DE2755500A1

DE2755500A1 - Solarzelle und verfahren zu ihrer herstellung

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Publication number: DE2755500A1
Application number: DE19772755500
Authority: DE
Inventors: William James Dr King
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-12-13
Filing date: 1977-12-13
Publication date: 1978-06-15
Also published as: JPS5391687A; FR2373882A1; GB1597383A; US4086102A; GB1597384A; FR2373882B1

Description

10233 tr fc . -

William James King

9 Putnam Road

Reading, Massachusetts,U.S.A. Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Eine der in Aussicht genommenen Lösungen, um auf Tange Sicht den Energiebedarf sicherzustellen, befaßt sich mit der Ausnutzung der Sonnenenergie, um dadurch eine praktisch unbegrenzte Energiequelle nutzbar zu machen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Sonnenenergie in eine besser verwendbare Form umzuwandeln, etwa in Wärme oder in elektrische Energie, und zu letzteren zählt auch die "photovoltaische" Umwandlung (Direktumwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie). Dies wird üblicherweise mittels Festkörpern durchgeführt, sogenannten Solarzellen, die aus verschiedenen Halbleitermaterialien, wie Silicium (Si), Cadmiumsulfid (CdS), Cadmiumtellurid (CdTe), Galliumarsenid (GaAa) usw. bestehen können. Die Schwierigkeiten bei der Herstellung derartiger Zellen in so großen Mengen, wie sie zur Gewinnung erheblicher elektrischer Energie benötigt werden (der derzeitige Energiebedarf der U.S.A. beträgt 4 χ 10 Watt), beziehen sich auf zwei Bereiche.

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Der erste betrifft die Produktion des erforderlichen Halbleiterbasismaterials, der zweite die Behandlung dieses Materials und Umwandlung zu funktionierenden Solarzellen.

Es sind zahlreiche Versuche unternommen worden, bzw. befinden sich in der Erprobung, das erste Problem der Herstellung des Basismaterials zu lösen. Die Erfindung befaßt sich mit dem zweiten Problem, nämlich das Basismaterial auf wirtschaftliche Weise in funktionierende Solarzellen umzuwandeln, wobei darauf abgezielt wird, die Verfahrensschritte erheblich zu vereinfachen und zu verbessern. Die grundlegenden Aspekte der Erfindung konnten erfolgreich nachgewiesen werden.

Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung von Solarzellen, bei denen eine Einfachschicht nicht nur als Antireflexionsbeschichtung dient, sondern darüber hinaus als umhüllender Abschluß und als Massenanalysator. Die Erfindung ist besonders von Nutzen bei Solarzellen, bei denen der Übergang durch Ionen-Implantations-Verfahren gebildet wird, denn für diesen Fall dient dieselbe Schicht auch als Implantationsoxid. Die Mehrzweckschicht muß einen Brechungsindex haben, der für die richtigen Antireflexionseigenschaften geeignet ist, doch konnte ermittelt werden, daß der Brechungsindex nicht überaus kritisch ist und daß auch Werkstoffe, deren Brechungsindex in der Nähe des idealen Wertes liegt, bei der Erfindung angewendet werden können. Bei einem Siliciumsubstrat in Luft eignet sich als Werkstoff für die Mehrzweckschicht Al₃O₃, Si₃N₄ und SnO₃. SiO₂ ist ein weniger geeignetes Material, kann jedoch unter gewissen Umständen ebenfalls verwendet werden, wenn nämlich das Bedürfnis, Diffusions-Herstellungs-Techniken zu verwenden, das Erfordernis nach ausgezeichneten Antireflexionseigenschaften überwiegt, so daß dann die Oberfläche des Siliciumsubstrats einfach durch einfaches Erhitzen in einer oxydierenden Atmosphäre in SiO₂ umgewandelt werden kann. Wenn ein geeignetes Material, wie etwa Aluminiumoxid, ausgewählt wurde, dann wird die Schichtdicke nach optimalen Antiref lexionseigenschaften ausgewählt. Die Schicht wird auf

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dem Substrat abgelagert, und anschließend wird der Übergang durch Ionenbeschuß gebildet, wobei die Ionen eine Energie haben müssen, daß der Spitzenwert der Dosisverteilung in einer gewünschten Beziehung zur Grenzschicht zwischen der Überdeckungsschicht und dem Substrat auftritt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Aluminiumoxid als Nehrzweckschicht verwendet, und der Kontakt zur Vorderseite des Substrats wird durch Aluminium gebildet, das vor der Ablagerung der Nehrzweckschicht aufgebracht wird, so daß während des anschließenden Tem perns nach der Ionenimplantation die dabei verwendete Hitze dafür sorgt, daß das Aluminium einen legierten übergang bildet. Wenn eine sehr dünne Aluminiumschicht über der gesamten Vorderfläche des Siliciumsubstrats verwendet wird, kann ein äußerst vereinfachter Herstellungsprozeß durchgeführt werden. Wo legierte Aluminiumkontakte eingesetzt werden, kann auf Wunsch Implantation durchgeführt werden, bevor die Nehrzweckschicht abgelagert wird, so daß dann die Ionenimplantation mit geringerer Energie durchgeführt werden kann. Die Erfindung bezieht sich auch auf Herstellungsgänge, bei denen das Frontkontaktmaterial automatisch aufgebracht wird, so daß ein vollständig automatisches Kontaktierungsverfahren und die Gestaltung linearer Naterialien geschaffen werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Solarzelle in ihrem grundlegenden Aufbau;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1; Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 1; Fig. 4 die Verteilung der implantierten Ionen bei

einer einzigen Ionenenergie in logarithmischer Wiedergabe der Konzentration gegenüber der Eindringtiefe;

Fig. 5 eine Schemadarstellung des Lichteinfalls auf eine Siliciumsolarzelle mit absorptionsfreier Antireflexionsschicht (AB) auf der Oberfläche;

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•β

Fig. 6 eine Schemadarstellung, in der Licht auf eine Zweielementenschicht aus zwei Glassorten mit den Brechungsindices n- und n„ fällt;

Fig. 7A die schematische Darstellung des ersten Schritts bei der Ablagerung von Oxidmaterial in einem vereinfachten Verfahren zur Beschichtung von Silicium;

Fig. 7B eine Darstellung des zweiten Schrittes, nämlich der Ionenimplantation, im vereinfachten Verfahren der Beschichtung des Siliciums gemäß Fig. 7A;

Fig. 8 eine Schemadarstellung einer verbesserten Implantationsmethode im Verfahrensschritt der Fig. 7B;

Fig. 9 die Darstellung des Photowiderstand-(PR)-Kontaktverfahrens zur Herstellung von Solarzellen;

Fig. IO die schematische Darstellung einer vereinfachten Ablauffolge der Erfindung unter Einsatz von frontseitigen Kontakten, die mit Silicium legieren, und zwar bei der Implantations-Temper-Temperatur oder darunter;

Fig. HA ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen, in welchem der Kontakt nach der Ionenstrahlimplantation aufgebracht wird;

Fig. HB ein Verfahren nach der Erfindung, in welchem der Kontakt vor der Ionenstrahl-Implantation aufgebracht wird;

Fig. 12A eine Draufsicht, die die Kontaktgestaltung und Anordnung als Ergebnis der automatischen Kontaktierungstechnik gemäß der Erfindung mit streifenförmigem Material zeigt;

Fig. 12B eine vergrößerte perspektivische Ansicht, in der die Maskenstreifen über dem Solarzellenmaterial bei der Bildung der Kontaktfinger während des erfindungsgemäßen Verfahrens erkennbar sind;

Fig. 12C eine Draufsicht auf eine Maskenplatte für die frontseitigen Hauptkontaktstreifen der Solarzelle, die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird;

Fig. 12D eine die Verbindungen der frontseitigen Kontakte von zwei nach der Erfindung hergestellten Solarzellen zeigende Draufsicht;

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Fig. 12E eine perspektivische Ansicht, die die Verbindung der vorderseitigen und der rückseitigen Kontakte von zwei Solarzellen erkennen läßt; und

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, in welchem die Mehrzweckschicht als Massenanalysator wirkt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst anhand der Figuren 1 bis 3 eine übliche Siliciumsolarzelle 10 beschrieben. Für die Herstellung der Zelle 10 wird eine Siliciumscheibe 100 (üblicherweise 0,15 - 0,5 mm stark) poliert und gereinigt, und nachdem die Rückseite oxydiert wurde, wird im Diffusionsverfahren auf der Vorderseite ein Halbleiterübergang 16 erzeugt. Nach dem Entfernen der rückseitigen Oxidschicht wird ein voller rückseitiger Kontakt 11 und ein Vorderseitenkontakt angebracht, der aus einer Kontaktleiste 12 und einer Reihe von Fingern 13 besteht (in Gitterform, um den Reihenwiderstand der dünnen Diffusionsschicht auf der Oberseite zu verringern), um damit den erzeugten elektrischen Strom abnehmen zu können. Um den Kollektorwirkungsgrad für das einfallende Licht zu erhöhen, wird eine sogenannte Antireflexionsbeschichtung 14 auf die Frontseite aufgebracht, wodurch der Anteil des auftreffenden Lichtes, der reflektiert wird, vermindert wird. Für den Einsatz im Weltraum kann zum Schutz der Zelle gegen Verschlechterung eine Deckschicht 15 aus geeignetem Material (üblicherweise SiO₂ oder Al₂O₃) aufgebracht werden. Dies geschieht normalerweise mit einem Kleber, manchmal jedoch auch durch Verfahren (z. B. Ionenstrahlzerstäubung), bei denen kein Kleber benötigt wird. Bei Verwendung auf der Erde werden andere abschließende Werkstoffe, wie Plastikmaterialien in Betracht gezogen.

Es werden auch andere Verfahren wie Schottky-Sperrschichten und Ionen-Implantations-Techniken verwendet, um den Übergang 16 zu bilden, der benotigt wird, um die durch das Licht hervorgerufenen elektrischen Träger im Silicium 100 zu trennen. Verbesserungen des Implantationsverfahrens stellen

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den Hauptbereich der Erfindung dar, wenngleich einige Aspekte auch mit anderen Verfahren der Bildung des Übergangs verwendet werden können. Beim Formieren des Übergangs unter Einsatz der Ionen-Implantation wird gewöhnlich zunächst eine Schicht von SiO₂ (oder eine äquivalente Schicht) von geeigneter Dicke auf der Oberfläche gebildet und dann implantiert, wozu ein beschleunigter Strahl "dotierender"Ionen durch das Oxid hindurchgesandt wird, um den Übergang zu bilden. Das Oxid wird benötigt, weil die Verteilung der implantierten Ionen für eine einzige Ionenenergie so ist, daß der Spitzenwert R unterhalb der Oberfläche liegt, wie in Fig. 4 gezeigt, Um zu verhindern, daß ein elektrisches Feld auftritt, das dem Strom von Ladungsträgern im Oberflächenbereich zum Übergang, wo sie losgelöst sind, entgegenwirken würde, und um das Kontaktieren zu erleichtern, ist es wünschenswert, den Spitzenwert R der Verteilung an der Oberfläche zu haben. Dies wird erreicht durch Anbringen des Oxids von derselben "effektiven Dicke" (abhängig vom Material) wie R (der Spitzenwert oder die hauptsächlich vorkommende Eindringtiefe) , so daß der Spitzenwert gerade an der Trennschicht zwischen Oxid und Silicium auftritt. Das Oxid wird anschließend entfernt, und Kontakte, Antireflexionsbeschichtung (AR) 14 und Abdeckung 15 werden im üblichen Fall aufgebracht.

Nun ist für Licht, das auf eine Solarzelle mit nicht absorbierender Schicht (z. B. einer Antireflexionsbeschichtung 14 auf der Oberfläche - siehe Fig. 5) fällt, die Intensitäts-Reflexion R für normalen Einfall gegeben durch (siehe American Institute of Physics Handbook, 2. Auflage, Kapitel 6g):

*i + r - 2r r cos ( V - Ö) R- p-g

^rl ^r2 " ^2rl^r2 ^COS * ^V "

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worin

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^Γι ⁼

AR

- η

AR

+η

("si ■ "AR)

("ei

si

und

AR

η.

ⁿsi ^s ^ksi ^s

Brechungsindex für die AR-Schicht Brechungsindex für Luft = 1 Brechungsindex von Si Löschungskoeffizient von Silicium

Ö = tan"

s Phasenwinkel der Reflexion an der AR-Si-Grenzschicht

Λ_ο ^E Wellenlänge (λ.) des einfallenden

Lichts im Vakuum t - Dicke der AR-Schicht

Ein Minimalwert von R tritt auf, wenn V- S = 2 m 1C (worin m eine ganze Zahl ist) und ist gegeben durch

^r2)²

*min

(4)

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Nun ist für eine perfekte AR-Schicht R . =0 (nur bei einem Λ. -Wert) und .'. r, = r_o

oder

π a „ - η AR ο

ο _Λ +η AR ο

("ei

si

2 , 2

ⁿ»„ \ + k ·
AR ) si

AR

ei

1/2

Für die meisten praktischen Fälle ist k . unbedeutend, wodurch Gleichung (5) sich vereinfacht zu

AR ο

η . _ η AR + ο

si

"AR

AR

was sich vereinfacht zu dem bekannten

'AR

Letzteres ist allgemeiner gegeben durch: ⁿi

für eine Schicht 1 auf einer Oberfläche 2 in Luft.

Dies gilt auch für zwei absorptionsfreie Schichten mit

ⁿl ^ ⁿ2 ^{und im all}S^emei^{nen n}o^ ⁿi» ^{wie es in F}ig^ur 6
dargestellt ist für Licht, das auf eine Schicht von zwei Elementen auftrifft, die aus zwei Glassorten besteht mit den Brechungsindices H₁ und n„. Hier ein Beispiel: Wenn die zwei Materialien 1 und 2 z. B. SiO„ und SiO sind mit den Brechungsindices 1,45 und 1,95, dann ist der gewünschte Brechungsindex für das Material 1 für minimale Reflexion gegeben durch Vl χ 1,95 oder 1,396. Eine SiOg-Schicht
ist eine gute praktische Annäherung an diesen Wert.

Das letztere Beispiel trifft zu für eine Deckschicht 15 über einer AR-Beschichtung 14, die sich ihrerseits auf einer

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Siliciumsolarzellebefindet. In diesem Fall ist die Anforderung für den Brechungsindex der AR-Beschichtung bestimmt durch den Index von Si und den des Überzugs über die AR-Schicht, so daß die Situation komplizierter wird, wenn optimale Eigenschaften erzielt werden sollen. Anders ausgedrückt, muß der Brechungsindex einer AR-Schicht 14 anders sein, ob diese nun durch eine Überzugsschicht 15 abgedeckt ist oder unmittelbar an Luft oder Vakuum angrenzt.

Die Bedingung, daß n- = JSn₂ ist, ist die erste Bedingung für R . - O, und die zweite ist die bereits genannte Bedingung γ - S - 2 m% (m eine ganze Zahl), wobei 0 in den meisten Fällen annähernd gleich TC ist(z. B. für

Silicium ist es > 179°), so daß

, xn· ⁴ * "AR ^t (aus (3))

2 m + 1) ff ^a Γ

( _o

oder t = Z m = 0, Γ, 2, ---

⁴ⁿAR

entsprechend der bekannten Dickenbedingungen für auslöschende Interferenz. Für diese Bedingungen, die exakt nur bei einem Wert \ eintreten können, da η . und k . sich mit X. ändern, ist R_o - O.

Es trifft jedoch näherungsweise auch für Werte in der Umgebung von K zu und auch bei anderen Werten von n._ nahe

O Axt

dem exakten Wert «/n .n . Wenngleich R dann nicht Null ist, ist der Wert dennoch sehr niedrig (siehe unten).

Als Beispiel für die Wirkung nicht exakter Werte sei der Fall von Silicium für X^ - 6 300 Ä angenommen, wenn ⁿsi " ⁴»° ^{und n}AR " V⁴ * * "2,0 ist. Für diese Werte ist R - 0. Wenn jedoch n_AR - 1,76 (entsprechend Al₂O₃) und t noch genau der aus Gleichung (8) bestimmte Wert ist, dann ist

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min

	2	Γ "AR"	η ο	"AR	- η ο	"si "	"AR
"ι -	_r )²	⁰AR⁺	η ο	"AR	+ η ο	η . + Sl	"ar
(1- r	²	ι		si	""AR
	1 -		η si	^{+ n}AR

1. 76 - 1 1. 76 + 1

4 - 1. 76
4 + 1. 76

1. 76 - 1 4 - 1. 76 1. 76 + 1 ' 4 + 1. 76

0,016 oder 1,6 %

gegenüber O für R . bei dem genauen Wert von n_AR und gegenüber

= 0,36 oder 36 % für reines Silicium (poliert).

Ähnlich erhält man für eine Beschichtung von SiO₂ mit η = 1,45

Tmin

9,7 %, was bereits eine beträchtliche Verminderung der Reflexionsfähigkeit gegenüber der des reinen Siliciums ist.

Wenn diese oder ähnliche Materialien als AR-Schicht verwendet werden und in hermetischer Form in dünnen Schichten abgelagert werden (z. B. durch Ionenstrahlzerstäubung), können sie gleichzeitig die Funktion der AR-Schicht und die Einschließung oder Umschließung übernehmen. Ein anderes Material, dessen η-Wert nahe an das Optimum herankommt, ist Si₃N₄ (n - 2,03), das jedoch geringfügig absorbiert und außerdem in einer dünnen Schicht nicht unbedingt hermetisch abschließt. Die Absorption kann in den dünnen

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Schichten, die bei der Erfindung angewendet werden, nicht mehr völlig vernachlässigt werden, sondern es müssen die genauen Werte bestimmt werden. Ein weiteres Material von hohem Interesse ist SnO₂, das einen Brechungsindex von annähernd 2 hat und den zusätzlichen Vorteil besitzt, daß es unter gewissen Bedingungen leitfähig ist, wodurch ein Beitrag zur Herabsetzung des Reihenwiderstandes der Vorderbeschichtung geleistet wird. Die Umschließungs- oder Abkapselungseigenschaften sind bei den Ablagerungsmethoden, die bei der Ausführung der Erfindung angewendet werden, noch nicht voll bewiesen, scheinen jedoch angemessen zu sein.

Es sei erwähnt, daß für ionenstrahl-zersprühtes AIgOg bei Verwendung eines ausgedehnten Target-Systems neben der Vorderseite auch die Seitenflächen der Siliciumplatte beschichtet werden (mit einer Oxidbeschichtung 61), da das Ablagerungsmaterial 60 mit Einfallswinkeln auftrifft, die auch außerhalb der normalen liegen (siehe Fig. 7A). Im Gegensatz dazu trifft der Implantierungs-Ionenstrahl in einem Winkel nahe der Normalrichtung (im allgemeinen < 10 ) auf, so daß die Implantierungsionen 102 in das Silicium auf der Vorderseite eindringen (da die Energie für diese Bedingung gewählt worden ist), werden im Oxid 61 im Randbereich wegen dessen größerer wirksamer Tiefe hingegen gestoppt. Der so geformte Übergang ist deshalb gegenüber der Atmosphäre durch die Oxidschicht 61 auf den Seiten abgeschlossen (siehe Fig. 7B). Um mit noch größerer Sicherheit einen Langzeitschutz gegen atmosphärische Beeinflussung der Übergangszone (insbesondere aufgrund von Feuchtigkeit) zu erhalten, wenn die Kante nicht regelmäßig ist, was zur Strahlabschattung führt, kann während der Implantation durch Ionen 102 eine Randmaske 64 (siehe Fig. 8) verwendet werden, wodurch der Übergang 62 (zwischen der implantierten Schicht 63 und dem Silicium 100) innerhalb des vorderseitigen Randes der Zelle plaziert ist, womit eine vollständige Oberflächenpassivierung geschaffen ist. Dies läßt sich mit sehr einfachen Nasken erzielen und hat praktisch keinerlei

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Einfluß auf den Wirkungsgrad. Tatsächlich kann aufgrund der verbesserten Übergangseigenschaften der relative Wirkungsgrad dadurch noch verbessert werden.

Über die Wirkung als AR-Schicht und Umschließung oder Abschluß hinaus, kann eine solche Schicht 61 auch als Implantationsoxid dienen zur Steuerung der Eindringtiefe der implantierten Ionen. Es ist lediglich erforderlich, die Ionenenergie auf einen Wert einzustellen, der annähernd der Oxiddicke entspricht, gewählt auf der Basis der AR-Schicht-Uberlegungen. Der gesamte Ablauf (unter Vernachlässigung des Kontaktierens und der thermischen Behandlung) von Oxydation-Implantation (oder Diffusion)-Oxid-Beseitigung - AR-Beschichtung Umschließung verringert sich so auf kombinierte Schichtaufbringung - Implantation (siehe Figuren 7A und 7B). Irgendein leichter Anstieg in der Reflexionsfähigkeit wird mehr als ausgeglichen durch die Vereinfachung, insbesondere wenn Ausbeute und Kosten die wichtigen Faktoren sind . Ein thermischer Behandlungsvorgang ist ebenfalls bei dem herkömmlichen Implantations- und Diffusions-Prozeß von Solarzellen enthalten, was bei der Erfindung nicht mehr wichtig ist, wie oben festgestellt. Eine richtige Wärmebehandlung für eine spezielle Version des nunmehr vereinfachten Verfahrens kann jedoch zu noch weiterer Vereinfachung des gesamten Prozesses führen, wie später noch dargelegt wird.

Es soll bemerkt werden, daß, wenn eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung vorgenommen wird, nach der Anbringung der kombinierten Beschichtung 61, es wünschenswert, wenn nicht nötig ist (abhängig von der Haftfestigkeit), daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der Beschichtung mit demjenigen des Substrats übereinstimmt. Bei einer Silicium-Solarzelle trifft es glücklicherweise zu, daß Al₃O₃ , welches sich als AR-Material (siehe oben) gut eignet, sich auch als ausgezeichnete Wahl bezüglich des thermischen Expansionskoeffizienten herausstellt (8,7 χ 10" /⁰C von 25 - 900 ⁰C gegenüber 7,63 χ 10"⁶/°C für Silicium

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bei 40 ⁰C - Handbook of Chemistry and Physics, 40. Auflage). Ein zusätzlicher Vorteil von Al₃O₃ für im Erdbereich verwendete Zellen besteht darin, daß es, wenn es richtig niedergeschlagen wurde (z. B. durch Ionenstrahlsprühvorgang) hydrophob ist und sich durch Regen und dgl. selbst reinigt.

Wenn einmal die Oxiddicke festgelegt ist, so daß sie den AR-Bedingungen entspricht, dann kann die Implantationsenergie so eingestellt werden, daß mit einem einzigen Implantationsvorgang der Spitzenwert der Verteilung an die oder nahe der Grenzschicht zwischen Oxid und Silicium angesiedelt wird. So ist z. B. für eine AR-Beschichtung, die ihren Spitzenwert bei 6 300 8 hat und bei Verwendung von Al₃O₃ die Oxiddicke

t = -7- m = 0

4n

6,300
⁼ 4 χ 1.76

= 895 λ

Für diese Dicke ist eine Implantierungsenergie in der Größenordnung von 50 keV erforderlich für Boron-Ionen. Wenn eine dickere Umschließung benötigt oder gewünscht wird, könnte auf höhere Werte von m bei der Dickenberechnung übergegangen werden, z. B.

= 2,6841

wofür die benötigte Boron-Implantierungsenergie etwa 185 keV beträgt. Bei der Berechnung der benötigten Energien zum Ionenimplantieren muß der Unterschied zwischen dem Bereich der Ionen im Silicium und dem AR-Beschichtungsmaterial berücksichtigt werden. Diese Beziehungen wurden zuerst in der Tiefe entwickelt und können der Literaturstelle

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"High Energy Ion Implantation of Materials", Scientific Report Nr. 1 on Air Force Contract AF 19(628)-4970, Mai 1966, sowie anderen jüngeren Veröffentlichungen.

Um jedoch die kleinst mögliche Implantations-Einrichtung, die geringsten AR-Schicht-Kosten und die niedrigsten Gesamtherstellungskosten für die Zelle zu erhalten, sollte möglichst die dünnst-möglich Konsistenz der Oxidschicht verwendet werden, die hermetisch abschließt usw.

Dendritisches und EFG (edge defined film fed growth) Siliciummaterial, das verwendbare Flächen hat, wie sie gewachsen sind, oder geeignet zubereitete übliche (Czochralski) Scheiben können auf diese Weise kontinuierlich (d. h.automatisch) beschichtet werden (z. B. durch Ionenstrahl-Besprühung) mit einer Mehrzweck-Schicht 61, woraufhin dann durch Implantieren mit Implantationsionen 102 ein Material erhalten wird, das nach der thermischen Behandlung (zur Beseitigung der Implantationsstrahlungsschäden) eine vollständige photovoltaische Vorrichtung ist, außer daß sie noch kontaktiert werden muß.

Letzteres kann erzielt werden unter Einsatz üblicher Photowiderstands-Technologien (d. h. Aufbringen eines Photowiderstandes 91 über die Oxidschicht 61 und Aussetzen des Photowiderstandes 91 einer Energiebestrahlung 93 durch eine Maske 94) auf der Vorderfläche, um dadurch das Oxid 61 dort zu entfernen, wo Kontakte benötigt werden (d. h. Öffnungen 92 zu bilden), wobei dann geeignetes Metallkontaktmaterial 90 über die gesamte Fläche zugeführt wird (siehe Fig. 9) und der übrig gebliebene Photowiderstand 91 abgestreift wird, so daß das Metall an den Stellen, wo es nicht benötigt wird, ebenfalls entfernt wird. Die gesamte Rückfläche ist zum Anbringen des rückseitigen Kontakts zugänglich.

Das Verfahren zur vorderseitigen Kontaktierung, das vorstehend beschrieben wurde, ist, obgleich es sich herkömmlicher Schritte bedient, komplex durch die Anforderungen, die nötig

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sind, wenn Solarzellen billig hergestellt werden sollen. Ein bevorzugtes Verfahren sieht vor, die frontseitigen Kontakte aus einem Material herzustellen, das mit Silicium eine Legierung bildet bei der Temperatur oder gar darunter, die der Implantations-Ausglühtemperatur entspricht. Wenn beispielsweise bei einer Siliciumsolarzelle die frontseitige Schicht eine P-Schicht und die rückseitige Schicht eine N-Schicht ist, können die frontseitigen Kontakte aus Aluminium bestehen, das bei etwa 577 C mit Silicium eine Legierung bildet (die Implantations-AnIaßtemperatur liegt zwischen 600 und 1 100 °C), wobei dann ein P-Material gebildet wird und damit sein eigener Übergang entsteht. Der Herstellungsablauf kann daher wie in Fig. IO vor sich gehen:

Anbringen der Frontkontakte 95 - Anbringen der kombinierten Beschichtung 97 - Implantieren mit Implantationsionen 102 -Wärmebehandlung - Anbringen des rückseitigen Kontaktes 98.

Bei dieser Schrittfolge kann das Anbringen der vorderen Kontakte 95 unter Verwendung einfacher Maskenverfahren (mit Maske 96) geschehen, die leichter und viel billiger als Photowiderstands-Verfahren sind. Stellen zum Verbinden des frontseitigen Kontakts 95 mit dem äußeren Schaltkreis können leicht durch geeignete Maskenform (oder eine Hauptkontaktleiste) während des Aufbringens der kombinierten Beschichtung 97 erhalten werden. Die anderen Schritte erfordern keine Maskenabdeckung, vielmehr wird nur eine Gesamtbedeckung mit breitem Strahl benötigt. Bei Anwendung der gewöhnlichen Parameter wird nach der Legierungsbildung der vorderseitige Kontakt 95 in Wahrheit um eine Strecke in das Silicium 100 eindringen, die größer ist als die Tiefe des implantierten Ionenübergangs 62, wodurch mit dem Spitzenwert der implantierten Verteilung Kontakt hergestellt wird, unabhängig davon, wie tief er liegt. Aus diesem Grund ist es nicht nötig, den Spitzenwert der Verteilung an der Grenzfläche zwischen Silicium und Oxid zu haben, damit ein guter Kontakt hergestellt ist. Der Verfahrensablauf kann umgeordnet werden, wenn dies gewünscht wird, damit die Implantation vor dem

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Aufbringen der kombinierten Beschichtung 97 vorgenommen werden kann. Die für das Implantationsgerät benötigte Energie ist im letzteren Fall nur etwa halb so hoch, als wenn durch das Oxid hindurch implantiert werden muß, doch tritt der Spitzenwert der Verteilung im Silicium unterhalb der Oxid-Silicium-Trennschicht auf. Eine Verringerung der Einrichtungsgröße zum Implantieren und eventuell der Kosten der hergestellten Solarzellen läßt sich deshalb erreichen mit einer möglichen Verringerung des Zellenwirkungsgrades, der sich aus einem leicht umgekehrten Driftfeld an der Zellenoberfläche ergibt (siehe vorherige Ausführungen zum implantierten Profil) und/oder möglichen, nicht temperbaren Beschädigungseffekten aufgrund von erhöhter Oberflächenversprühung.

Ein Sonderfall besteht bei Al-Frontkontakten auf einer p- oder η-Zelle bei Verwendung von Al₃O₃ (ionenstrahlversprüht oder äquivalent) als kombinierte Beschichtung. Wenn die Zelle nach der Implantation wärmebehandelt ist, bildet das Al mit dem Si-Substrat eine Legierung. Das Al des Al₂O₃ über dem Kontakt sondert sich jedoch auch ab und bildet eine Legierung, wobei die Geschwindigkeit durch die Temperatur bestimmt wird und offensichtlich zunimmt aufgrund der Al-Si-Verflüssigung darunter. Wenige Minuten Wärmebehandlung bei 1000 ⁰C reduzieren das gesamte Al₃O₃ über den Kontakten, wobei das O₂ ausgetrieben wird und ein legierter Frontkontakt zurückbleibt, der irgendwo angeschlossen werden kann (leicht mit Ultraschallverklebung bei Verwendung von Al-Drähten), während das Al₂Oo ^an den übrigen Flächen relativ unverändert bleibt und alle seine erforderlichen Eigenschaften behält. Bei der Wahl der Anfangsdicke der AlgOg-Schicht müssen alle folgenden Dickenverminderungen der Schicht berücksichtigt werden, die durch Verlust von Al an das Si-Substrat über die verbleibende Fläche hervorgerufen werden, und dieser Verlust muß relativ gering gehalten werden, indem die Dauer der Wärmebehandlung auf eine geeignete Zeit begrenzt wird.

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Es ist wichtig zu vermerken, daß bei einer Wärmebehandlung mit relativ hoher Temperatur (z. B. mehr als ICXX) ⁰C) auch bei nur kurzer Zeitspanne (wenige Minuten) einiges vom Al von der Al-Si-Eutektik diffundieren kann, wodurch ein diffundierter Übergang vor dem Legierungsbereich 99 hervorgerufen wird. Dies führt in Richtung einer Verbesserung der Übergangseigenschaften gegenüber denen normaler legierter Übergänge, die "sanfter" oder auch undichter als diffundierte Übergänge sein können. Längere Zeiten bei niedrigeren Temperaturen, bei denen die Diffusionskoeffizienten kleiner sind, können auch zu demselben Ergebnis führen. Das Verfahren der Verwendung legierter Al-Kontakte und der AlgOg-Passivierung läßt sich bei vielen anderen Halbleitervorrichtungen und/oder integrierten Schaltkreisen verwenden und stellt eine einfache Methode zur Herstellung äußerst zuverlässiger Kontakte dar, insbesondere für "implantierte" Vorrichtungen und Schaltungen.

Es ist bemerkenswert, daß Al₂O₃ ein bevorzugtes Material für kombinierte Beschichtung von einer p- auf η-Zelle ist, wenn höhere Anlaßtemperaturen verwendet werden, da jede Absorption (durch welches Verfahren auch immer) von Al (aus dem Al₃O₃) das Material dotiert und für den Betrieb der Vorrichtung verbessert. Gläser mit hohem Borgehalt haben dieselben Eigenschaften (wegen der Diffusion des Bor aus dem Glas in das Silicium), bieten jedoch keine gute Anpassung des Brechungsindex (AR-Beschichtung).

Eine ähnliche Technik kann verwendet werden, um ein abgewandeltes Verfahren zu schaffen anstelle der Implantation für Dotieren der Frontfläche zwischen den Kontaktfingern usw. Wenn die gesamte Frontfläche mit einer sehr dünnen Al-Schicht beschichtet ist, bevor die kombinierte Beschichtung aufgebracht wird, dann ist es möglich, nachdem die Beschichtung aufgebracht ist, das gesamte Bauteil zu erhitzen und eine äußerst dünne legierte/diffundierte Zone (abhängig von der Temperatur) über die gesamte Frontfläche zu bilden. Dies formiert den p-n-übergang, der für eine funktionstüchtige

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Solarzelle benötigt wird, und viel von dem auffallenden Licht kann die dünne legierte Schicht durchdringen und wird in der Hauptmasse in elektrische Ladungen umgewandelt. Wenn Temperaturen angewendet werden, die zur Diffusion führen, dann kann eine diffundierte Front erzielt werden, vor der legierten Zone, zum Zwecke besserer Ubergangseigenschaften. Es muß dabei jedoch die Zeit auf einen Wert beschränkt werden, der auf das verfügbare freie Aluminium abgestimmt ist (d. h. nicht von der AlgOo-Schicht), um eine Dissoziierung der AlgOo-Schicht zu verhindern. Die genauen Werte hängen von den gewählten Werten der AlgOo-Schichtdicke usw. ab, worin unbegrenzt viele Variationsmöglichkeiten stecken. Diese Technik ist in der Praxis mit Erfolg angewendet worden.

Die vorstehend genannte Verfahrensablauffolge macht es unnötig, eine Maske vorzusehen (um den Frontkontakt anschließen zu können), während der Anbringung der kombinierten Beschichtung. Alle Schritte mit Ausnahme der Frontkontaktierung sind deshalb maskenlos mit Breitstrahl durchzuführen. Eine Ausnahme wäre die einfache Kanten-Masken-Abdeckung während der Implantation für verbesserte Umschließung. Der vereinfachte Ablauf, wie er beschrieben wurde, konnte in der Praxis mit Erfolg durchgeführt werden.

Alle Herstellungsschritte im vereinfachten Verfahren können aufeinander folgend in einer automatischen Ablaufmaschine durchgeführt werden, so daß Eingriffe von Hand und mit Nässe arbeitende chemische Vorgänge ausgeschlossen sind. Wenn andererseits die Wärmebehandlung außerhalb der Maschine durchgeführt werden soll, die alle anderen Verfahrensschritte ausführt, kann dies dadurch geschehen, daß auch der rückseitige Kontakt als Legierungskontakt und nicht als bei niedriger Temperatur auf die Fläche aufgeklebter Kontakt ausgeführt wird. Für die p- oder η-Zelle, die oben beschrieben wurde, kann der Rückseitenkontakt aus Silber (Ag), dotiert mit Arsen (As; n-Dotiersubstanz) ausgeführt werden, und (aus Kostengründen und wegen der Widerstandsfähigkeit) mit einer Schutz-

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schicht aus Nickel (Ni), Chrom (Cr), Tantal (Ta) oder anderen gegen Umwelteinflüsse widerstandsfähigen Materialien abgedeckt sein. Das Ag legiert mit Si bei ungefähr 830 ⁰C, so daß die Wärmebehandlung im Anschluß an die Implantation bei Temperaturen oberhalb dieses Wertes zugleich eine Legierung der Front- und Rückseitenkontakte hervorruft und die Implantationsstrahlungsbeschädigungen tempert oder ausglüht.

Da die Solarzelle passiviert ist und das Kontaktmaterial bei der Ausglühtemperatur in einen Silicium-Metall-Verflüssigungszustand übergeht, kann die Wärmebehandlung unter sehr einfachen Bedingungen ausgeführt werden. Erfolgreiche Wärmebehandlung unter Verwendung einer Argon-Gasatmosphäre oder im Hochvakuum (bis zu einigen 10 Mikron Druck) wurden in der Praxis durchgeführt.

Solche Kontakte, die vollständig mit festem Material legiert sind, sind dauerhafter als Kontakte, die auf die Oberfläche aufgeklebt sind oder mit ihr eine Legierung eingegangen sind (z. B. Ti-Ag; d. h. Ti an Si angrenzend und mit Ag überdeckt), da sie integraler Bestandteil des festen Materialsblocks werden. Dies ist besonders wichtig für auf der Erde eingesetzte Solarzellen, die für Zeitspannen von 20 Jahren und mehr den Umgebungseinflüssen standhalten müssen. Ein sehr wichtiger Vorteil ergibt sich durch die Legierter Frontkontakt - implantierter Übergang-Technik. Im gewöhnlichen Implantationsverfahren müssen sehr reine Bedingungen vorherrschen, damit Staubpartikel oder Oberflächenunregelmäßigkeiten kein Abschatten des Strahls bewirken. Wenn, wie in Fig. HA gezeigt, ein Staubpartikel 111 oder sonstige Partikel mit einem Durchmesser, der größer als die Übergangstiefe, die äquivalent der Implantierungsionenenergie ist, sich auf der Oberfläche befindet, so wird dieser Partikel den Strahl 102 abschatten (im wesentlichen plan-parallel, was eine abnormale Implantierung ergibt), und läßt nicht-implantierte Bereiche oder Fehlstellen 112 übrig. Dieser nicht-implantierte Bereich 112 hat die Leitungstype wie das Ausgangsmaterial des Grundkörpers und wirkt als Ableitung von der Frontfläche auf

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das Grundmaterial. Wenn dann ein gewöhnlicher Metallkontakt auf die Vorderseite aufgebracht wird, und somit auch diesen nicht-implantierten Fleck oder die Flecke 112 bedeckt, ist dort ein den Übergang überbrückender Kurzschlußeffekt vorhanden, wodurch die Gesamteigenschaften der Zelle verschlechtert werden. Da die Tiefe der implantierten Übergänge üblicherweise zwischen 0,1 und 1 Mikron angesiedelt sind, rufen bereits Staubpartikel von dieser geringen Größe die genannte Schwierigkeit hervor. Es müssen also überaus saubere Bedingungen herrschen, damit die Anzahl solcher Partikel vermindert wird, so daß der Punkt für hochwertige Bedingungen erreicht ist. Dies ist ein besonders schwieriges Problem bei implantierten Solarzellen wegen der großen Flächenausbreitung des Frontkontakts.

Das oben beschriebene Verfahren, bei dem der Kontakt 115 zuerst angebracht und legiert wird, um seinen eigenen Übergang zu bilden, vermeidet dieses Problem vollständig (siehe Fig. HB). Die gesamte Frontfläche wird dem implantierenden Ionenstrahl 102 ausgesetzt, so daß Implantation erfolgt bis zum legierten Kontakt 115, um so einen durchgehenden Übergang zu bilden. Die implantierten Bereiche 112 unter irgendwelchen Staubpartikeln 111 haben keine Einwirkung auf die Übergangseigenschaften, da sie statistisch gesehen kaum mit dem Kontakt 115 in Berührung kommen, und auch wenn dies so wäre, haben die Kontakte Gleichrichterwirkung zum Grundmaterial. Das Hochtemperatur-Anlassen oder -Ausglühen bewirkt dann eine vollständige Trennung der legierten oder diffundierten Übergänge und schafft perfekten Kontakt zur "aktiven" implantierten Zone.

Dieselbe Technik kann eingesetzt werden, um die Verwendung weniger behandelten, billigeren Ausgangsmaterials für die Herstellung von Solarzellen zu erleichtern. So kann beispielsweise geläpptes Material anstelle der üblicherweise hoch-polierten Scheiben verwendet werden. Ohne das Verfahren des Kontaktierens vor dem Implantieren können die

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mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der geläppten Oberfläche zu einer Strahlabschattung führen, da der Strahl gewöhnlich in einem von der Normalen abweichenden Winkel (z. B. 7 ° zur 111 kristallographischen Ebene) auf die Oberfläche auftrifft. Da sich auf der geläppten Oberfläche zahlreiche Stellen befinden, wo dies auftreten könnte, bestünde die Möglichkeit zu erheblichen Uberbrückungen des Übergangs mit herkömmlichen, nach der Implantation angebrachten Kontakten in hohem Maße. Das Verfahren der Kontaktierung durch Legieren vor dem Implantieren vermeidet dieses Problem vollständig. Aus geläpptem Material gefertigte Solarzellen konnten nach dieser Methode erfolgreich hergestellt werden.

Eine weitere Variation dieser Technik besteht in der Verwendung von Ausgangsmaterial geringerer Qualität, wie etwa dendritischen Materials oder EFG, in dem Bereiche vorhanden sein können, mit Fehlstellen, die hoch-dotiert sind und die durch die implantierten oder diffundierten Atome nicht "überkompensiert" sein können, damit der benötigte p-n-Übergang entsteht, so daß aufgrund dieses Mangels an Überkompensation "Röhren" oder überbrückungsbereiche vorhanden sind. Wiederum wird mit der Methode des Kontaktierens durch Legieren vor dem Implantieren die Schwierigkeit vermieden, wegen des sehr hohen Pegels der Dotierung, die in den legierten Bereich eingeführt wird, wodurch stets das Grundkörpermaterial überkompensiert wird (dessen Dotierpegel unter einem Festkörper-"Sättigungswert^M liegt).

Die vorstehend genannten allgemeinen Herstellungsmethoden können mit jedem bekannten Ausgangsmaterial durchgeführt werden (Czochralski, flüssig-gezont, dendritisch, EFG usw.), von jeder Gestalt und Größe und können die Herstellungskosten wegen Vermeidung weiterer Eingriffe von Hand und chemischer Naßverfahrensschritte senken. Wegen des vollständig automatischen Herstellungsablaufes bieten lineare Materialien wie dendritische oder EFG wesentliche weitere Vorteile.

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Da man diese Materialien in gesteuerten Breiten wachsen lassen kann (Bruchteile von Centimetern bis zu vielen Centimetern) und in großen Längen (mehrere 10 m), bieten sie sich selbst für eine vollständige Automatisierung bei Verwendung der Ionenstrahltechnik zum Kontaktieren, Beschichten und bei der Bildung des Übergangs usw. an. Zum Beispiel kann EFG-Material, das für die Solarzellenherstellung brauchbar ist, so wie es gewachsen ist, unmittelbar fortlaufend nach dem Kristallziehen oder von zwischengelagerten Speicherrollen verarbeitet werden. Das Problem, das noch verbleibt, betrifft das Maskieren (für die Frontkontaktbildung) des Materials, welches kontinuierlich in einer Richtung läuft, ohne daß ein Eingriff von Hand stattfindet.

Das Maskieren kann durch eine Technik und Kontaktbildung gemäß Figuren 12A bis 12E ausgeführt werden. Die schmalen Finger 125, die dazu verwendet werden, den Strom von der dünnen Oberflächenschicht aufzunehmen, können in ersten Arbeitsgang durch Ionenstrahlversprühen, Aufdampfen usw. des benötigten Materials durch eine Gruppe von ausgerichteten Platten oder Stäben 126 aufgebracht werden, welche Öffnungen 127 gemäß Fig. 12B zwischen sich belassen. Wenn die Platten 126 ausreichend dick sind und sich dicht über dem Solarzellenmaterial 100 befinden, im Verhältnis zur Quelle des Niederschlagsmaterials 128, dann können schmale Kontaktstreifen durchgehend auf dem Material 100 abgelagert werden, das bei der Darstellung sich in Richtung aus dem Blatt heraus bewegt. Die Größe der Platten 126 ist nicht von wesentlicher Bedeutung, da nur die Relativstellung ihrer Kanten eingestellt werden muß, wodurch die gewünschte Breite der Niederschlagslinien vorgegeben ist. Die Relativstellung der Maskenplatten 126 kann im Laufe der Zeit nachjustiert werden, damit die Linienbreite im wesentlichen konstant bleibt, denn das sich niederschlagende Material baut sich auch auf den Rändern der Maske auf, ebenso wie auf dem Solarzellenmaterial 100.

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Der zweite Arbeitsgang (zur Bildung von Hauptkontaktleisten 135) erfordert Maskierungsabschnitte (Platten) 136, wie in Fig. 12C gezeigt, die automatisch in unmittelbare Berührung mit dem Material schnappen zu Beginn eines Maschinenabschnitts, mit dem Material bis zum Ende des Abschnittes mitlaufen, vom Material zurückschnappen und (mechanisch) in die Ausgangsstellung zurückgeholt werden. Auch hier sind die Abmessungen 137 der öffnungen nicht kritisch, da das durch diese Masken hindurch abgelagerte Material lediglich die Hauptkontaktstreifen 135 bildet, die in einer Größenordnung von 1/2 bis 1 mm breit sind, gegenüber einigen Hundertstel Millimetern der Finger 125. (NB: Es wäre schwierig (wenngleich nicht unmöglich), aufliegende Masken für den ersten Arbeitsgang zu verwenden, wegen der geringen Breite der Kontaktfinger. Das beschriebene Verfahren dürfte einfacher und billiger sein und weniger Beobachtung benötigen)

Die Kombination der ersten zwei Vorgänge ergibt ein Kontaktmuster gemäß Fig. 12A. Die Anzahl der Finger 125 kann abhängig von anderen Bemessungsfaktoren zwischen zwei bis 10 oder mehr je cm variiert werden, während der Abstand zwischen den Hauptkontaktleisten 135 so etwa in der Größenordnung von 1 cm liegt. Die Verbreiterungen 138 an den Enden der Kontaktleisten 135 sind in den Bereichen langer Solarzellen angebracht, wo dieses Zellen mit den Seiten aneinander liegen und durch einfache gerade Kontaktstäbe 139 miteinander verbunden werden, wie dies in Fig. 12D gezeigt ist. Dieselben Verbindungsstäbe 139 (vorfabriziert) mit geeigneten Isolierabschnitten 140 können auch dazu benutzt werden, die rückseitigen Kontakte der Zellen miteinander zu verbinden, wie in Fig. 12E dargestellt. Es lassen sich aber auch davon getrennte RUckseitenverbindungsstäbe einsetzen. Die Verbreiterungen 138 sind an beiden Enden der Hauptzellenkontaktleisten 135 angeordnet. Wenn die Hauptkontaktleisten 135 0,5 mm breit sind, ist der Verlust an aktiver Fläche aufgrund der frontseitigen Kontakte in der Größenordnung von 6 bis 8 %.

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Die nachfolgenden Fertigungsgänge betreffen die vollständige Überdeckung mit einem Breitstrahl, wie früher beschrieben, wobei eine einfache Kantenabdeckung benutzt werden kann, wie während der Implantation, wenn dies gewünscht wird. Nach Beendigung des letzten Arbeitsschrittes kann das Material in die gewünschte Länge geschnitten werden.

Eine Modifikation besteht darin, daß das Material vor der Verarbeitung zu Solarzellen in bestimmte Längen geschnitten wird, was das Anlegen der Kontaktmaske 136 erleichtert (Arbeitsvorgang 2 beim Verfahren gemäß Figuren 12A bis 12E) und wodurch die Enden der Abschnitte eingekapselt werden können, so daß sie den bestmöglichen Schutz gegen Umwelteinflüsse erhalten.

Der allgemeine Verfahrensablauf läßt sich auch mit anderen Werkstoffen durchführen, wenngleich er für Siliciumsolarzellen entwickelt worden ist. Zum Beispiel wurde SiO₂ für die kombinierte Einkapselung und AR-Beschichtung auch mit Erfolg bei CdS-Solarzellen angewendet ( die besonders anfällig für Verschlechterung in der Atmosphäre sind). AIgO^ mit einem Faktor η von 1,76 gegenüber der gewünschten Größe 1,77 ( ^3,15 für CUgS-Oberflächenschichten, die auf CdS-Solarzellen verwendet werden) würde eine ausgezeichnete Wahl für diese Zellen bedeuten.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde zum Anbringen der Beschichtungen und der Kontakte das Ionenstrahlversprühen angewendet, doch ist man an diese spezielle Art der Aufbringung ebenfalls nxht gebunden. Ein besonderer jedoch damit zusammenhängender Nutzen der Mehrzweckbeschichtung dient der Vereinfachung des Prozesses zum Aussortieren der Ionen, die für die Implantation benötigt werden. Das Problem besteht darin, daß Ionen unterschiedlicher Arten, und zwar die unerwünschten wie auch die erwünschten Arten, von der Quelle entnommen werden. Gewöhnlich wird die Trennung der Ionen dadurch erreicht, daß die Ionen aus einer geeigneten Quelle herausgezogen und dann durch einen Massen-Separator

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geschickt werden, der einen analysierenden Magneten oder ein analysierendes Quermagnetfeld und elektrisches Feld enthält. Dieses analysierende System ist kompliziert und teuer und läßt sich für einen Ionenstrom in großem Umfang nicht anpassen.

Ein sehr einfaches Verfahren, um die benötigte Massentrennung zu bekommen, läßt sich erhalten, wenn die richtigen Dotierionen für die Implantation benutzt werden und das richtige Gas benutzt wird, um die Quelle zu betreiben. Zu dieser Methode gehört vornehmlich, daß die Oxidschicht 158 als diskriminierende Ionenbremsschicht oder Absorberschicht verwendet wird. Wenn z. B. die gewünschte Art Bor ist und die Quelle mit BBr-Gas betrieben wird, dann können der Quelle folgende Ionen entnommen werden, B , Br , BBr , B₂ ⁺, Br₂ ⁺, BBr₂ ⁺ usw. wie auch höher ionisierte Ionen, wie B , Br , B₂ ⁺ , Br₂ ⁺⁺, BBr₂ ⁺⁺ usw. Nun hat Br⁺ oder jedes andere der einfach ionisierten Ionen dieser Gruppe, das wenigstens ein Br-Atom enthält, eine Eindringtiefe in Si oder jedes der bei der Erfindung verwendeten Oxide, die wesentlich geringer ist als die von B (z. B. ist bei 1OO keV die Eindringtiefe von B etwa 0,31 p, während sie für Br etwa 0,05 ρ beträgt). Für die gewählte Energie, mit der der Spitzenwert der Borverteilung an die Silicium-Oxid-Trennflache 157 gebracht werden soll, werden praktisch alle Brom-Ionen in der Oxidschicht gestoppt und dort implantiert. Die Oxidschicht selbst dient also als wirksamer Massenanalysator, die es der gewünschten Ionenart ermöglicht, die Halbleiterfläche zu erreichen, während die schwereren, unerwünschten Ionen abgeblockt werden.

Die höher ionisierten Ionen 152, die Brom enthalten, stellen ein mögliches Problem dar, weil die doppelt, dreifach usw. ionisierten nach ihrer Beschleunigung von der Quelle 154 die zweifache, dreifache usw. Energie der einfach ionisierten Ionen 151 haben. Ihre wirksame Eindringtiefe ist deshalb grob gerechnet proportional länger, und ein großer Prozentsatz könnte in der Oxidschicht 158 nicht abgeblockt werden.

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Diese negative Möglichkeit besteht für Brom im dritten, vierten usw. Ionisationszustand. Sollten diese oder andere ähnliche Ionen auftreten, läßt sich ihre Auswirkung stark herabdrücken, wenn der von der Quelle entnommene Strahl durch einen einfachen elektrostatischen Analysator 150 geschickt wird, der dem Fachmann bekannt ist. Solche Analysatoren trennen nach der Energie und für Ionen, die durch ein gegebenes Potential beschleunigt wurden, so daß nur Ionen eines gegebenen Ladungszustandes passieren können, weil die Ionenenergie für Spaltbeschleunigung das Produkt aus Ladung mal Beschleunigungspotential ist. Wenn der Analysator so eingestellt ist, daß B⁺-Ionen passieren, (und alle anderen einfach geladenen Ionen), dann separiert er alle höher ionisierten Ionen, bevor sie die Probe 153 erreichen. Der benötigte elektrostatische Analysator kann überaus einfach sein und nur aus einem Paar von Ablenkplatten bestehen, die an eine Quelle fester Spannung angeschlossen werden. Da Br und seine Verbindungen hoch ionisierte Ionen zu bilden trachten in der Quelle 154, werden viele der unerwünschten Ionen durch den elektrostatischen Analysator 150 ausgesondert und erreichen das Oxid 158 nicht. Dies hat den zusätzlichen vorteilhaften Effekt, daß die "Beladung" (unerwünschte Arten, die im Oxid abgeblockt wurden) des Oxids verringert wird, was dazu beiträgt, daß das Oxid keine unerwünschten Veränderungen seiner optischen Eigenschaften erfährt.

Somit gelangen, wie in Fig. 13 gezeigt, einfach geladene Ionen 151, die die Ionenquelle 154 verlassen, durch ein Absaug-, Beschleunigungs- und Fokussierungssystem 155, anschließend durch den elektrostatischen Analysator 150 und durch einen Analysierschlitz 156 auf die Probe 153. In der Fig. 13 passieren die höher geladenen Ionen 152 den elektrostatischen Analysator 150 nicht, bis zur Probe 153, wenngleich es sich versteht, daß der elektrostatische Analysator 150 so abgestimmt werden kann, daß Ionenarten jeder gewünschten Ladung ausgewählt werden können, die von der Ionenquelle 154 abgegeben werden. Aus dem obigen

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Beispiel wird deutlich, daß die Funktion der Oxidschicht als Massenanalysator von der Eindringtiefe der Ionenarten abhängt, die den elektrostatischen Analysator 150 passieren und auf die Probe 153 gelangen. Für eine wirksame Massenanalyse durch die Hehrzweckoxidschicht 158 sollte die Spitzenwertverteilung der unerwünschten Ionenarten gut innerhalb der Spitzenwertverteilung der gewünschten Ionenarten liegen, so daß die Dicke der Schicht 158 so abgestimmt werden kann, daß praktisch alle unerwünschten Ionenarten absorbiert werden, der Hauptteil in der Verteilung der gewünschten Ionenarten jedoch das Siliciumsubstrat erreicht. Bei dem oben gewählten Beispiel werden noch andere Ionenarten herausgezogen aufgrund der Wirkung des Br auf innere Teile der Quelle, auf innere Versprühung usw., doch im allgemeinen sind diese auch viel schwerer als B oder können, wenn nötig, durch geeignete Auslegung der Quelle so gemacht werden. Die einzige Art, die auf die Verteilung oder die Wirkung Einfluß nehmenk könnte, ist B₀ ⁺. Der prozentuale Anteil ist verglichen mit B jedoch klein. Außerdem brechen solche Moleküle gewöhnlich an der Oxidschicht in zwei B-Ionen oder neutrale Atome mit grob genommen der halben Energie auseinander und damit etwa der halben Eindringtiefe eines B⁺-Ions, das von der Quelle entnommen wurde. Die meisten Atome mit der halben Energie enden dann in dem Oxid, aber da sie auf jeden Fall von derselben Art sind, kann ihre Einwirkung auf die Verteilung und die Arbeitsweise der Vorrichtung vernachlässigt werden.

Andere Gase der Quelle, wie etwa BCl₃ oder BJ₃ (zum Vergleich sind bei 100 keV die Eindringtiefen für Cl und J etwa 0,11 bzw. 0,045 (U) können in derselben Weise benutzt werden. Andere, dem Fachmann bekannte Gase können genauso angewendet werden, die auch elementares B von der Zersprühung oder ähnlichen Quellen. Die gleiche Technik läßt sich auch verwenden mit anderen Dotierungsionen als Bor, doch eignet sich letzteres besonders wegen seiner geringen Masse (die niedrige Implantationsenergie erfordert) und seines großen Eindringtiefenabstandes von unerwünschten Arten.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Gekapselte Solarzelle mit einer Halbleitereinrichtung , die wenigstens einen gleichrichtenden Übergang und mit einer Frontfläche in Kontakt stehende elektrisch leitende Elemente hat, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Frontfläche hermetisch abschließend eine Schicht aus einem hermetischen Werkstoff verbunden ist, dessen Brechungsindex und Dicke nahezu theoretisch berechneten Werten eines perfekten Antireflexbelages gleichkommen.
2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hermetisch abschließende Material einen Brechungsindex hat, der annäherungsweise gleich der Quadratwurzel aus dem Produkt des Brechungsindex des Frontflächenmaterials und des Brechungsindex des umgebenden Mediums ist.
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat der Halbleitereinrichtung aus Silicium oder CdS und das hermetische Material aus Al.,0,, Si₇N₄ oder SnO- bestehen.
4. Solarzelle nach Anspruch 1, 2 oder 3,dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche durch implantierte Ionen dotiert ist.
5. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge:

(a) Auf eine Fläche eines Substrats werden elektrisch leitfähige Kontakte aufgebracht;

(b) auf die Fläche wird dicht abschließend eine dünne Schicht

eines Materials mit kombinierten Antireflexions- und Einkapselungs·

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eigenschaften niedergeschlagen;

(c) durch diese Schicht werden Ionen in die Fläche des Substrats implantiert;

(d) das Substrat wird zusammen mit seinen Kontakten auf eine Temperatur gebracht die wenigstens so hoch ist, daß Strahlungsbeschädigungen aufgrund des Schrittes (c) im wesentlichen ausgeglüht und die Kontakte mit dem Substrat legiert werden.
6. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, dessen Substrat eine Frontfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in hermetischer Form auf die Frontfläche eine einkapselnde Schicht eines solchen Materials in einer solchen Dicke abgelagert wird, daß sich wirksame Antireflexionseigenschaften ergeben, und daß anschliessend geeignete Ionen durch die Schicht hindurch in das Substrat implantiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß das Implantieren unter Verwendung einer Rand- oder Kantenmaske über einer Knate des Substrats vorgenommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen mit solcher Implantationsenergie implantiert werden, daß die wahrscheinlichste Eindringtiefe der Ionen an oder in Nähe der Grenzfläche zwischen der Frontfläche und der Schicht liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Schicht mit Ionenstrahlzerstäubung erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Schicht auf die Frontfläche Aluminiun kontaktelemente aufgebracht werden, die Schicht aus Al₃O₃ besteht, das Substrat ein η-leitendes Silicium ist und nach der Implantierung der Ionen das Substrat mit den Kontaktelementen und der Schicht erhitzt wird auf wenigstens eine solche Temperatur, bei der die Kontakt-

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elemente mit dem Siliciumsubstrat eine Legierung bilden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die Aluminiumkontaktelemente durch Ionenstrahlzerstäubung von Aluminium auf das Siliciumsubstrat durch eine Maske hindurch erfolgt.
12. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, gekennzeich net durch folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge, mit Ausnahme des Schrittes (d) , der jederzeit vor dem Schritt (e) ausgeführt werden kann:

(a) Auf einerersten Oberfläche eines Substrats werden elektrisch leitende Kontakte angebracht;

(b) auf die erste Fläche wird hermetisch abschließend eine dünne Schicht eines kombiniert anti-reflektierenden und einschliessenden Materials aufgebracht;

(c) zweite elektrisch leitende Kontakte werden auf eine zweite Fläche des Substrats aufgebracht;

(e) das Substrat wird mit den ersten und zweiten Kontakten auf eine Temperatur erhitzt, die zumindest hoch genug ist, die Strahlungsbeschädigungen des Schrittes (c) im wesentlichen auszuglühen und zwischen den Kontakten und dem Substrat eine Legierungsverbindung herzustellen.
13. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, dadurch g e kennzeichnet, daß Ionen in die Oberfläche eines Substrats implantiert und anschließend auf die Oberfläche eine diese hermetisch abschließende Schicht aus einem kombiniert anti-reflektierenden und einkapselnden Material aufgebracht.
14. Verfahren zur Herstellung von Kontakten für einen Halbleiterübergang, dad urch gekennzeichnet, daß auf einer Fläche eines η-Substrats durch eine Maske gemustertes Aluminium aufgebracht wird, daß in die Fläche p-Material implantiert wird,

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daß in hermetischer Weise auf die Fläche eine dünne Schicht von Al2O₃ aufgebracht wird und daß die Anordnung wärmebehandelt wird.
15. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, gekennzeichnet durch Aufbringen leitender Kontakte auf eine Fläche eines Siliciumsubstrats, Beschichten der Fläche mit einem sehr dünnen Film von Aluminium, Ablagern einer hermetischen Beschichtung einer dünnen A^O,-Schicht auf dem Film und Wärmebehandeln der gesamten Anordnung mit einer Temperatur, die ausreicht, um das Aluminium in das Siliciumsubstrat hinein zu legieren.
16. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Implantieren mit Verunreinigungselementionen dadurch ausgeführt wird, daß ein beschleunigter Ionenstrahl durch einen elektrostatischen Analysator geschickt wird und daß die Schicht in einer Dicke abgelagert wird, die ausreicht, um einen wesentlichen Teil wenigstens einer Art von Ionen des Ionenstrahls zu absorbieren, während die Verunreinigungselementenionen die Oberfläche des Substrats erreichen..

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