DE4416549A1 - Solarzelle und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Solarzelle und Verfahren zu deren Herstellung

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Description

Der Wirkungsgrad von Solarzellen mit einem monokristallinen Halbleiterkörper mit einem pn-Übergang hängt sowohl von der Lichtabsorption als auch von der Rekombination von Ladungs­ trägern im Halbleiterkörper sowie an dessen Oberfläche ab. Bei der Lichtabsorption werden Ladungsträgerpaare erzeugt, die im elektrischen Feld der Raumladungszone des pn-Übergangs getrennt werden. Durch vorzeitige Rekombination von Ladungs­ trägern gehen diese für die Stromerzeugung verloren. Rekombi­ nation von Ladungsträgern findet vor allem im Bereich von Kristallfehlern und von Oberflächen statt. Ein Maß für die Rekombination von Ladungsträgern im Volumen ist die Diffusi­ onslänge der Minoritätsladungsträger im Kristall. Eine große Diffusionslänge bedeutet einen qualitativ hochwertigen Kri­ stall, in dem wenig Rekombination von Ladungsträgern auf­ tritt. Eine kleine Diffusionslänge dagegen bedeutet hohe Re­ kombinationsrate
Die Rekombination an der Oberfläche des Halbleiterkörpers wird insbesondere bei Halbleiterkörpern aus monokristallinem Silizium, durch eine Passivierungsschicht reduziert. Es hat sich gezeigt (siehe zum Beispiel High efficiency silicon so­ lar cells, Ed. M. A. Green, Trans Tech Publications 1987, Seite 116), daß die Passivierung einer Siliziumoberfläche, die n⁺-dotiert ist, effektiver als die Passivierung einer Oberfläche, die p⁺-dotiert ist, erfolgen kann. Als Passivie­ rungsschicht ist dabei zum Beispiel SiO₂ geeignet.
Solarzellen mit guter Oberflächenpassivierung auf der Licht­ einfallsseite werden daher aus einem p-dotierten Halbleiter­ körper hergestellt, der auf der dem Lichteinfall zugewandten Oberfläche ein n⁺-dotiertes Gebiet aufweist. Die Tiefe des n⁺-dotierten Gebietes wird so dimensioniert, daß der größte Teil des Lichts im Bereich des aus n⁺-dotiertem Gebiet und p-dotiertem Halbleiterkörper gebildeten pn-Übergang absorbiert wird und damit hauptsächlich in diesem Bereich Ladungsträger­ paare gebildet werden. Im Bereich der Raumladungszone des pn-Übergangs werden die Ladungsträgerpaare getrennt und tragen zum Solarstrom bei. Ein Teil des Lichtes dringt tiefer in den Halbleiterkörper ein und wird erst dort unter Bildung von La­ dungsträgerpaaren absorbiert. Diese Ladungsträgerpaare dif­ fundieren im Halbleiterkörper mit zufälliger Richtung bis sie in den Bereich des elektrischen Feldes der Raumladungszone gelangen und getrennt werden oder bis sie durch Rekombination verlorengehen. Damit auch diese Ladungsträger zum Solarstrom beitragen wird für Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad ein Halbleiterkörper mit großer Diffusionslänge verwendet. Diese Halbleiterkörper sind jedoch wegen der erforderlichen Kri­ stallgüte teuer.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Solarzelle an­ zugeben bei der auch bei Verwendung von Halbleiterkörpern mit geringerer Diffusionslänge ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Ferner liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Herstellungsverfahren für eine solche Solarzelle anzugeben.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Solar­ zelle nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstel­ lung nach Anspruch 6. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.
Die erfindungsgemäße Solarzelle umfaßt einen monokristallinen Halbleiterkörper mit einem pn-Übergang, in den das Licht hauptsächlich über eine erste Hauptfläche eingestrahlt wird. Im Bereich der ersten Hauptfläche weist der Halbleiterkörper ein n⁺-dotiertes Gebiet auf. Im Bereich einer zweiten Haupt­ fläche, die der ersten Hauptfläche gegenüberliegt, weist der Halbleiterkörper Vertiefungen auf. An die zweite Hauptfläche angrenzend ist ein p⁺-dotiertes Gebiet angeordnet, das ent­ lang der Oberfläche der Vertiefungen in der zweiten Hauptflä­ che gefaltet ist. Der Halbleiterkörper ist n-dotiert, so daß der pn-Übergang entlang der Oberfläche der Vertiefungen in der zweiten Hauptfläche gefaltet ist. Diese Faltung des pn-Überganges vergrößert den Bereich des Halbleiterkörpers, in dem das elektrische Feld der Raumladungszone des pn-Übergan­ ges zur Ladungssammlung wirksam ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Vertiefungen in Form von Poren auszubilden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, einen Halbleiterkörper aus monokristallinem Silizium mit n-Dotierung, wobei die Dotierstoffkonzentration im Bereich zwi­ schen 10¹⁶ cm-3 und 10¹⁷ cm-3 liegt, zu verwenden und die Po­ ren durch elektrochemisches Ätzen in einem sauren, fluorid­ haltigen Elektrolyten, mit dem die zweite Hauptfläche, in der die Poren erzeugt werden, in Kontakt gebracht wird, herzu­ stellen.
Bei der elektrochemischen Atzung wird zwischen den Elektroly­ ten und den Halbleiterkörper eine Spannung angelegt. Dabei wird der Halbleiterkörper als Anode verschaltet. Dadurch be­ wegen sich Minoritätsladungsträger in dem n-dotierten Sili­ zium zu der mit dem Elektrolyten in Kontakt stehenden zweiten Hauptfläche. An der zweiten Hauptfläche bildet sich während der Ätzung eine Raumladungszone aus. Da die Feldstärke im Bereich von Vertiefungen in der zweiten Hauptfläche größer ist als außerhalb davon, bewegen sich die Minoritätsladungs­ träger bevorzugt zu diesen Punkten. Dadurch findet die Reak­ tion hauptsächlich an diesen Punkten statt. Das bewirkt eine Strukturierung der zweiten Hauptfläche.
Je tiefer eine anfänglich kleine Unebenheit durch die Ätzung wird, desto mehr Minoritätsladungsträger bewegen sich wegen der vergrößerten Feldstärke dorthin und desto stärker ist der Ätzangriff an dieser Stelle. Dadurch kommt es zur Ausbildung von tiefen Poren.
Die Poren wachsen in der kristallographischen <100<-Richtung. Damit die Poren senkrecht zur zweiten Hauptfläche wachsen, ist es vorteilhaft, einen Halbleiterkörper mit <100<-Orien­ tierung zu verwenden.
Da der Ätzangriff beim elektrochemischen Ätzen stets am Boden der Pore erfolgt, können auf diese Weise Poren erzeugt wer­ den, deren Tiefe erheblich größer als ihr Durchmesser ist.
Die Anordnung der Poren beim elektrochemischen Ätzen kann da­ durch vorgegeben werden, daß die zweite Hauptfläche vor der elektrochemischen Atzung gezielt mit Vertiefungen versehen wird. Dieses erfolgt zum Beispiel mit Hilfe einer Photolitho­ graphie und anschließendem alkalischem Ätzen.
Vorzugsweise werden die Poren in der zweiten Hauptfläche so angeordnet, daß benachbarte Poren einen Abstand kleiner oder gleich der Diffusionslänge des Halbleiterkörpers aufweisen. Die Tiefe der Poren wird so bemessen, daß der Abstand des Po­ renbodens von der ersten Hauptfläche, durch die der Licht­ einfall erfolgt, kleiner oder gleich der Diffusionslänge ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß praktisch der gesam­ te Halbleiterkörper im Einfluß des elektrischen Feldes der Raumladungszone des pn-Überganges liegt. Dadurch wird die Rekombination von Ladungsträgern im Volumen des Halbleiter­ körpers deutlich vermindert. Auf diese Weise kann auch bei Verwendung eines Halbleiterkörpers aus geringerwertigem, monokristallinem Silizium, das Fehlstellen aufweist und das eine Diffusionslänge von 100 bis 200 µm aufweist, ein Wir­ kungsgrad im Bereich zwischen 12 Prozent und 17 Prozent er­ zielt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels und der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Halbleiterkörper mit einem n⁺-dotierten Gebiet.
Fig. 2 zeigt den Halbleiterkörper nach Abscheidung einer Passivierungsschicht.
Fig. 3 zeigt den Halbleiterkörper nach Strukturierung der Passivierungsschicht.
Fig. 4 zeigt den Halbleiterkörper nach Erzeugung von einer Oberflächentopologie im Bereich einer zweiten Haupt­ fläche.
Fig. 5 zeigt den Halbleiterkörper nach Bildung von Poren durch elektrochemisches Ätzen.
Fig. 6 zeigt den Halbleiterkörper nach Erzeugung einer strahlungsdurchlässigen ersten Elektrode auf einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Elektrode auf der zweiten Hauptfläche.
Zur Herstellung der Solarzelle wird als Halbleiterkörper 1 zum Beispiel eine Scheibe aus n-dotiertem, monokristallinem Silizium mit zum Beispiel <100<-Orientierung und folgenden Abmessungen: Dicke: 0,5 mm, Durchmesser: 10 cm bis 15 cm ver­ wendet. Der Halbleiterkörper 1 weist eine Dotierstoffkonzen­ tration von zum Beispiel 10¹⁶ cm-3 auf. Der Halbleiterkörper 1 hat eine Diffusionslänge von 100 bis 200 µm. Der Halblei­ terkörper 1 weist eine erste Hauptfläche 11 und eine dieser gegenüberliegende zweite Hauptfläche 12 auf (siehe Fig. 1). Durch die erste Hauptfläche 11 erfolgt im Betrieb der we­ sentliche Lichteinfall.
An der gesamten Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 wird eine n⁺-dotierte Schicht durch Eindiffusion hergestellt. In der n⁺-dotierten Schicht 2 wird eine Dotierstoffkonzentration von zum Beispiel 10²⁰ cm-3 eingestellt. Die n⁺-dotierte Schicht weist eine Ausdehnung senkrecht zur Oberfläche des Halblei­ terkörpers 1 von zum Beispiel 0,5 µm auf.
Anschließend wird ganz flächig eine Passivierungsschicht 3 aufgebracht (siehe Fig. 2). Die Passivierungsschicht 3 be­ steht zum Beispiel aus einer 5 nm dicken SiO₂-Schicht, die auf der Oberfläche der n⁺-dotierten Schicht 2 angeordnet ist, und einer 75 nm dicken Si₃N₄-Schicht. Die Passivierungs­ schicht 3 wirkt als rekombinationsarmer Belag im Bereich der ersten Hauptfläche 11 sowie als Antireflektionsschicht.
Unter Verwendung einer photolithographisch hergestellten Pho­ tolackmaske (nicht dargestellt) wird durch Ätzen in HF die Passivierungsschicht 3 im Bereich der zweiten Hauptfläche 12 strukturiert (siehe Fig. 3).
Durch alkalisches Ätzen zum Beispiel mit KOH, wobei die strukturierte Passivierungsschicht 3 als Maske wirkt, wird die zweite Hauptfläche 12 mit einer Oberflächentopologie ver­ sehen. Die Oberflächentopologie 4 umfaßt eine Vielzahl von Unebenheiten, die an solchen Orten angeordnet sind, an denen später Poren erzeugt werden sollen. Die Unebenheiten der Oberflächentopologie 4 werden so tief geätzt, daß die n⁺-do­ tierte Schicht 2 durchätzt wird.
Anschließend wird die zweite Hauptfläche 12 des Halbleiter­ körpers 1 mit einem Elektrolyten in Kontakt gebracht. Der Elektrolyt ist fluoridhaltig und sauer. Er enthält eine Fluß­ säurekonzentration von 1 bis 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise 4 Gewichtsprozent. Dem Elektrolyten kann ein Oxidationsmit­ tel, zum Beispiel Wasserstoffsuperoxid, zugesetzt werden, um die Entwicklung von Wasserstoffbläschen auf der zweiten Hauptfläche 12 des Halbleiterkörpers 1 zu unterdrücken. Zwi­ schen den Halbleiterkörper 1 und den Elektrolyten wird eine Spannung von zum Beispiel 2 Volt angelegt. Der Halbleiterkör­ per 1 wird über die n⁺-dotierte Schicht 2 kontaktiert. Dabei wird der Halbleiterkörper 1, der zum Beispiel einen spezifi­ schen Widerstand von 5 Ohm · cm aufweist, als Anode ver­ schaltet. Der Halbleiterkörper 1 wird von der ersten Haupt­ fläche 11 her beleuchtet. Durch die Beleuchtung wird bei der elektrochemischen Ätzung in dem Halbleiterkörper 1 eine Stromdichte von 0,4 mA/cm² eingestellt. Die Ätzung wird wäh­ rend etwa 6 Stunden durchgeführt. Nach dieser Ätzzeit sind in der zweiten Hauptfläche 12 des Halbleiterkörpers 1 Poren 5 entstanden, die einen Durchmesser von zum Beispiel 10 µm aufweisen. Die Tiefe der Poren 5 ist so groß, daß der Abstand zwischen dem Boden der Poren 5 und der ersten Hauptfläche 11 zum Beispiel 30 um beträgt. Bedingt durch die Ober­ flächentopologie 4 beträgt der Abstand zwischen benachbarten Poren 5 60 bis 100 µm.
An der Oberfläche der Poren 5 wird zum Beispiel durch Gaspha­ sendiffusion von Bor ein p⁺-dotiertes Gebiet 6 hergestellt. Das p⁺-dotierte Gebiet weist eine Dotierstoffkonzentration von zum Beispiel 10¹⁹ bis 10²⁰ cm-3 auf. Die Tiefe des p⁺-do­ tierten Gebiets 6 jeweils senkrecht zur Oberfläche beträgt zum Beispiel 1 µm (siehe Fig. 5). Bei der Gasphasendiffusion wirkt die Passivierungsschicht als Maske.
Bei dem elektrochemischen Atzen zur Bildung der Poren 5 und der anschließenden Gasphasendiffusion zur Bildung des p⁺-do­ tierten Gebietes 6 wird der im Bereich der zweiten Hauptflä­ che 12 angeordnete Teil der n⁺-dotierten Schicht 2 im wesent­ lichen entfernt, so daß aus der n⁺-dotierten Schicht 2 ein n⁺-dotiertes Gebiet 2′ entsteht, das an die erste Hauptfläche 11 angrenzt. Zwischen dem p⁺-dotierten Gebiet 6 und dem n⁺-dotierten Gebiet 2′ ist, außer an den Kanten des p⁺-dotierten Gebietes 6, das n-dotierte Ausgangsmaterial des Halbleiter­ körpers 1 angeordnet.
Zur Fertigstellung der Solarzelle wird mit Hilfe einer weite­ ren Photolackmaske (nicht dargestellt) im Bereich der ersten Hauptfläche 11 Kontakte zu dem n⁺-dotierten Gebiet 2′ geöff­ net. Diese Kontaktlöcher werden mit einer strahlungsdurchläs­ sigen ersten Elektrode 7 versehen. Die strahlungsdurchlässige erste Elektrode 7 wird zum Beispiel als strukturierte Metall­ schicht, vorzugsweise aus Silber oder Aluminium, gebildet.
Eine solche strukturierte Metallelektrode wird vielfach als Grid bezeichnet.
Auf der zweiten Hauptfläche 12 wird eine zweite Elektrode 8 zum Beispiel durch Siebdruck unter Verwendung einer Silber­ leitpaste hergestellt.
Zur Verbesserung des Reflexionsverhaltens der ersten Haupt­ fläche 11, durch die der wesentliche Lichteinfall in die So­ larzelle erfolgt, kann die erste Hauptfläche 11 vor der Ab­ scheidung der Passivierungsschicht 3 durch eine zusätzliche Atzung, zum Beispiel alkalisch mit KOH, aufgerauht werden.
Um auch den Lichteinfall von am Hintergrund der Solarzelle reflektierten Lichtes über die zweite Hauptfläche 12 zu er­ möglichen, kann auch die zweite Elektrode 8 strukturiert werden. Für diesen Lichteinfall ist die Solarzelle jedoch be­ züglich Rekombination nicht optimiert.

Claims (10)

1. Solarzelle
  • - mit einem monokristallinen Halbleiterkörper (1) mit einem pn-Übergang,
  • - mit einem n⁺-dotierten Gebiet (2′), das an eine erste Hauptfläche (11) angrenzt, über die der Lichteinfall im we­ sentlichen erfolgt,
  • - mit einer strahlungsdurchlässigen ersten Elektrode (7), die auf der Oberfläche des n⁺-dotierten Gebietes (2′) angeord­ net ist,
  • - mit einer zweiten Hauptfläche (12), die der ersten Haupt­ fläche (11) gegenüberliegt und die in den Halbleiterkörper (1) hineinreichende Vertiefungen (5) aufweist,
  • - mit einem p⁺-dotierten Gebiet (6), das entlang der Oberflä­ che der Vertiefungen (5) in der zweiten Hauptfläche (12) gefaltet ist, so daß der pn-Übergang gefaltet ist,
  • - mit einer zweiten Elektrode (8), die auf der zweiten Haupt­ fläche (12) angeordnet ist.
2. Solarzelle nach Anspruch 1,
  • - bei der die Vertiefungen in der zweiten Hauptfläche (12) als Poren (5) ausgebildet sind,
  • - bei der der Abstand benachbarter Poren (5) kleiner oder gleich der Diffusionslänge im Halbleiterkörper (1) ist.
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erste Hauptfläche (11) mit einer Passivierungs­ schicht (3) versehen ist.
4. Solarzelle nach Anspruch 3,
  • - bei der der Halbleiterkörper (1) aus n-dotiertem, monokri­ stallinem Silizium mit einer Dotierstoffkonzentration im Bereich zwischen 10¹⁶ cm-3 und 10¹⁷ cm-3 besteht,
  • - bei dem das n⁺-dotierte Gebiet (2′) eine Dotierstoffkonzen­ tration im Bereich zwischen 10¹⁹ cm-3 und 10²⁰ cm-3 und das p⁺-dotierte Gebiet (6) eine Dotierstoffkonzentration im Bereich zwischen 10¹⁹ cm-3 und 10²⁰ cm-3 aufweisen,
  • - bei der die Passivierungsschicht (3) SiO₂ enthält.
5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die zweite Elektrode (8) strukturiert ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle,
  • - bei dem ein Halbleiterkörper (1) aus n-dotiertem, monokri­ stallinem Silizium an einer ersten Hauptfläche (11) mit ei­ nem n⁺-dotierten Gebiet (2′) versehen wird,
  • - bei dem in einer zweiten, der ersten gegenüberliegenden Hauptfläche (12) durch elektrochemisches Atzen in einem fluoridhaltigen, sauren Elektrolyten, mit dem die zweite Hauptfläche (12) in Kontakt steht und zwischen dem und dem Halbleiterkörper (1) eine elektrische Spannung so angelegt wird, daß der Halbleiterkörper (1) als Anode verschaltet ist und daß in dem Halbleiterkörper (1) eine den Ätzabtrag beeinflussende Raumdichte eingestellt wird, Poren (5) er­ zeugt werden,
  • - bei dem in der zweiten Hauptfläche (12) ein p⁺-dotiertes Gebiet (6) so erzeugt wird, daß ein entlang der Oberfläche entlang der Poren (5) gefalteter pn-Übergang gebildet wird,
  • - bei dem die erste Hauptfläche (11) mit einer strahlungs­ durchlässigen ersten Elektrode (7) und die zweite Hauptflä­ che (12) mit einer zweiten Elektrode (8) versehen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
  • - bei dem der Elektrolyt 1 bis 50 Gewichtsprozent Flußsäure (HF) enthält,
  • - bei dem der Halbleiterkörper (1) während der elektroche­ mischen Ätzung von der ersten Hauptfläche (11) her beleu­ chtet wird, um die Stromdichte im Halbleiterkörper (1) ein­ zustellen.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die zweite Hauptfläche (12) des Halbleiterkörpers (1) vor der elektrochemischen Ätzung mit einer Oberflächentopo­ logie versehen wird, durch die die Anordnung der Poren (5) vorgegeben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das p⁺-dotierte Gebiet (6) durch Gasphasendiffusion gebildet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem der Halbleiterkörper (1) eine Dotierstoffkonzentra­ tion im Bereich zwischen 10¹⁶ cm-3 und 10¹⁷ cm-3, das n⁺-do­ tierte Gebiet (2′) eine Dotierstoffkonzentration zwischen 10¹⁹ cm-3 und 10²⁰ cm-3 und das p⁺-dotierte Gebiet (6) eine Dotierstoffkonzentration zwischen 10¹⁹ cm-3 und 10²⁰ cm-3 aufweist.
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