DE102019104249A1 - Verfahren zur Herstellung einer PERC-Solarzelle und PERC-Solarzelle - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer PERC-Solarzelle und PERC-Solarzelle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer PERC-Solarzelle, aufweisend folgende Schritte:a) Bereitstellen eines Silizium-Substrats (1) mit einer Vorderseite (11) und einer Rückseite (12),b) Beschichten einer Oberfläche der Rückseite (12) mit einer oder mehreren dielektrischen Schichten (2),c) Tempern des Silizium-Substrats (1) nach dem Beschichten der Oberfläche der Rückseite (12) in Schritt b), undd) Beschichten einer Oberfläche der Vorderseite (11) mit einer oder mehreren weiteren dielektrischen Schichten (3) nach dem Tempern in Schritt c).Ferner betrifft die Erfindung eine nach dem Verfahren hergestellte PERC-Solarzelle.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer PERC-Solarzelle und eine mittels des Verfahrens hergestellte PERC-Solarzelle.
  • Eine PERC-Solarzelle weist eine Vorderseite und eine Rückseite auf. Der Ausdruck „PERC“ steht für „Passivated Emitter and Rear Cell“ und stellt eine Solarzelle mit passivierter Emissionselektrode und passivierter Rückseite dar. Die PERC-Solarzelle ist üblicherweise beispielsweise in einem Solarmodul derartig angeordnet, dass auf ihre Vorderseite Licht einfallen kann. Durch eine oder mehrere auf die Rückseite aufgebrachte dielektrische Schichten kann auf die PERC-Solarzelle auf die Vorderseite einfallendes Licht an dieser oder diesen rückseitigen dielektrischen Schichten reflektiert werden und zusätzlichen Strom erzeugen.
  • Aus einem nicht druckschriftlich belegten Stand der Technik ist ein Verfahren zur Herstellung einer PERC-Solarzelle bekannt, bei dem ein Silizium-Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite bereitgestellt wird und anschließend eine Oxidation einer Oberfläche zur Oberflächenpassivierung üblicherweise bei Temperaturen > 800°C durchgeführt wird. Dabei passiviert ein thermisches SiO2 umso besser, je höher die Oxidationstemperatur und je dicker das Siliziumoxid ist. Nachteil der hohen Oxidationstemperatur ist, dass auf der Rückseite des Silizium-Substrats eine zu dicke SiO2-Schicht aufwächst, welche bei der anschließenden Beschichtung mit einer oder mehreren dielektrischen Schichten eine Passivierfähigkeit aufgrund Feldeffekten reduziert. Dadurch weist die mittels dieses Verfahrens erhaltene PERC-Solarzelle einen relativ schlechten Wirkungsgrad auf.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer PERC-Solarzelle und eine PERC-Solarzelle mit verbessertem Wirkungsgrad bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine PERC-Solarzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wirkungsgrad der Solarzelle verbessert. Die Voc (open-circuit voltage bzw. Leerlaufspannung der PERC-Solarzelle wird erhöht, insbesondere indem die J0 (Sättigungsstromdichte) abgesenkt wird.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer PERC-Solarzelle, aufweisend folgende Schritte:
    1. a) Bereitstellen eines Silizium-Substrats mit einer Vorderseite und einer Rückseite,
    2. b) Beschichten einer Oberfläche der Rückseite mit einer oder mehreren dielektrischen Schichten,
    3. c) Tempern des Silizium-Substrats nach dem Beschichten der Oberfläche der Rückseite in Schritt b), und
    4. d) Beschichten einer Oberfläche der Vorderseite mit einer oder mehreren weiteren dielektrischen Schichten nach dem Tempern in Schritt c).
  • Die Schritte a) bis d) werden in der angegeben Reihenfolge durchgeführt. Die Erfindung basiert insbesondere auf einem Grundgedanken, bei dem das Silizium-Substrat nach der Beschichtung der Rückseiten-Oberfläche mit einer oder mehreren dielektrischen Schichten getempert wird und nach dem Tempern die Vorderseiten-Oberfläche mit einer oder mehreren dielektrischen Schichten beschichtet wird. Eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte PERC-Solarzelle weist eine erhöhte Voc beispielsweise im Bereich von etwa 4 mV im Vergleich zu einer Solarzelle auf, die nach einem Verfahren hergestellt ist, bei dem Schritte a), b), d) aber nicht Schritt c) durchgeführt werden.
  • Unter dem Ausdruck „Tempern“, auch „Annealing“ genannt, ist ein Wärmebehandlungsverfahren zu verstehen.
  • Die dielektrische(n) Schicht(en) dient bzw. dienen zur elektrischen Rückseitenpassivierung der Solarzelle. Die Beschichtung des Silizium-Substrats in Schritt b) mit der oder den dielektrischen Schichten wird bevorzugt vollflächig oder im Wesentlichen vollflächig durchgeführt. Die weitere(n) dielektrische(n) Schicht(en) dient bzw. dienen zur elektrischen Vorderseitenpassivierung der Solarzelle. Die Beschichtung des Silizium-Substrats in Schritt d) mit der oder den weiteren dielektrischen Schichten wird bevorzugt vollflächig oder im Wesentlichen vollflächig durchgeführt. Bevorzugt dient die mindestens eine weitere dielektrische Schicht zur Oberflächenpassivierung.
  • Gemäß Schritt a) wird ein Silizium-Substrat bereitgestellt. Bei dem bereitgestellten Silizium-Substrat handelt es sich um eine teilprozessierte Silizium-Solarzelle. Die teilprozessierte Silizium-Solarzelle stellt ein Halbzeug dar, das schon einen oder mehreren aber noch nicht alle Prozessschritte zur Herstellung der PERC-Solarzelle durchlaufen hat. Die Silizium-Solarzelle wird üblicherweise aus einem Silizium-Wafer hergestellt. Zur Bereitstellung des Silizium-Wafers werden üblicherweise Silizium-Einkristalle oder polykristalline Silizium-Blöcke hergestellt und beispielsweise durch Sägen in Scheiben zerteilt. Aus einem derartigen Silizium-Wafer wird das in Schritt a) bereitgestellte Silizium-Substrat bzw. die teilprozessierte Silizium-Solarzelle hergestellt. Der Silizium-Wafer wird beispielsweise folgenden Schritten zur Herstellung des Silizium-Substrats unterzogen: Ein- oder beidseitige Texturierung (zur Vergrößerung der Oberfläche und Erhöhung der Lichtaufnahme), anschließend Dotierung zur Ausbildung eines p/n-Übergangs und dann Unterziehen zu einem Diffusionsprozess. Das in Schritt a) bereitgestellte Silizium-Substrat ist bevorzugt den vorstehenden Schritten unterzogen worden. Bevorzugt ist das in Schritt a) bereitgestellte Silizium-Substrat weiterhin den Schritten Kantenisolation und/oder PSG-Ätze unterzogen worden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt c) mittels Aussetzens des Silizium-Substrats einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 700°C, bevorzugter 550°C bis 650°C, noch bevorzugter 580°C bis 620°C durchgeführt. Unter dem Ausdruck „Tempern“ ist bevorzugt eine Wärmebehandlung des Silizium-Substrats in den vorstehend angegeben Temperaturbereichen zu verstehen. Bei dem Tempern in diesem Temperaturbereich kann weiterhin eine PERC-Solarzelle mit hervorragendem Wirkungsgrad erzeugt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schritt c) über eine Zeitdauer von 5 bis 90 Min., bevorzugter 10 bis 60 Min., noch bevorzugter 10 bis 30 Min. durchgeführt. Diese Zeitdauern sind für den Schritt c) ausreichend, um eine PERC-Solarzelle mit optimiertem Wirkungsgrad herzustellen.
  • Bevorzugt wird der Schritt c) mittels Aussetzens des Silizium-Substrats unter einer Sauerstoff-Atmosphäre durchgeführt. Mittels dieser Ausführungsform wird das Silizium-Substrat nach einer Beschichtung der Rückseite mit einer oder mehreren dielektrischen Schichten einer Oxidation unter O2 (Sauerstoff) unterzogen. Unter Verwendung dieser Atmosphäre während des Schritts c) kann ein Wirkungsgrad der PERC-Solarzelle weiterhin verbessert werden.
  • Bevorzugt weist der Schritt c) eine Oxidation der Oberfläche der Vorderseite auf, so dass eine SiO2-Schicht auf der Vorderseite gebildet wird. Beim Tempern unter einer O2-Atmosphäre wird eine ungeschützte Oberfläche der Vorderseite des Silizium-Substrats oxidiert, so dass sich auf der Vorderseite eine SiO2-Schicht bildet. Diese SiO2-Schicht dient zur Oberflächenpassivierung der Vorderseite. Diese SiO2-Schicht wird anschließend in Schritt d) mit einer oder mehreren weiteren dielektrischen Schichten beschichtet.
  • Alternativ bevorzugt wird der Schritt c) unter einer Inertgas-Atmosphäre durchgeführt. Die Inertgas-Atmosphäre ist bevorzugt Argon oder Stickstoff, bevorzugter Stickstoff. Unter Verwendung einer derartigen Atmosphäre während des Schritts c) kann ein Wirkungsgrad der hergestellten Solarzelle weiterhin verbessert werden. Anschließend erfolgt im Schritt d) die Beschichtung der Vorderseite des Silizium-Substrats mit einer oder mehreren dielektrischen Schichten, die zur Oberflächenpassivierung dienen.
  • Der Schritt b) kann ein Beschichten der Oberfläche der Rückseite mit einer SiO2-Schicht aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schritt b) ein Beschichten einer Oberfläche der Rückseite mit einer AlOx- und/oder SiNy-Schicht auf. Bevorzugter weist der Schritt b) ein Beschichten der Rückseiten-Oberfläche mit einer AlOx-Schicht und SiNy-Schicht in der angegeben Reihenfolge auf. Dadurch kann weiterhin eine PERC-Solarzelle mit einem hervorragenden Wirkungsgrad erhalten werden.
  • Der Schritt d) weist bevorzugt ein Beschichten der Oberfläche der Vorderseite mit einer SiNx-Schicht als weitere dielektrische Schicht auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das in Schritt a) bereitgestellte Silizium-Substrat einer Kantenisolation und/oder eine PSG-Ätze unterzogen worden. Bei der Kantenisolation werden Kanten des Silizium-Substrats von der dort befindlichen Dotierung befreit. Das Silizium-Substrat wird dabei beispielsweise einem an den Kanten wirkenden Ätz- oder Laserprozess ausgesetzt, während die Vorder- und/oder Rückseite des Silizium-Substrats bevorzugt geschützt sind. Dadurch wird die im Diffusionsprozess auf der Rückseite entstandene Emitterschicht von der Vorderseite einseitig isoliert, um Fehlfunktionen des Silizium-Substrats zu vermeiden. Bei der PSG-Ätze wird Phosphorsilikatglas (PSG) von der Oberfläche der Vorder- und/oder Rückseite entfernt. Bevorzugt ist die Vorderseite des Silizium-Substrats der PSG-Ätze unterzogen worden. Die Kantenisolation und die PSG-Ätze kann in einem oder mehreren Schritten durchgeführt werden.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine PERC-Solarzelle, die nach dem Verfahren gemäß einer oder mehreren der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen hergestellt ist. Die nach dem Verfahren erhaltene PERC-Solarzelle weist einen erhöhten Wirkungsgrad auf im Vergleich zu einer nach einem Verfahren hergestellten Solarzelle auf, das die Schritte a), b) und d) ohne Schritt c) aufweist. Insbesondere weist die PERC-Solarzelle eine vergleichsweise erhöhte Voc auf. Die J0 ist hingegen vergleichsweise niedrig.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen rein schematisch und nicht maßstabsgerecht
    • 1a bis 1e ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer PERC-Zelle.
    • 1a bis 1d zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer PERC-Zelle, wobei jeweils das Silizium-Substrat in einer Querschnittsansicht gezeigt ist.
    • 1a zeigt eine Querschnittsansicht eines Silizium-Substrats 1, das einem Schritt a) unterzogen wird, der ein Bereitstellen des Silizium-Substrats 1 mit einer Vorderseite 11 und einer Rückseite 12 aufweist. Gemäß Schritt a) wird ein Silizium-Substrat bereitgestellt. Bei dem bereitgestellten Silizium-Substrat 1 handelt es sich um eine teilprozessierte Silizium-Solarzelle, die ein-oder beidseitig texturiert, anschließend zur Ausbildung eines p/n-Übergangs dotiert und einem Diffusionsprozess ausgesetzt und einer Kantenisolation und PSG-Ätze unterzogen worden ist.
    • 1b zeigt eine Querschnittsansicht eines Silizium-Substrats 1, das einem Schritt b) unterzogen wird, der ein Beschichten einer Oberfläche der Rückseite 12 mit - rein beispielhaft zwei - dielektrischen Schichten 2,3 aufweist. Die dielektrische Schicht 2 ist als eine AlOx-Schicht ausgebildet, während die dielektrische Schicht 3 als SiNx-Schicht ausgebildet ist.
    • 1c zeigt eine Querschnittsansicht eines Silizium-Substrats 1, das einem Schritt c) unterzogen wird, der ein Tempern des Silizium-Substrats 1 aufweist. Das Tempern wird durch die Pfeile und das Bezugszeichen T angedeutet, das für eine Temperatur im Bereich von 500°C bis 700°C steht. Der Schritt c) wird mittels Aussetzen des Silizium-Substrats 1 einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 700°C über eine Zeitdauer von 5 bis 90 Min. durchgeführt.
    • 1d zeigt eine Querschnittsansicht eines Silizium-Substrats 1, das einem Schritt d) unterzogen wird, der Beschichten der Oberfläche der Vorderseite 11 mit - rein beispielhaft einer weiteren dielektrischen Schicht 4 aufweist.
  • Bezugszeichenliste
    • T
    Temperatur
    1
    Silizium-Substrat
    11
    Vorderseite
    12
    Rückseite
    2,3
    jeweils dielektrische Schicht
    4
    weitere dielektrische Schicht

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer PERC-Solarzelle, aufweisend folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Silizium-Substrats (1) mit einer Vorderseite (11) und einer Rückseite (12), b) Beschichten einer Oberfläche der Rückseite (12) mit einer oder mehreren dielektrischen Schichten (2), c) Tempern des Silizium-Substrats (1) nach dem Beschichten der Oberfläche der Rückseite (12) in Schritt b), und d) Beschichten einer Oberfläche der Vorderseite (11) mit einer oder mehreren weiteren dielektrischen Schichten (3) nach dem Tempern in Schritt c).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) mittels Aussetzen des Silizium-Substrats (1) einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 700°C, bevorzugter 550°C bis 650°C, noch bevorzugter 580°C bis 620°C durchgeführt wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) über eine Zeitdauer von 5 bis 90 Min., bevorzugter 10 bis 60 Min., noch bevorzugter 10 bis 30 Min. durchgeführt wird.
  4. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) mittels Aussetzens des Silizium-Substrats (1) unter einer Sauerstoff-Atmosphäre durchgeführt wird.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) eine Oxidation der Oberfläche der Vorderseite (11) zur Bildung einer SiO2-Schicht aufweist.
  6. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) mittels Aussetzens des Silizium-Substrats (1) unter einer Inertgas-Atmosphäre durchgeführt wird.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertgas-Atmosphäre Argon oder Stickstoff, bevorzugt Stickstoff ist.
  8. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) ein Beschichten der Oberfläche der Rückseite (12) mit einer AlOx- und/oder SiNy-Schicht aufweist.
  9. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt a) bereitgestellte Silizium-Substrat (1) einer Kantenisolation und/oder einer PSG-Ätze unterzogen worden ist.
  10. PERC-Solarzelle, hergestellt nach einem der Verfahren gemäß den vorangehenden Ansprüchen.
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