DE102007011749A1 - Solar cell manufacturing method, involves providing semiconductor substrate with pn-junction formed in it and removing dielectric layer in local areas by ultra short pulse laser with laser pulse duration of less than hundred picoseconds - Google Patents

Solar cell manufacturing method, involves providing semiconductor substrate with pn-junction formed in it and removing dielectric layer in local areas by ultra short pulse laser with laser pulse duration of less than hundred picoseconds Download PDF

Info

Publication number
DE102007011749A1
DE102007011749A1 DE102007011749A DE102007011749A DE102007011749A1 DE 102007011749 A1 DE102007011749 A1 DE 102007011749A1 DE 102007011749 A DE102007011749 A DE 102007011749A DE 102007011749 A DE102007011749 A DE 102007011749A DE 102007011749 A1 DE102007011749 A1 DE 102007011749A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
laser
dielectric layer
solar cell
semiconductor substrate
pulse laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102007011749A
Other languages
German (de)
Inventor
Peter Engelhart
Rainer Grischke
Tobias Neubert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Original Assignee
Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut fuer Solarenergieforschung GmbH filed Critical Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Priority to DE102007011749A priority Critical patent/DE102007011749A1/en
Publication of DE102007011749A1 publication Critical patent/DE102007011749A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/186Particular post-treatment for the devices, e.g. annealing, impurity gettering, short-circuit elimination, recrystallisation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0216Coatings
    • H01L31/02161Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02167Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0224Electrodes
    • H01L31/022408Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/30Organic material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

The method involves providing a semiconductor substrate with a pn-junction formed in it. The dielectric layer is removed in local areas by an ultra short pulse laser with a laser pulse duration of less than 100 picoseconds, particularly less than 50 picoseconds and stronger prefers less than 20 picoseconds.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen, bei dem eine an einer Oberfläche einer Solarzelle befindliche Dielektrikumschicht mittels eines Lasers lokal entfernt wird.The Invention relates to a process for the production of solar cells, one at a surface a solar cell located dielectric layer by means of a laser is removed locally.

Solarzellen dienen der Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Hierzu weist ein eine Solarzelle bildender Halbleiter Bereiche verschiedener Polarität auf. Beispielsweise kann ein Emitterbereich mit einer ersten Polarität aus einem n-Typ-Halbleiter gebildet sein, wohingegen ein Basisbereich mit einer zweiten Polarität aus einem p-Typ-Halbleiter gebildet sein kann. Durch den an der Grenzfläche zwischen den beiden Bereichen gebildeten pn-Übergang können Ladungsträgerpaare, die bei der Absorption auftreffenden Lichts gebildet werden, getrennt werden. Um die derart getrennten Ladungsträger einem externen Stromkreis zuführen zu können, sind der Basis- und der Emitterbereich durch Basis- und Emitterkontakte elektrisch kontaktiert.solar cells serve to convert light into electrical energy. For this purpose points a semiconductor cell forming semiconductor regions of different polarity. For example For example, an emitter region having a first polarity may be formed of an n-type semiconductor whereas a base region having a second polarity is one p-type semiconductor may be formed. By at the interface between the both areas formed pn junction can Charge carrier pairs, the light incident upon absorption is separated become. To the so separated charge carriers an external circuit respectively to be able to are the base and emitter regions through base and emitter contacts electrically contacted.

Viele Solarzellen weisen an zumindest einer ihrer Oberflächen eine optisch transparente Dielektrikumschicht auf. Beispielsweise kann eine Schicht aus Siliciumoxid (meist SiO2), Siliciumnitrid (z.B. Si3N4) oder eines anderen transparenten Dielektrikums oder Mischungen bzw. Schichtenfolgen davon an der Vorder- und/oder Rückseite einer Solarzelle abgeschieden sein. Als Verfahren zum Abscheiden solcher Dielektrikumschichten sind z.B. Aufdampfen, thermisches Aufwachsen, PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), LPCVD (Liquid Phase CVD) im industriellen Maßstab einsetzbar.Many solar cells have an optically transparent dielectric layer on at least one of their surfaces. For example, a layer of silicon oxide (usually SiO 2 ), silicon nitride (eg Si 3 N 4 ) or another transparent dielectric or mixtures or layer sequences thereof may be deposited on the front and / or back of a solar cell. As a method for depositing such dielectric layers, for example vapor deposition, thermal growth, PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), LPCVD (Liquid Phase CVD) can be used on an industrial scale.

Die Dielektrikumschichten können verschiedenen Zwecken dienen. Häufig werden sie als Oberflächenpassivierungsschicht dazu eingesetzt, die Oberfläche eines die eigentliche Solarzelle bildenden Halbleitersubstrats zu passivieren, um dort eine Rekombination von Ladungsträgerpaaren zu reduzieren und so den Wirkungsgrad der Solarzelle zu steigern. Die Dielektrikumschicht kann aber auch als Antireflexschicht dienen, wenn Ihre Schichtdicke entsprechend angepasst ist, um z.B. Reflexionen eingestrahlten Lichts an der der Sonne zugewandten Seite zu vermeiden und so ebenfalls den Wirkungsgrad der Solarzelle zu erhöhen. Dielektrikumschichten können auch während des Herstellungsprozesses einer Solarzelle eingesetzt werden, z.B. um bestimmte Bereiche während eines Prozessschrittes zu schützen. Beispielsweise können Bereiche eines Halbleitersubstrates während eines Diffusionsschrittes, bei dem z.B. in ein p-Typ-Substrat oberflächlich Dotanten eindiffundiert werden, um eine dünne n-Typ-Schicht als Emitterschicht zu bilden, vollständig oder teilweise gegen ein Eindiffundieren von Dotanten geschützt werden, indem diese Bereiche mit einer Dielektrikumschicht bedeckt werden.The Dielectric layers can serve different purposes. Often They are used as a surface passivation layer used to the surface a semiconductor substrate forming the actual solar cell passivate to there a recombination of carrier pairs to reduce and so increase the efficiency of the solar cell. The Dielectric layer can also serve as an antireflection layer, if your layer thickness is adjusted accordingly, e.g. reflections incident light on the sun-facing side to avoid and so also to increase the efficiency of the solar cell. dielectric layers can also while of the manufacturing process of a solar cell, e.g. around certain areas during to protect a process step. For example can Areas of a semiconductor substrate during a diffusion step, at the e.g. in a p-type substrate superficial Dopants are diffused to a thin n-type layer as an emitter layer to form, completely or partially protected against ingress of dopants, by covering these areas with a dielectric layer.

Bei den vielfältigen Anwendungen einer Dielektrikumschicht ist es häufig nötig, eine flächig aufgebrachte Dielektrikumschicht lokal zu öffnen, d.h. ganz oder teilweise lokal zu entfernen, um eine darunter liegende Schicht oder das darunter liegende Substrat freizulegen. Zum Beispiel muss bei einer typischen Solarzellenanwendung, bei der die Rückseite einer Solarzelle mit einer Dielektrikumschicht oberflächenpassiviert ist, die Dielektrikumschicht lokal geöffnet werden, um an den geöffneten Stellen feine Metallkontakte aufbringen zu können, die den unter der Dielektrikumschicht liegenden Halbleiter direkt elektrisch kontaktieren.at the diverse ones Applications of a dielectric layer, it is often necessary to apply a flat To open the dielectric layer locally, i.e. wholly or partially locally to remove an underlying Expose layer or underlying substrate. For example must in a typical solar cell application, when the back a surface of a solar cell with a dielectric layer is to open the dielectric layer locally to the open To be able to apply fine metal contacts that under the dielectric layer Contact directly lying semiconductor directly electrically.

Die Strukturgrößen der zu öffnenden Bereiche können dabei sehr klein sein, häufig im Bereich von 10μm bis zu wenigen hundert Mikrometern, sodass ein Entfernen der Dielektrikumschicht mit herkömmlichen mechanischen Mitteln kaum möglich ist.The Structure sizes of to open Areas can being very small, often in the range of 10μm up to a few hundred microns, so removing the dielectric layer with conventional hardly possible by mechanical means is.

Herkömmlich werden Dielektrikumschichten oft mit Hilfe von Lithographieverfahren lokal geöffnet. Dabei wird ein photoempfindlicher Lack auf die Dielektrikumschicht aufgebracht, lokal belichtet und anschließend werden die belichteten Bereiche des photoempfindlichen Lackes chemisch entfernt. Nachfolgend kann die Dielektrikumschicht in den Bereichen, die nicht mehr durch den Photolack geschützt sind, weggeätzt und somit lokal geöffnet werden. Auf diese Weise können heute bereits Strukturen von weit unter einem Mikrometer in Dielektrikumschichten eingeätzt werden. Lithographieverfahren sind jedoch teuer und arbeitsaufwendig.Become conventional Dielectric layers often with the help of lithography process locally open. there a photosensitive lacquer is applied to the dielectric layer, exposed locally and then The exposed areas of the photosensitive resist become chemically away. Subsequently, the dielectric layer in the areas that no longer protected by the photoresist, etched away and thus open locally become. That way you can Today structures of well below a micrometer in dielectric layers already etched become. However, lithographic processes are expensive and laborious.

Alternativ werden in den letzten Jahren bei der Solarzellenherstellung auch Laser eingesetzt, um Dielektrikumschichten lokal zu entfernen. Dabei wird ein hochenergetischer, kohärenter Laserstrahl auf den zu entfernenden Bereich der Dielektrikumschicht gerichtet. Die Verwendung dieser so genannten Laserablation bei der Solarzellenherstellung wird bereits erfolgreich dazu eingesetzt, um sowohl Siliciumnitridschichten als auch Siliciumoxidschichten lokal zu öffnen. Dabei werden häufig Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von z.B. λ = 1064nm, λ = 532nm oder λ = 355nm aber auch Excimerlaser (Gaslaser) mit einer Wellenlänge von z.B. λ = 248nm oder λ = 193nm verwendet. Die Laserstrahlquellen werden in Pulsmodus betrieben, damit hohe Pulsspitzenleistungen zur Verfügung stehen. Die Pulsdauern liegen meist im Nanosekundenbereich (z.B. τPuls = 20 ≅ 40ns).Alternatively, in the last few years, in the manufacture of solar cells, lasers are also used to locally remove dielectric layers. In this case, a high-energy, coherent laser beam is directed onto the region of the dielectric layer to be removed. The use of this so-called laser ablation in solar cell production is already successfully used to locally open both silicon nitride layers and silicon oxide layers. Frequently, solid-state lasers with a wavelength of, for example, λ = 1064 nm, λ = 532 nm or λ = 355 nm but also excimer lasers (gas lasers) with a wavelength of, for example, λ = 248 nm or λ = 193 nm are used. The laser beam sources are operated in pulse mode so that high pulse peak powers are available. The pulse durations are usually in the nanosecond range (eg τ pulse = 20 ≅ 40ns).

Wenn die Energie der Photonen in dem Laserstrahl größer ist als die Energiebandlücke des die Dielektrikumschicht bildenden Materials, d.h. wenn die Wellenlänge des Laserlichts kurz genug ist, können einzelne Photonen das Material der Dielektrikumschicht anregen und somit in der Dielektrikumschicht absorbiert werden. Die Dielektrikumschicht wird dabei stark erhitzt und schmilzt und verdampft letztendlich in den mit dem Laserstrahl bestrahlten Bereichen lokal. Mit Lasern mit Wellenlängen im UV-Bereich kann eine definierte Ablation von Siliciumnitridschichten erreicht werden, da diese in diesem Wellenlängenbereich gut absorbieren und somit ein direkter Abtrag möglich ist.If the energy of the photons in the laser beam is greater than the energy band gap of the dielectric layer forming material, ie if the wavelength of the laser light is short enough, individual photons may excite the material of the dielectric layer and thus be absorbed in the dielectric layer. The dielectric layer is heated to a great extent and melts and finally evaporates locally in the areas irradiated with the laser beam. With lasers with wavelengths in the UV range, a defined ablation of silicon nitride layers can be achieved, since they absorb well in this wavelength range and thus a direct removal is possible.

Bei Siliciumdioxidschichten findet jedoch bei Verwendung herkömmlicher Laser bis hin zu den derzeit im industriellen Einsatz technisch erreichbaren minimalen Wellenlängen von 193nm keine nennenswerte Absorption statt, da Siliciumdioxid eine sehr große Energiebandlücke von 9,3eV aufweist (entspricht λ = 133nm). Eine Siliciumdioxidschicht lässt sich mit den oben genannten herkömmlichen Laserstrahlquellen nur durch Aufschmelzen des unter der Schicht liegenden Siliziumsubstrates und anschließendes Erstarren abtragen. Die Ausdehnung der Siliciumschmeize bewirkt ein Abplatzen der darüber liegenden spröden Siliciumdioxidschicht. Dieser Vorgang lässt sich allerdings nur sehr ungenügend kontrollieren. Außerdem kann das Siliciumsubstrat durch das Aufschmelzen an der Oberfläche geschädigt werden. Es können Rekombinationszentren gebildet werden, was den Wirkungsgrad der letztendlich hergestellten Solarzelle senkt. Um eine solche Reduzierung des Wirkungsgrades zu vermeiden, müsste der beim Lasern thermisch entstandene Schaden nach dem Lasern durch Abätzen der beim Lasern geschmolzenen und anschließend wieder erstarrten Schicht entfernt werden. Dies ist jedoch nicht bei allen Herstellungssequenzen möglich, da z.B. bereits erzeugte Emitterschichten oder eine Metallisierung angegriffen werden könnten, und würde auf jeden Fall einen zusätzlich Arbeitsschritt bedeuten.at However, silicon dioxide layers are found using conventional Lasers up to the present in industrial use technically achievable minimum wavelengths no appreciable absorption of 193nm, because silica a very big one Energy band gap of 9.3eV (corresponds to λ = 133nm). A silicon dioxide layer can be with the above usual Laser beam sources only by melting the under the layer ablate lying silicon substrate and subsequent solidification. The expansion of Siliciumschmeize causes a flaking of the overlying brittle Silicon dioxide layer. This process, however, can only be very insufficient check. Furthermore For example, the silicon substrate may be damaged by the surface melting. It can Recombination centers are formed, which reduces the efficiency of the finally produced solar cell lowers. To such a reduction To avoid the efficiency, the laser would have to thermally resulting damage after lasering by etching the melted during laser and subsequently be removed again solidified layer. This is not possible for all production sequences, e.g. already generated Emitter layers or a metallization could be attacked, and would on definitely one extra Step mean.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einer an einer Oberfläche ausgebildeten Dielektrikumschicht bereitzustellen, bei dem die Dielektrikumschicht lokal entfernt werden kann, ohne dass insbesondere die oben beschriebenen Probleme auftreten. Insbesondere soll ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einem Verfahren für ein schädigungsarmes, kontrollierbares und direktes Abtragen von optisch transparenten Dielektrikumschichten vorgeschlagen werden.It It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a solar cell having a dielectric layer formed on a surface in which the dielectric layer is removed locally in particular without the problems described above occur. In particular, a method for producing a Solar cell with a method for a low-damage, Controllable and direct removal of optically transparent Dielectric layers are proposed.

Gemäß einem Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Es umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Halbleitersubstrates mit einem darin ausgebildeten pn-Übergang; Ausbilden einer im Wesentlichen optisch transparenten Dielektrikumschicht an einer Oberfläche des Halbleitersubstrates; und Entfernen der Dielektrikumschicht zumindest in lokalen Bereichen mittels eines Ultrakurzpulslasers mit einer Laserpulsdauer von weniger als 100ps. Laserpulsdauern von weniger als 50ps, stärker bevorzugt weniger als 20ps, noch stärker bevorzugt weniger als 10ps und weiterhin bevorzugt weniger als 1ps sind vorteilhaft.According to one Main aspect of the present invention is a method for manufacturing a solar cell according to claim 1 proposed. It includes the following steps: Deploy a semiconductor substrate having a pn junction formed therein; Forming a substantially optically transparent dielectric layer on a surface the semiconductor substrate; and removing the dielectric layer at least in local areas by means of an ultrashort pulse laser with a laser pulse duration of less than 100ps. Laser pulse durations less than 50ps, stronger preferably less than 20ps, even more preferably less than 10ps and more preferably less than 1ps are advantageous.

Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend detailliert beschrieben.characteristics and preferred embodiments The present invention will be described below in detail.

Das Halbleitersubstrat kann ein beliebiges Substrat sein, das aus einem halbleitenden Material gebildet ist. Für die Herstellung von Solarzellen im industriellen Maßstab werden bevorzugt Siliziumsubstrate verwendet. Diese können in Form eines Wafers oder als Dünnschichtsubstrat eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch mit beliebigen anderen Halbleitersubstraten angewendet werden.The Semiconductor substrate may be any substrate that consists of a semiconducting material is formed. For the production of solar cells on an industrial scale Silicon substrates are preferably used. These can be in Shape of a wafer or as a thin-film substrate be used. The inventive method can also with be applied to any other semiconductor substrates.

Der in dem Halbleitersubstrat ausgebildete pn-Übergang kann auf beliebige Art und Weise erzeugt worden sein. Ein bei der industriellen Fertigung gebräuchliches Verfahren ist, in einen Siliziumwafer mit einer Grunddotierung, z.B. einen Bordotierten p-Typ-Wafer, einen Dotanten wie z.B. Phosphor oberflächlich einzudiffundieren und so eine Emitterschicht vom entgegen gesetzten Leitungstyp, z.B. eine n-Typ-Emitterschicht, zu erzeugen. An der Grenzschicht der Emitterschicht zum Rest des Wafersubstrates bildet sich dabei ein pn-Übergang. Der pn-Übergang kann aber auch auf jede andere bekannte Weise erzeugt sein, wie z.B. durch Abscheiden einer zusätzlichen Emitterschicht auf ein Basissubstrat, Induzieren einer Emitter-Inversionsschicht in einem Basissubstrat, etc.Of the formed in the semiconductor substrate pn junction can be arbitrary Been created in the way. A common in industrial manufacturing Method is to place in a silicon wafer with a basic doping, e.g. a boron doped p-type wafer, a dopant such as e.g. Diffuse phosphorus superficially and so an emitter layer of the opposite conductivity type, e.g. a n-type emitter layer to produce. At the boundary layer of the emitter layer to the rest of the wafer substrate forms a pn junction. The pn junction but can also be generated in any other known manner, such as e.g. by depositing an additional Emitter layer on a base substrate, inducing an emitter inversion layer in a base substrate, etc.

Die an einer Oberfläche der Solarzelle ausgebildete Dielektrikumschicht kann eine Schicht aus einem beliebigen dielektrischen Material sein. Der Begriff „Dielektrikum" wird hierbei für elektrisch isolierende Materialien verwendet. Wie weiter unten noch detaillierter erläutert werden soll, ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft, wenn für die Dielektrikumschicht Siliciumdioxid oder ein anderes Dielektrikum mit einer großen Energiebandlücke verwendet wird. Die Dielektrikumschicht kann mit jedem beliebigen Verfahren aufgebracht sein, z.B. durch Aufdampfen, thermisches Aufwachsen, PECVD, LPCVD, APCVD (Atmospheric Pressure CVD), Aufsputtern, Aufdrucken dielektrischer Schichten z.B. mittels Siebdruck, etc.The on a surface The solar cell formed dielectric layer may be a layer be made of any dielectric material. The term "dielectric" is used here for electrical used insulating materials. As more detailed below explained is to be, the inventive method is particularly advantageous if for the Dielectric layer of silicon dioxide or another dielectric with a big one Energy band gap used becomes. The dielectric layer can be formed by any method be applied, e.g. by vapor deposition, thermal growth, PECVD, LPCVD, APCVD (Atmospheric Pressure CVD), sputtering, imprinting dielectric layers e.g. by screen printing, etc.

Die Dielektrikumschicht sollte im Wesentlichen optisch transparent sein. D.h., Umgebungslicht mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich, also mit Wellenlängen zwischen etwa 400 und 800nm, sollte annähernd ungehindert durch die Dielektrikumschicht hindurch transmittiert werden können ohne dass es zu einer nennenswerten Absorption käme.The Dielectric layer should be substantially optically transparent. That is, ambient light having wavelengths in the visible range, ie with wavelengths between about 400 and 800nm, should be approximate unimpeded transmitted through the dielectric layer can be without there being any appreciable absorption.

Die Dielektrikumschicht kann mit Hilfe eines Ultrakurzpulslasers lokal entfernt werden. Unter einem Ultrakurzpulslaser soll in diesem Zusammenhang ein Laser verstanden werden, bei dem Laserlicht in sehr kurzen Pulsen von weniger als 100ps (100 × 10-12s) abgestrahlt wird. Solche Laser werden auch als Pikosekundenlaser bezeichnet. Bei Energien von bis zu einigen Millijoule pro Laserpuls können mit Pikosekundenlasern Leistungen von bis zu 10MW und mehr erreicht werden. Bei so genannten Femtosekundenlasern, bei denen die Pulsdauern zwischen etwa 100fs und 1 ps (10-13 bis 10-12s) betragen, können sogar Leistungen von bis zu 20GW erreicht werden.The dielectric layer can be removed locally with the aid of an ultrashort pulse laser. An ultrashort pulse laser is to be understood in this context as a laser in which laser light is emitted in very short pulses of less than 100 ps (100 × 10 -12 s). Such lasers are also referred to as picosecond lasers. At energies of up to a few millijoules per laser pulse, picosecond laser powers of up to 10MW and more can be achieved. With so-called femtosecond lasers, where the pulse durations range between about 100 fs and 1 ps (10 -13 to 10 -12 s), even powers of up to 20GW can be achieved.

In den einzelnen Laserpulsen eines Ultrakurzpulslaser herrscht eine extrem hohe mittlere Energiedichte von beispielsweise mehr als 100mJ/cm2 und dementsprechend eine sehr hohe mittlere Lichtintensität von beispielsweise mehr als 10GW/cm2. Dabei ist die Photonendichte außerordentlich hoch. Werden solche Laserpulse auf die Dielektrikumschicht einer zu bearbeitenden Solarzelle eingestrahlt, treten in dem Material der Dielektrikumschicht so genannte Mehrphotonenprozesse auf. Diese werden häufig auch als nicht-lineare optische Effekte bezeichnet. Dabei heben mehrere Photonen quasi-gleichzeitig ein Elektron über die Bandlücke des Materials energetisch an, sodass es zur Absorption dieser Photonen kommt. Bemerkenswert dabei ist, dass die Energie jedes einzelnen von dem Kurzpulslaser emittierten Photons kleiner sein kann als die Energiebandlücke des Materials der Dielektrikumschicht. Auf diese Weise können mit einem Ultrakurzpulslaser auch Materialien bearbeitet werden, die unter normalen Bedingungen (d.h. bei Photonendichten, bei denen es kaum zu Mehrphotoneneffekten kommt) Licht bei der von dem Ultrakurzpulslaser ausgestrahlten Wellenlänge überhaupt nicht oder nur sehr schwach absorbieren würde.In the individual laser pulses of an ultrashort pulse laser, there is an extremely high average energy density of, for example, more than 100 mJ / cm 2 and, accordingly, a very high average light intensity of, for example, more than 10 GW / cm 2 . The photon density is extraordinarily high. If such laser pulses are irradiated onto the dielectric layer of a solar cell to be processed, so-called multiphoton processes occur in the material of the dielectric layer. These are often referred to as non-linear optical effects. Several photons quasi-simultaneously energize an electron across the band gap of the material, resulting in the absorption of these photons. It is noteworthy that the energy of each individual photon emitted by the short-pulse laser can be smaller than the energy band gap of the material of the dielectric layer. In this way, materials can also be processed with an ultrashort pulse laser which under normal conditions (ie photon densities in which there are hardly any multiphoton effects) would not absorb light at the wavelength emitted by the ultrashort pulse laser at all or only to a very low degree.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Ultrakurzpulslaser zum lokalen Entfernen einer Dielektrikumschicht liegt neben der hohen Laserleistung und der daraus resultierenden hohen Photonendichte in der Kürze der Laserpulse begründet. Die hohe Leistung des Lasers wird durch die durch die oben beschriebenen Mehrphotoneneffekte bewirkte Absorption auf die Elektronen der die Dielektrikumschicht bildenden Atome übertragen. Dabei können auch die Bindungen der Atome mit Nachbaratomen aufgebrochen werden und das jeweilige Atom somit aus dem Verbund mit den Nachbaratomen heraus gebrochen werden. Wenn die Dauer eines Laserpulses dabei sehr kurz ist, kann die Dauer der Wechselwirkung zwischen der Laserstrahlung und der Materie der Dielektrikumschicht zu kurz sein als das wesentliche Mengen von Energie in Form von Wärme von dem angeregten Atom auf den benachbarten Atomverbund übertragen werden könnten. Es kommt zur so genannten „kalten Ablation", bei der einzelne Atome durch einen Laserpuls aus dem Atomverbund herausgerissen werden, ohne dass es zu einer wesentlichen Erhitzung des verbleibenden Atomverbundes käme.One Another advantage of using an ultrashort pulse laser for local Removing a dielectric layer is adjacent to the high laser power and the resulting high photon density in the brevity of Laser pulses justified. The high power of the laser is achieved by the one described above Multiphoton effects caused absorption on the electrons of the Dielectric layer forming atoms transferred. It also can the bonds of the atoms with neighboring atoms are broken up and the respective atom is thus broken out of the bond with the neighboring atoms become. If the duration of a laser pulse is very short, can the duration of the interaction between the laser radiation and the Matter of the dielectric layer to be too short as the essential Quantities of energy in the form of heat from transferred the excited atom to the neighboring atomic network could become. It comes to the so-called "cold Ablation ", at the single atoms torn out of the atomic network by a laser pulse without causing any significant heating of the remaining Atomic Network would come.

Es ist der Anmelderin gelungen, eine auf eine Solarzelle aufgebrachte Siliciumdioxidschicht (Bandlücke von SiO2: 9,3eV, entspricht einer Wellenlänge von 133nm) mit Hilfe eines Neodym-Vanadate-Ultrakurzpulslasers lokal zu ablatieren. Der Nd-VAN-Laser (auch als Nd:YVO4-Pikosekundenlaser bezeichnet) hatte dabei eine Pulsdauer von etwa 10ps und eine mittlere Pulsleistung von etwa 28 bis 68mW. Die ursprüngliche Wellenlänge des Lasers von 1064nm wurde durch Frequenzverdopplung auf 532nm halbiert. Die Pulsenergie lag zwischen etwa 280 und 680nJ. Die mittlere Energiedichte war zwischen etwa 360 und 870mJ/cm2 und die mittlere Lichtintensität war zwischen etwa 36 und 87GW/cm2. Die Spotgröße des fokussierten Laserstrahls betrug etwa 10μm, wodurch Strukturen in der gleichen Größenordnung ablatiert werden konnten. Der Laser hatte eine Repetitionsrate von etwa 100kHz. Mit einem Ultrakurzpulslaser mit den vorangehenden Parametern konnte eine Siliciumdioxidschicht, wie sie typischerweise auf der Rückseite von Rückkontaktsolarzellen verwendet wird, mit eine Dicke in der Größenordnung von 100nm lokal mit einem einzigen Laserpuls ablatiert werden. Der Laser lässt sich daher in einfacher, bekannter Technik über die Solarzellenoberfläche scannen. Hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten sind möglich.The Applicant has succeeded in locally ablating a silicon dioxide layer applied to a solar cell (band gap of SiO 2 : 9.3 eV, corresponding to a wavelength of 133 nm) with the aid of a neodymium-vanadate ultrashort pulse laser. The Nd-VAN laser (also referred to as Nd: YVO 4 picosecond laser) had a pulse duration of about 10ps and an average pulse power of about 28 to 68mW. The original wavelength of the laser of 1064nm was halved by frequency doubling to 532nm. The pulse energy was between about 280 and 680nJ. The mean energy density was between about 360 and 870 mJ / cm 2 and the mean light intensity was between about 36 and 87 GW / cm 2 . The spot size of the focused laser beam was about 10μm, which allowed ablation of structures of the same order of magnitude. The laser had a repetition rate of about 100kHz. With an ultrashort pulse laser with the foregoing parameters, a silicon dioxide layer, typically used on the back side of back contact solar cells, could be ablated locally to a thickness of the order of 100 nm with a single laser pulse. The laser can therefore be scanned in a simple, known technique on the solar cell surface. High processing speeds are possible.

Alternativ kann im Labor auch ein Titan-Saphir-Laser verwendet werden, der Pulsdauern im Bereich von einigen Hundert Femtosekunden ermöglicht. Allerdings lässt die schwierige Handhabung eines Titan-Saphir-Lasers ihn bisher für den industriellen Einsatz ungeeignet erscheinen.alternative can also be used in the laboratory, a titanium sapphire laser, the Pulse durations in the range of a few hundred femtoseconds allows. However, lets the difficult handling of a titanium sapphire laser hitherto for the industrial Use inappropriate appear.

Mit dem oben beschriebenen Verfahren kann durch den Einsatz eines Ultrakurzpulslasers vermieden werden, dass sich beim lokalen Entfernen einer Dielektrikumschicht von der Oberfläche einer Solarzelle benachbarte Gebiete der Dielektrikumschicht oder darunter liegende Bereiche eines Substrat übermäßig erhitzen oder gar schmelzen. Letztendlich kann insbesondere eine den Wirkungsgrad einer Solarzelle mindernde Schädigung der Substratoberfläche verhindert werden.With The method described above can be achieved by the use of an ultrashort pulse laser to be avoided when locally removing a dielectric layer from the surface a solar cell adjacent areas of the dielectric layer or Overheat or even melt underlying areas of a substrate. Ultimately, in particular, the efficiency of a solar cell mitigating damage the substrate surface be prevented.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Solarzellen hergestellt werden, bei denen mittels eines Ultrakurzpulslasers eine an der Rückseite der Solarzelle aufgewachsene Siliciumdioxidschicht lokal geöffnet wurde. Hierbei kann sowohl auf eine photolithographische Maskierung wie auch auf nachfolgende Nasschemie, um z.B. beim Lasern entstandene Kristallschäden wegzuätzen, verzichtet werden.With the aid of the method according to the invention, solar cells can be produced in which a silicon dioxide layer grown on the rear side of the solar cell was locally opened by means of an ultrashort pulse laser. In this case, photolithographic masking as well as subsequent wet chemistry, for example, in order to etch away crystal damage that has arisen during laser cutting, is dispensed with become.

Claims (7)

Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, aufweisend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Halbleitersubstrates mit einem darin ausgebildeten pn-Übergang; Ausbilden einer optisch transparenten Dielektrikumschicht an einer Oberfläche des Halbleitersubstrates; gekennzeichnet durch Entfernen der Dielektrikumschicht zumindest in lokalen Bereichen mittels eines Ultrakurzpulslasers mit einer Laserpulsdauer von weniger als 100 Pikosekunden, vorzugsweise weniger als 50 Pikosekunden und stärker bevorzugt weniger als 20 Pikosekunden.A method of manufacturing a solar cell comprising the following steps: Providing a semiconductor substrate with a pn junction formed therein; Form an optically transparent dielectric layer on a surface of the Semiconductor substrate; marked by Removing the Dielectric layer at least in local areas by means of a Ultra short pulse laser with a laser pulse duration of less than 100 Picoseconds, preferably less than 50 picoseconds, and more preferably less than 20 picoseconds. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Energie eines einzelnen von dem Ultrakurzpulslaser emittierten Photons kleiner ist als die Energiebandlücke des Materials der Dielektrikumschicht.The method of claim 1, wherein the energy of a individual photons emitted by the ultrashort pulse laser become smaller is as the energy band gap the material of the dielectric layer. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Laserpuls des Ultrakurzpulslasers eine Leistung von mindestens etwa 1 MW aufweist.The method of claim 1 or 2, wherein a laser pulse of the ultrashort pulse laser has a power of at least about 1 MW. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die mittlere Intensität des Ultrakurzpulslasers mindestens etwa 10GW/cm2, vorzugsweise mindestens etwa 40GW/cm2 beträgt.The method of claim 1, 2 or 3, wherein the average intensity of the ultrashort pulse laser is at least about 10GW / cm 2 , preferably at least about 40GW / cm 2 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mittlere Energiedichte des Ultrakurzpulslasers mindestens etwa 100mJ/cm2, vorzugsweise mindestens etwa 400mJ/cm2 beträgt.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the average energy density of the ultrashort pulse laser is at least about 100mJ / cm 2 , preferably at least about 400mJ / cm 2 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dielektrikumschicht eine Siliciumdioxidschicht aufweist.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the dielectric layer has a silicon dioxide layer. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Kurzpulslaser ein Nd:VAN-Laser ist.Method according to one of claims 1 to 6, wherein the short-pulse laser an Nd: VAN laser is.
DE102007011749A 2006-09-05 2007-03-10 Solar cell manufacturing method, involves providing semiconductor substrate with pn-junction formed in it and removing dielectric layer in local areas by ultra short pulse laser with laser pulse duration of less than hundred picoseconds Withdrawn DE102007011749A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007011749A DE102007011749A1 (en) 2006-09-05 2007-03-10 Solar cell manufacturing method, involves providing semiconductor substrate with pn-junction formed in it and removing dielectric layer in local areas by ultra short pulse laser with laser pulse duration of less than hundred picoseconds

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006041598 2006-09-05
DE102006041598.1 2006-09-05
DE102007011749A DE102007011749A1 (en) 2006-09-05 2007-03-10 Solar cell manufacturing method, involves providing semiconductor substrate with pn-junction formed in it and removing dielectric layer in local areas by ultra short pulse laser with laser pulse duration of less than hundred picoseconds

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102007011749A1 true DE102007011749A1 (en) 2008-03-13

Family

ID=39047067

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102007011749A Withdrawn DE102007011749A1 (en) 2006-09-05 2007-03-10 Solar cell manufacturing method, involves providing semiconductor substrate with pn-junction formed in it and removing dielectric layer in local areas by ultra short pulse laser with laser pulse duration of less than hundred picoseconds

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102007011749A1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008015807A1 (en) * 2008-03-27 2009-10-22 Schott Solar Gmbh Process for structuring the zinc oxide front electrode layer of a photovoltaic module
DE102009026064A1 (en) 2009-06-29 2010-12-30 Reis Gmbh & Co. Kg Maschinenfabrik Method for exposing an electric contact covered by a layer consisting of plastic by a laser beam, comprises determining a layer of an electric contact by a sensor and removing the layer of plastic in a flat area
WO2011000814A2 (en) 2009-06-29 2011-01-06 Reis Gmbh & Co. Kg Maschinenfabrik Method for exposing an electrical contact
DE102009044022A1 (en) 2009-09-16 2011-03-24 Reis Gmbh & Co. Kg Maschinenfabrik Method for exposing electrical contact, involves determining location of electrical contact by sensor, where layer made of plastic is removed in flat area
US8013239B2 (en) 2002-08-29 2011-09-06 Day4 Energy Inc. Electrode for photovoltaic cells, photovoltaic cell and photovoltaic module
US8293568B2 (en) 2008-07-28 2012-10-23 Day4 Energy Inc. Crystalline silicon PV cell with selective emitter produced with low temperature precision etch back and passivation process

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4044222A (en) * 1976-01-16 1977-08-23 Western Electric Company, Inc. Method of forming tapered apertures in thin films with an energy beam
US5011565A (en) * 1989-12-06 1991-04-30 Mobil Solar Energy Corporation Dotted contact solar cell and method of making same
DE10326505A1 (en) * 2003-06-10 2005-01-13 Solarion Gmbh Process for removing material in the structuring of a thin layer semiconductor component used for photovoltaic cells comprises directing laser beam having selected pulse duration and wavelength on the layer side of the component

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4044222A (en) * 1976-01-16 1977-08-23 Western Electric Company, Inc. Method of forming tapered apertures in thin films with an energy beam
US5011565A (en) * 1989-12-06 1991-04-30 Mobil Solar Energy Corporation Dotted contact solar cell and method of making same
DE10326505A1 (en) * 2003-06-10 2005-01-13 Solarion Gmbh Process for removing material in the structuring of a thin layer semiconductor component used for photovoltaic cells comprises directing laser beam having selected pulse duration and wavelength on the layer side of the component

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8013239B2 (en) 2002-08-29 2011-09-06 Day4 Energy Inc. Electrode for photovoltaic cells, photovoltaic cell and photovoltaic module
DE102008015807A1 (en) * 2008-03-27 2009-10-22 Schott Solar Gmbh Process for structuring the zinc oxide front electrode layer of a photovoltaic module
US8293568B2 (en) 2008-07-28 2012-10-23 Day4 Energy Inc. Crystalline silicon PV cell with selective emitter produced with low temperature precision etch back and passivation process
DE102009026064A1 (en) 2009-06-29 2010-12-30 Reis Gmbh & Co. Kg Maschinenfabrik Method for exposing an electric contact covered by a layer consisting of plastic by a laser beam, comprises determining a layer of an electric contact by a sensor and removing the layer of plastic in a flat area
WO2011000814A2 (en) 2009-06-29 2011-01-06 Reis Gmbh & Co. Kg Maschinenfabrik Method for exposing an electrical contact
EP2449602A2 (en) * 2009-06-29 2012-05-09 Reis Group Holding GmbH & Co. KG Method for exposing an electrical contact
DE102009044022A1 (en) 2009-09-16 2011-03-24 Reis Gmbh & Co. Kg Maschinenfabrik Method for exposing electrical contact, involves determining location of electrical contact by sensor, where layer made of plastic is removed in flat area

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1319254B1 (en) Method for producing a semiconductor-metal contact through a dielectric layer
EP0536431B1 (en) Method for working a thin film device by laser
DE4324318C1 (en) Method for series connection of an integrated thin-film solar cell arrangement
DE4315959C2 (en) Method for producing a structured layer of a semiconductor material and a doping structure in a semiconductor material under the action of laser radiation
DE102009018112B3 (en) Method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, with a locally opened dielectric layer and corresponding semiconductor component
DE102007011749A1 (en) Solar cell manufacturing method, involves providing semiconductor substrate with pn-junction formed in it and removing dielectric layer in local areas by ultra short pulse laser with laser pulse duration of less than hundred picoseconds
DE102009044038A1 (en) Method for producing a contact region of an electronic component
DE112015002551T5 (en) Alignment-free solar cell metallization
WO2014023668A1 (en) Laser-based method and processing table for locally making contact with a semiconductor component
WO2010115730A1 (en) Method for producing solar cells having selective emitter
EP1927139B1 (en) Method for processing of solar cells having laser-written trench contacts
DE112014005604T5 (en) Solar cell emitter region fabrication using self-aligning implants and overcoats
KR101532721B1 (en) Spatially selective laser annealing applications in high-efficiency solar cells
EP2177302B1 (en) Method of removing layered material of a layered construction with a laser beam, with a preliminary grooving step and a removing step
WO2015071217A1 (en) Method for producing rear surface contact solar cells from crystalline silicon
DE10326505B4 (en) Laser scribing of thin-film semiconductor devices
DE19915666A1 (en) Method and device for selective contacting of solar cells
DE102012214253A1 (en) Laser-based method and processing table for metallizing the rear side of a semiconductor device
DE102019122637B4 (en) Process for producing a metallic contacting structure of a photovoltaic solar cell
WO2023041177A1 (en) Doping of a silicon substrate by laser doping with a subsequent high-temperature step
DE102008015807A1 (en) Process for structuring the zinc oxide front electrode layer of a photovoltaic module
DE4420434A1 (en) Solar modulus prodn. for converting solar light to electricity
DE102012017483A1 (en) Structuring first thin layer using laser, comprises applying first thin layer made of first material, on further second layer made of second material, in which first- and second materials exhibit different optical absorption coefficients
JP3374889B2 (en) Thin film processing method
EP3326211B1 (en) Method for producing structured contacts, which are arranged on one side, in a layer arrangement for a photovoltaic component

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8122 Nonbinding interest in granting licences declared
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R006 Appeal filed
R008 Case pending at federal patent court
R011 All appeals rejected, refused or otherwise settled
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20131001

R082 Change of representative

Representative=s name: QIP PATENTANWAELTE, DR. KUEHN & PARTNER MBB, DE