen, dass eine Wasserdampfatmosphäre korrosiv wirkt und bei einer Temperaturbehandlung einer Solarzelle bzw. einer Vorstufe im Herstellungsprozess einer Solarzelle unter solch einer Atmosphäre eine negative Beeinflussung hinsichtlich beispielsweise einer Erhöhung von Serienwiderständen z. B. im Kontaktierungsbereich erfolgt, so dass sich der Füllfaktor und damit auch der Wirkungsgrad der Solarzelle verringert. Es wurde bisher davon ausgegangen, dass eine Temperaturbehandlung unter Wasserdampfatmosphäre eine Korrosion der Metallkontakte insbesondere bei Solarzellen zur Folge haben würde. Da aufgrund der hohen abzuführenden Stromdichten die Metallkontakte einen wesentlichen und kritischen Bestandteil einer photovoltaischen Solarzelle darstellen, wurde aufgrund des zu erwartenden negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solarzelle bisher eine derartige Prozessbedingung bei der Solarzelleherstellung explizit vermieden.The invention is based on the Applicant's finding that, surprisingly, a positive effect increasing the efficiency of the solar cell results when carrying out method step D as described above. So far it was assumed that a Steam atmosphere corrosive acts and at a temperature treatment of a solar cell or a precursor in the production process of a solar cell under such an atmosphere, a negative impact on, for example, an increase in series resistance z. B. in the contacting area, so that the fill factor and thus the efficiency of the solar cell is reduced. It has hitherto been assumed that a temperature treatment under a steam atmosphere would result in corrosion of the metal contacts, in particular in the case of solar cells. Since, due to the high current densities to be dissipated, the metal contacts represent an essential and critical component of a photovoltaic solar cell, such a process condition in solar cell production has hitherto been explicitly avoided on account of the expected negative influence on the efficiency of the solar cell.
Überraschenderweise kann entgegen dieser vorherrschenden Meinung jedoch die thermische Behandlung im Verfahrensschritt D in einer Gasatmosphäre enthaltend Wasserdampf ausgeführt werden, sofern der Sauerstoffgehalt geringer als die zuvor angegebenen 15% ist.Surprisingly, contrary to this prevailing opinion, however, the thermal treatment in process step D can be carried out in a gas atmosphere containing steam, provided that the oxygen content is less than the previously stated 15%.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit erstmals eine kostengünstige und hinsichtlich der Prozessbedingungen gegenüber der Verwendung des eingangs erwähnten Formiergases sicherere Durchführung einer thermischen Behandlung gemäß Verfahrensschritt D, welche die erwünschten Wirkungsgrad steigernden Effekte aufweist.The method according to the invention thus makes it possible for the first time to carry out a thermal treatment according to method step D that is more cost-effective and, with regard to the process conditions compared with the use of the above-mentioned forming gas, safer, by carrying out the desired efficiency-increasing effects.
Die zuvor angenommene nachteilige Wirkung bei der thermischen Behandlung in einer Gasatmosphäre enthalten Sauerstoff und Wasserdampf ist bereits bei der vorgenannten Obergrenze von 15% für den Anteil an Sauerstoff in der Gasatmosphäre hinreichend unterdrückt. Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt D der Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre < 5%, bevorzugt < 500 ppm, insbesondere < 100 ppm gewählt, um eine noch stärkere Unterdrückung des zuvor genannten unerwünschten Wirkungsgrad verringernden Effektes sicherzustellen.The previously assumed adverse effect in the thermal treatment in a gas atmosphere containing oxygen and water vapor is sufficiently suppressed even at the aforementioned upper limit of 15% for the proportion of oxygen in the gas atmosphere. Preferably, in process step D, the oxygen content of the gas atmosphere is selected to <5%, preferably <500 ppm, in particular <100 ppm, in order to ensure an even stronger suppression of the aforementioned undesired efficiency-reducing effect.
Zum Erzielen der positiven Effekte in Verfahrensschritt D des erfindungsgemäßen Verfahrens sind neben den Anteil von Wasserdampf > 1% an der Gasatmosphäre und dem Anteil Sauerstoff < 15% an der Gasatmosphäre keine weiteren reaktiven Gase zwingend notwendig.To achieve the positive effects in process step D of the process according to the invention, in addition to the proportion of water vapor> 1% of the gas atmosphere and the proportion of oxygen <15% of the gas atmosphere, no further reactive gases are absolutely necessary.
Vorzugsweise weist in Verfahrensschritt D die Gasatmosphäre daher abgesehen von Sauerstoff und Wasserdampf weitere reaktive Gase nur in einem Anteil < 10%, bevorzugt < 5%, insbesondere < 1% auf. Hierdurch werden nachteilige Effekte durch weitere reaktive Gase vermieden bzw. ausgeschlossen. Insbesondere ist es daher vorteilhaft, dass die Reaktionsatmosphäre in Verfahrensschritt D des erfindungsgemäßen Verfahrens abgesehen von Sauerstoff und Wasserdampf zusätzlich lediglich Inertgas aufweist. Vorzugsweise umfasst das Inertgas mindestens eines der Gase N2, CO2, Ar oder weitere Edelgase.In method step D, the gas atmosphere therefore preferably has, apart from oxygen and water vapor, further reactive gases only in a proportion of <10%, preferably <5%, in particular <1%. As a result, adverse effects are avoided by other reactive gases or excluded. In particular, it is therefore advantageous that the reaction atmosphere additionally has only inert gas in process step D of the process according to the invention, apart from oxygen and water vapor. Preferably, the inert gas comprises at least one of the gases N 2 , CO 2 , Ar or other noble gases.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit nicht mehr notwendig, in Verfahrensschritt D gasförmigen Wasserstoff in die Gasatmosphäre einzuführen. Vorzugsweise weist in Verfahrensschritt D die Gasatmosphäre daher einen Wasserstoffgehalt < 3%, weiter bevorzugt < 1% insbesondere < 0.5% auf.In the method according to the invention, it is thus no longer necessary to introduce gaseous hydrogen into the gas atmosphere in process step D. Preferably, in method step D, the gas atmosphere therefore has a hydrogen content <3%, more preferably <1%, in particular <0.5%.
Es ist davon auszugehen, dass die Wirkungsgrad steigernde Wirkung des Verfahrensschritts D bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf eine durch den Wasserdampf in Verbindung mit reduziertem Sauerstoffgehalt begründete oder verhinderte Reaktion zurückzuführen ist. Positive Effekte treten beispielsweise durch einen oder mehrere der folgenden Mechanismen auf:
Weist die Solarzelle dielektrisch passivierte Oberflächen auf, so bewirkt die Behandlung eine Verbesserung der Passivierwirkung. Es ist beispielsweise bekannt, dass bei thermisch gewachsene Siliziumoxid-Schichten, welche mit einer eine Aluminium-Schicht bedeckt sind, durch die Behandlung eine Reduzierung der Oberflächenrekombination erreicht wird. Dies wird im Allgemeinen als Alneal bezeichnet und ist beispielsweise in
If the solar cell has dielectrically passivated surfaces, the treatment results in an improvement of the passivation effect. It is known, for example, that in the case of thermally grown silicon oxide layers which are covered with an aluminum layer, the treatment achieves a reduction in surface recombination. This is generally referred to as Alneal and is for example in
Es ist auch bekannt, dass eine Temperaturbehandlung den spezifischen Kontaktwiderstand eines Metall-Halbleiter-Kontaktes verringern kann, was sich positiv auf den Füllfaktor und damit den Wirkungsgrad der Solarzelle auswirkt. Bei galvanisch abgeschiedenen oder verstärkten Kontakten ist bekannt, dass eine Temperaturbehandlung die Kontakteigenschaften verbessert und beispielsweise die Bildung eines Metall-Silizids an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche bewirkt, was die mechanische Haftung erhöht und den spezifischen Kontaktwiderstand senkt, wie beispielsweise in
Falls die Solarzelle lokale Laser-legierte Kontakte (LFC) aufweist, wie beispielsweise in „
Untersuchungen des Anmelders haben weiterhin ergeben, dass in Verfahrensschritt D die Gasatmosphäre bevorzugt weniger als 90%, weiter bevorzugt weniger als 70% insbesondere weniger als 50% Wasserdampf enthält. Dies ist darin begründet, dass zuführende Leitungen und die Prozesskammer sonst verstärkter Korrosion unterliegen. Investigations by the Applicant have furthermore shown that in method step D, the gas atmosphere preferably contains less than 90%, more preferably less than 70%, in particular less than 50% steam. This is due to the fact that supply lines and the process chamber otherwise subject to increased corrosion.
Untersuchungen des Anmelders ergaben weiterhin, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Optimierung der Wirkungsgradsteigerung von Solarzellen mit Siebgedruckten Silber-Vorderseitenkontakten und passivierter Rückseite erzielt wird, indem in Verfahrensschritt D eine Erwärmung auf eine Temperatur im Bereich 200°C bis 500°C, bevorzugt im Bereich 250°C bis 450°C erfolgt. Dies ist darin begründet, dass bei zu niedrigen Temperaturen oben genannte positive Effekte nicht stark genug ausgeprägt sind. Bei zu hohen Temperaturen dominieren negative Effekte wie die Erhöhung des spezifischen Kontaktwiderstands der Siebgedruckten Silberkontakte zum Emitter, wie beispielsweise in
Ebenfalls ergab sich bei diesen Untersuchungen, dass bevorzugt in Verfahrensschritt D bei Solarzellen mit Siebgedruckten Silber-Vorderseitenkontakten und passivierter Rückseite die Erwärmung für eine Zeitdauer im Bereich 30 Sekunden bis 10 min erfolgt. Dies ist darin begründet, dass bei zu kurzen Prozesszeiten oben genannte positive Effekte nicht stark genug ausgeprägt sind. Bei zu langen Prozesszeiten dominieren negative Effekte wie die Erhöhung des spezifischen Kontaktwiderstands der Siebgedruckten Silberkontakte zum Emitter, wie beispielsweise in
Die Temperaturbeaufschlagung in Verfahrensschritt D des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zumindest bei der Halbleiterstruktur und der aufgebrachten Kontaktierungsstruktur. Bevorzugt wird jedoch die gesamte Vorstufe der photovoltaischen Solarzelle mit Temperatur beaufschlagt, insbesondere bevorzugt mit an sich bekannten Verfahren:
Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, die Vorstufe der photovoltaischen Solarzelle in einen Ofen der thermischen Behandlung zu unterziehen, insbesondere bevorzugt in einem Durchlaufofen, so dass eine einfache Integration in eine Prozesslinie bei der Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle möglich ist. Hierbei kann auf an sich bekannte Durchlauföfen zurückgegriffen werden. Vorteilhaft ist insbesondere ein Durchlaufofen mit Hubschnur-Transport, wie beschrieben in „Patent
In this context, it is within the scope of the invention to subject the preliminary stage of the photovoltaic solar cell to an oven for thermal treatment, particularly preferably in a continuous furnace, so that simple integration into a process line in the production of a photovoltaic solar cell is possible. This can be resorted to known flow furnaces. Particularly advantageous is a continuous furnace with lifting cord transport, as described in "Patent
Ebenso liegt die Verwendung eines Transportmechanismus auf Basis von Metall-Kettenbändern, Kohlefaserwerkstoffbändern, Glas- oder Glaskeramik, Textilbändern, Kunststoffbändern, Kunstfaserbändern und/oder Verbundmaterialien oder ähnlichem im Rahmen der Erfindung. Ebenso liegt die Verwendung von Rohröfen oder Rapid Thermal Processing(RTP)-Öfen im Rahmen der Erfindung.Likewise, the use of a transport mechanism based on metal chain belts, carbon fiber material tapes, glass or glass ceramic, textile tapes, plastic tapes, synthetic fiber tapes and / or composite materials or the like is within the scope of the invention. Likewise, the use of tube ovens or rapid thermal processing (RTP) furnaces is within the scope of the invention.
Die vorgenannten Öfen weisen vorzugsweise Gasschleusen auf, um ein Ein- und Ausbringen der Vorstufe der photovoltaischen Solarzelle einen Gasaustausch mit der Umgebung zu verhindern. Insbesondere ist die Verwendung so genannter Stickstoffschleusen, bei denen mittels Gasfluss von N2 Gasvorhänge gebildet werden, in an sich bekannter Weise vorteilhaft.The aforementioned ovens preferably have gas locks in order to prevent the introduction and removal of the precursor of the photovoltaic solar cell gas exchange with the environment. In particular, the use of so-called nitrogen locks, in which by gas flow of N 2 gas curtains are formed, in a conventional manner advantageous.
Die Erzeugung des Wasserdampfs zur Ausbildung der Gasatmosphäre in Verfahrensschritt D des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in an sich bekannter Weise erfolgen, insbesondere ist eine pyrolytische Erzeugung, eine Verdampfung von Reinstwasser, eine Erzeugung mittels eines Steamers und/oder mittels Durchleiten von N2 durch Reinstwasser in einem sogenannten Bubbler vorteilhaft, oder indem Wasser direkt im Ofen verdampft wird, um einen hohen Reinheitsgrad des erzeugten Wasserdampfes zu erzielen. Untersuchungen des Anmelders ergaben, dass insbesondere Steamer-Systeme vorteilhaft sind, da sie sehr hohe Reinheitsgrade bei Erzeugung von Wasserdampf gewährleisten. Insbesondere die Verwendung eines Steamer-Systems gemäß
Verfahrensschritt D wird vorzugsweise in einer gasdicht abgeschlossenen Prozesskammer ausgeführt, insbesondere liegt die Ausführung in einer Prozesskammer im Rahmen der Erfindung, welche an einer oder mehreren Öffnungen vorgenannte Gasvorhänge aufweist.Method step D is preferably carried out in a gas-tightly sealed process chamber, in particular the embodiment is located in a process chamber within the scope of the invention, which has at one or more openings aforementioned gas curtains.
Vorzugsweise wird Verfahrensschritt D daher in einer Prozesskammer oder einem Prozessbereich eines Ofens ausgeführt, welche Kammer oder welcher Prozessbereich vor der Temperaturbeaufschlagung und/oder vor dem Einbringen der Vorstufe der photovoltaischen Solarzelle gespült wird. Hierbei erfolgt die Spülung vorzugsweise mittels eines Inertgases und insbesondere bevorzugt mittels N2. Therefore, method step D is preferably carried out in a process chamber or a process area of a furnace, which chamber or process area is purged before the temperature is applied and / or before the introduction of the preliminary stage of the photovoltaic solar cell. Here, the rinsing is preferably carried out by means of an inert gas and particularly preferably by means of N 2 .
Die Temperaturbeaufschlagung in Verfahrensschritt D erfolgt derart, dass die Seite der Halbleiterstruktur oder der gesamten Vorstufe der photovoltaischen Solarzelle, die nach Durchlaufen aller Prozessschritte als hergestellte Solarzelle dem Licht zugewandt ist, nach oben ausgerichtet ist. Optional dazu kann auch die dem Licht abgewandte Seite nach oben ausgerichtet sein oder die Halbleiterstruktur oder die gesamte Vorstufe der photovoltaischen Solarzelle anderweitig ausgerichtet sein.The temperature is applied in method step D such that the side of the semiconductor structure or the entire precursor of the photovoltaic solar cell, which faces the light after passing through all process steps as a manufactured solar cell, is oriented upward. Optionally, the side facing away from the light can also be oriented upward or the semiconductor structure or the entire preliminary stage of the photovoltaic solar cell can be aligned otherwise.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich auf vorbekannte Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle anwendbar, welche die vorgenannten Verfahrensschritte A bis D umfassen. Dies umfasst eine große Anzahl an Herstellungsvarianten und unterschiedlicher hergestellter Solarzellstrukturen. Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, den vorgenannten Verfahrensschritten A bis D weitere Verfahrensschritte vorzuschalten, nachzuschalten oder zwischenzuschalten.The inventive method is basically applicable to previously known methods for producing a solar cell, which comprise the aforementioned method steps A to D. This includes a large number of production variants and different solar cell structures produced. Of course, it is within the scope of the invention to precede, follow or interpose further method steps in the abovementioned method steps A to D.
Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass insbesondere bei Herstellungsverfahren für Solarzellen, bei denen mittels Siebdruck in Verfahrensschritt C die metallische Kontaktierungsstruktur erzeugt wird, das erfindungsgemäße Verfahren sich begünstigend auf den erzielten Wirkungsgrad der Solarzelle auswirkt. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass in Verfahrensschritt C die metallische Kontaktierungsstruktur mittels Aufbringen einer Siebdruckpaste erzeugt wird, welche Metallpartikel und insbesondere bevorzugt zusätzlich Glasfritte enthält. Diese Siebdruck-Kontaktstruktur kann gegebenenfalls vor oder nach Verfahrensschritt D durch chemische Metallabscheidung verstärkt werden.Investigations by the Applicant have shown that, in particular in production processes for solar cells in which the metallic contacting structure is produced by screen printing in process step C, the process according to the invention has a favorable effect on the achieved efficiency of the solar cell. In particular, it is advantageous that, in method step C, the metallic contacting structure is produced by applying a screen-printing paste which contains metal particles and particularly preferably additionally glass frit. This screen-printed contact structure can optionally be reinforced by chemical metal deposition before or after process step D.
Insbesondere ist die Verwendung des Verfahrens bei Anwendung von Siebdruckpasten vorteilhaft, welche Siebdruckpasten ausgebildet sind, um in einem Hochtemperaturschritt nach Aufbringen der Paste, vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich 700°C bis 900°C, durch eine sich unter der Paste befindliche Schicht, insbesondere eine elektrisch passivierende Schicht, bevorzugt eine dielektrische Schicht, hindurchzudringen. Solche Pasten werden auch als „durchfeuernde” Pasten bezeichnet.In particular, the use of the method when using screen-printing pastes is advantageous, which screen printing pastes are formed in a high-temperature step after application of the paste, preferably at temperatures in the range 700 ° C to 900 ° C, by a layer located under the paste, in particular a electrically passivating layer, preferably a dielectric layer, penetrate therethrough. Such pastes are also referred to as "firing pastes".
Vorteilhafterweise erfolgt nach Ausbilden der Kontaktstruktur eine Verstärkung derselben, bevorzugt mittels galvanischer Verstärkung.Advantageously, after forming the contact structure, a reinforcement thereof, preferably by means of galvanic reinforcement.
Optional zur Siebdrucktechnologie kann in Verfahrensschritt C die metallische Kontaktierungsstruktur ebenfalls durch Schablonendruck, Dispensen, Inkjetten, Aerosoldruck, Tampondruck und/oder Rollendruck, sowie einer Kombination dieser mit Siebdrucktechnologie aufgebracht werden.Optionally, for screen printing technology, in method step C, the metallic contacting structure can likewise be applied by stencil printing, dispensing, inkjet printing, aerosol printing, pad printing and / or web printing, as well as a combination thereof with screen printing technology.
Die thermische Behandlung verbessert, wie zuvor beschrieben, die Eigenschaften des Metall-Halbleiter-Kontaktes. Dies beinhaltet ausdrücklich Metallkontakte die mittels Sputtern, Verdampfen oder chemischer Abscheidung aus Metallhaltigen Bädern erzeugt wurden, und zumindest teilweise Aluminium und/oder Nickel und/oder Silber und/oder Kupfer enthalten oder ein Schichtsystem und/oder eine Legierung aus Titan, Palladium, Silber, Chrom, Vanadium, Nickel und/oder Aluminium darstellen.The thermal treatment, as described above, improves the properties of the metal-semiconductor contact. This expressly includes metal contacts which have been produced by means of sputtering, evaporation or chemical deposition from metal-containing baths and at least partially contain aluminum and / or nickel and / or silver and / or copper or a layer system and / or an alloy of titanium, palladium, silver, Represent chromium, vanadium, nickel and / or aluminum.
Die Ausbildung lokaler Strukturen zur Kontaktierung der Basis kann alternativ zu der schon beschriebenen LFC-Technologie auch durch den sogenannten i-PERC-Ansatz, wie beispielsweise beschrieben in „
Wie zuvor erwähnt, wirkt die thermische Behandlung in Verfahrensschritt D sich begünstigend auch auf die elektrischen Passivierungseigenschaften einer Passivierungsschicht aus. Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren daher vor Verfahrensschritt D mindestens eine dielektrische Schicht auf mindestens eine Seite der Halbleiterstruktur zur Verringerung der Rekombinationsgeschwindigkeit an dieser Seite der Halbleiterstruktur aufgebracht.As mentioned above, the thermal treatment in process step D also has a favorable effect on the electrical passivation properties of a passivation layer. Preferably, in the method according to the invention, therefore, prior to method step D, at least one dielectric layer is applied to at least one side of the semiconductor structure in order to reduce the recombination speed on this side of the semiconductor structure.
Wird eine dielektrische Schicht oder ein System aus mehreren, übereinander angeordneten dielektrischen Schichten verwendet, und befindet sich diese oder dieses auf der Seite des Halbleitersubstrats, die in der fertigen Solarzelle der dem Licht abgewandten Seite entspricht, so beträgt die Gesamtdicke dieser Schicht oder dieses Schichtsystems bevorzugt mehr als 50 nm, weiter bevorzugt mehr als 100 nm, insbesondere bevorzugt mehr als 200 nm.If a dielectric layer or a system composed of a plurality of dielectric layers arranged one above the other is used, and if this or this is located on the side of the semiconductor substrate that corresponds to the side facing away from the light in the finished solar cell, then the total thickness of this layer or layer system is preferred more than 50 nm, more preferably more than 100 nm, particularly preferably more than 200 nm.
Ist eine dielektrische Schicht als thermische Oxidschicht aufgebaut, so kann der thermische Oxidationsprozess vor oder nach der Ausbildung der Textur erfolgen, wie auch vor oder nach der Abscheidung einer Schicht aus Siliziumnitrid, welche auch als Antireflexschicht ausgebildet sein kann, sowie mit anderen Prozessschritten zeitgleich erfolgen.If a dielectric layer is constructed as a thermal oxide layer, then the thermal oxidation process can take place before or after the formation of the texture, as well as before or after Deposition of a layer of silicon nitride, which may also be formed as an antireflection layer, as well as carried out simultaneously with other process steps.
Vorzugsweise erfolgt die Ausbildung der dielektrischen Schicht mittels einer SiNTO-, FeDiO- oder TOPAS-Prozesssequenz. Diese Prozesssequenzen an sich sind beispielsweise in „
Die dielektrische Schicht kann außerdem als Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, amorphem Silizium, Siliziumcarbid oder Siliziumoxynitrid oder als ein Schichtsystem aus diesen ausgebildet sein.The dielectric layer may also be formed as silicon nitride, silicon oxide, aluminum oxide, amorphous silicon, silicon carbide or silicon oxynitride or as a layer system of these.
Verfahrensschritt D wird vorzugsweise nach den Verfahrensschritten A, B und C ausgeführt. insbesondere ist es bevorzugt, die Verfahrensschritte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Reihenfolge A, B, C auszuführen, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung weiterer Zwischenschritte. Insbesondere können Verfahrenschritte auch zusammengelegt werden und zeitgleich erfolgen.Process step D is preferably carried out after process steps A, B and C. In particular, it is preferred to carry out the method steps in the inventive method in the order A, B, C, optionally with the interposition of further intermediate steps. In particular, method steps can also be combined and carried out at the same time.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von einem Ausführungsbeispiel und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:Further advantages and properties of the present invention will be explained below with reference to an embodiment and the figures. Showing:
Zur Verringerung der Reflexion sowie zur elektrischen Passivierung, das heißt Verringerung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit der Vorderseite ist eine dielektrische Schicht
Weiterhin ist auf der Vorderseite mittels Siebdruck eine metallische Kontaktierungsstruktur
An der Rückseite ist ebenfalls zur Verringerung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit eine thermisch gewachsene Siliziumoxidschicht
Auf der thermischen Oxidschicht ist ganzflächig eine Aluminiumschicht angeordnet, welche punktweise (siehe beispielhaft Bezugszeichen
An den Bereichen, an denen die Kontaktierungsstruktur
Demgemäß ist der Emitter
Die in
Zunächst wurde in Verfahrensschritt A die Halbleiterstruktur
Anschließend erfolgte eine Vorkonditionierung, umfassend folgende Prozessschritte: Entfernung des oberflächennahen Sägeschadens in alkalischer Ätzlösung, anschließend nasschemische Reinigung der Silizium-Oberfläche. This was followed by preconditioning, comprising the following process steps: removal of the near-surface sawing damage in an alkaline etching solution, followed by wet-chemical cleaning of the silicon surface.
Mittels einer thermischen Oxidation wurde die thermische Oxidschicht
Anschließend erfolgte eine alkalische Textur zur Erzeugung der den Lichteinfall erhöhenden Texturierung mit Zufallspyramiden an der Vorderseite. Hierbei wurde eine mit Isopropanol versetzte wässrig-alkalische Lösung verwendet. In einem Verfahrensschritt B wurde anschließend der Emitter
Hierdurch bildete sich somit ein pn-Übergang zwischen Emitter und den p-dotierten Basisbereich des Siliziumwafers aus.As a result, a pn junction between the emitter and the p-doped base region of the silicon wafer thus formed.
Das bei der Emitter-Diffusion entstehendes Silikatglas wurde anschließend mittels eines Ätzschritts in einer Silikatglas-Ätze entfernt.The silicate glass resulting from the emitter diffusion was subsequently removed by means of an etching step in a silicate glass etching.
Zur Verringerung der Reflexion und der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Vorderseite wurde anschließend die Vorderseite mit einer Siliziumnitridschicht versehen.In order to reduce the reflection and the surface recombination speed on the front side, the front side was then provided with a silicon nitride layer.
In einem Verfahrensschritt C erfolgte das Aufbringen der metallischen Kontaktierungsstruktur
Anschließend wurde im Verfahrensschritt C die metallische Kontaktierungsstruktur
Anschließend wurden lokal elektrisch leitende Verbindungen zwischen der Aluminiumschicht und dem p-dotierten Basisbereich des Siliziumwafers erstellt. Dies wurde mit dem an sich bekannten Laser fired contact(LFC)-Verfahren durchgeführt, bei dem punktuell mittels eines Lasers eine lokale Aufschmelzung zur Ausbildung der genannten lokalen elektrisch leitenden Verbindung erfolgt, wie beispielsweise in
Wesentlich ist nun, dass anschließend in einem Verfahrensschritt D eine thermische Behandlung („Tempern”) erfolgte. Hierbei wurde die Halbleiterstruktur umfassend alle Komponenten in einem Durchlaufofen auf eine Temperatur von etwa 350°C für eine Zeitdauer von etwa 3 bis 5 min erhitzt.It is essential that then in a process step D, a thermal treatment ("annealing") was carried out. Here, the semiconductor structure comprising all components was heated in a continuous furnace to a temperature of about 350 ° C for a period of about 3 to 5 minutes.
Der Durchlaufofen weist einen Hubschnur-Transport auf.The continuous furnace has a lifting cord transport.
Die Temperaturbehandlung fand in einer Gasatmosphäre statt, welche einen Sauerstoffgehalt < 500 ppm und einen Wasserdampfgehalt > 5% aufwies.The temperature treatment took place in a gas atmosphere which had an oxygen content <500 ppm and a water vapor content> 5%.
Am Ein- und Ausgang des Durchlaufofens wurde ein Gasaustausch mit der Labor-Atmosphäre durch Stickstoff-Gasvorhänge verhindert.At the inlet and outlet of the continuous furnace, gas exchange with the laboratory atmosphere was prevented by nitrogen gas curtains.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt somit eine erhebliche Verbesserung und Vereinfachung an sich bekannter Herstellungsprozesse für an sich bekannte Solarzellenstrukturen, in dem in Verfahrensschritt D die Temperaturbehandlung insbesondere ohne die Zuführung von Wasserstoffgas möglich ist, so dass insbesondere geringere Sicherheitsanforderungen notwendig sind und die Prozesskosten reduziert werden.With the method according to the invention, there is thus a considerable improvement and simplification of known production processes for known solar cell structures, in which temperature treatment is possible in process step D, in particular without the supply of hydrogen gas, so that in particular lower safety requirements are necessary and the process costs are reduced.
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