DE19508712A1 - Solarzelle mit Back-Surface-Field und Verfahren zur Herstellung - Google Patents
Solarzelle mit Back-Surface-Field und Verfahren zur HerstellungInfo
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Description
Beim Versuch, die Dicke von Siliziumsolarzellen zu
reduzieren, wird ein abnehmender Wirkungsgrad der Solarzelle
beobachtet. Dies ist zum einen auf die bei dünnerer Absorpti
onslänge nicht mehr vollständige Absorption des Sonnenlichts
zurückzuführen. Zum anderen werden vermehrt Ladungsträger in
der Nähe der Rückseite erzeugt, wobei Minoritätsladungsträger
durch Diffusion die Rückelektrode erreichen können und
dadurch den durch die Majoritätsladungsträger erzeugten Strom
reduzieren.
Durch eine hochdotierte Schicht auf der Rückseite ist es
möglich, ein der Diffusion der Minoritätsladungsträger entge
genwirkendes Feld, ein sogenannten Back-Surface-Field zu
erzeugen. Bei einem Solarzellenaufbau mit einem p-dotierten
Solarzellenkörper und einem n⁺-dotierten Emitter an der
Lichteinfalls- bzw. Vorderseite der Solarzelle ist dazu eine
p⁺-Dotierung an der Rückseite erforderlich. Zu deren Erzeu
gung wird vielfach Aluminium vorgeschlagen, welches sich als
dünne Schicht zum Beispiel durch Aufdampfen auf der Rückseite
aufbringen und durch einen Temperschritt eintreiben bzw.
einlegieren läßt. Möglich ist es auch, die p⁺-Dotierung durch
das Aufbringen aluminiumhaltiger Rückkontakte und
entsprechendes Eintreiben des Aluminiums zu erzeugen. Möglich
ist es auch, Aluminium aus einer Feststoff-Diffusionsquelle
in das Solarzellensubstrat einzudiffundieren. Dies ist aller
dings mit dem Nachteil verbunden, daß das Solarzellensubstrat
auf beiden Seiten aluminiumdotiert wird, wobei eine p⁺pp⁺-
Struktur erzeugt wird.
Auch Bor ist zur Erzeugung einer p-Dotierung geeignet. Ein
entsprechendes Back-Surface-Field kann dabei durch Gasdiffu
sion einer entsprechend flüchtigen bzw. gasförmigen Borver
bindung, durch Aufbringen einer borhaltigen Siliziumschicht
auf der Rückseite oder durch Aufbringen einer flüssigen
dotierstoffhaltigen Lösung erzeugt werden. Bei den für das
Eintreiben der Dotierung erforderlichen Temperaturen wird
jedoch aufgrund der hohen Flüchtigkeit der Borverbindungen
stets eine Rundum-Diffusion beobachtet, die durch eine Mas
kierung der nicht zu dotierenden Solarzellenbereiche verhin
dert werden muß.
Die verfahrensmäßig einfach herzustellende p⁺-Dotierung mit
Aluminium hat den Nachteil einer erhöhten Korrosionsanfällig
keit. Im Laufe der Zeit können sich aluminiumhaltige Schicht
bereiche zersetzen und ablösen, was zur Beschädigung der
Rückseitenkontakte und zur Reduzierung der Solarzellenlei
stung führen kann.
Problem der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren
zum Herstellen eines Back-Surface-Fields bei einer Silizium
solarzelle anzugeben, welches ohne großen Aufwand in ein
herkömmliches Herstellverfahren für Solarzellen integriert
werden kann, welches einfach und sicher durchzuführen ist und
welches zu einer langzeitstabilen Solarzelle mit reduzierter
Korrosionsanfälligkeit führt. Mit dem Verfahren soll es mög
lich sein, mit Hilfe dünnerer Solarzellen Siliziummaterial
einzusparen und dennoch einen höheren Solarzellenwirkungsgrad
zu erreichen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach
dem Anspruch 1 gelöst. Eine so hergestellte Solarzelle ist
dem Anspruch 9 zu entnehmen, während weitere Ausgestaltungen
der Erfindung den Unteransprüchen zu entnehmen sind.
Grundlegende Idee der Erfindung ist es, die p⁺-Dotierung des
Back-Surface-Fields durch Austreiben von Bor aus einer bor
haltigen Diffusionsquellenschicht zu erzeugen. Die nicht
gewünschte Dotierung von Rändern und Vorderseite des Wafers
wird verhindert, indem das Austreiben in einer sauerstoffhal
tigen Atmosphäre bei hohen Temperaturen von 900 bis 1200°C
vorgenommen wird. Unter diesen Bedingungen bildet sich an
Rändern und Vorderseite des Wafers sofort eine Oxidschicht
aus, die zur Maskierung dient und damit die unerwünschte
Dotierung an diesen Stellen verhindert. Nach dem Eintreiben
kann sowohl Oxid- als auch die Diffusionsquellschicht durch
einen einfachen Ätzschritt entfernt werden.
Die Erzeugung des Back-Surface-Fields (BSF) erfolgt somit vor
der Erzeugung des Halbleiterübergangs, also vor der Eindiffu
sion von Phosphor auf der Vorderseite der Solarzelle. Die
gewählten hohen Temperaturen sorgen für ein tiefes Eintreiben
der Bordotierung. Diese ist dann auch gegenüber sämtlichen
folgenden Herstellungsschritten der Solarzelle stabil, welche
bei deutlich niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich bei der Her
stellung des Übergangs durch Eindiffusion von Phosphor. Diese
kann rundum, also auf beiden Seiten und an den Rändern des
Wafers erfolgen. Es ist also auch für die Phosphordiffusion
weder eine Maskierung noch eine Abdeckung von Schichtberei
chen erforderlich, um eine unerwünschte Dotierung in bestimm
ten Bereichen auszuschließen. Die tief eingetriebene BSF-
Dotierung wird nur oberflächlich vom Phosphor überkompen
siert.
Mit dem aluminiumhaltigen Material des Rückseitenkontakts
wiederum gelingt es, beim Einbrennen des Rückseitenkontakts
zur p⁺-Schicht durchzukontaktieren und dabei im Bereich des
Rückseitenkontakt die n⁺-Schicht wieder zu kompensieren. Der
Rückseitenkontakt kann dabei strukturiert oder ganzflächig
aufgebracht werden.
Die Diffusionsquellschicht ist eine borhaltige Schicht, aus
der sich das Bor thermisch austreiben läßt. Vorzugsweise wird
die Diffusionsquellschicht mit Hilfe eines Bordotierlacks
aufgebracht. Dieser enthält neben Bor oder seinen Verbindun
gen noch pulvriges SiO₂ in einer Aufschlämmung. Dieser Do
tierlack dient üblicherweise zum Erzeugen hoher Dotierungen
bei Leistungshalbleitern. Er kann flüssig aufgebracht und
beispielsweise aufgeschleudert werden.
Vorzugsweise ist die Rückseite der Solarzelle hydrophob und
damit oxidfrei eingestellt. Auf diese Oberfläche wird der
Dotierlack in möglichst dünner Schicht aufgebracht und ge
trocknet. Dadurch wird verhindert, daß die Diffusionsquell
schicht beim Eintreiben Risse bildet oder gar abplatzt. Mit
einer homogenen und unbeschädigten Diffusionsquellenschicht
wird eine homogene Dotierung der Rückseite erreicht.
Das Eintreiben des Bors aus der Diffusionsquellschicht in die
Solarzelle erfolgt bei 900 bis 1200°C, vorzugsweise bei 1000
bis 1100°C. Dieser Bereich liegt unter den 1280°C, die vom
Hersteller des Dotierlacks für die Anwendung vorgeschlagen
werden. Dennoch liegt die Eintreibtemperatur höher, als es
bei Solarzellen bisher üblich war.
Für die Anwendung von Bordotierlack wurde bisher vorgeschla
gen, die Bauelemente bzw. Wafer einseitig mit dem Lack zu
beschichten und so in einem Stapel übereinander zu legen, daß
dabei jeweils zu dotierende bzw. nicht zu dotierende Oberflä
chen übereinander zu liegen kommen. So soll eine Dotierung
der jeweils gegenüberliegenden Oberfläche verhindert werden,
ohne daß eine Maskierung erforderlich ist. Dieses vorgeschla
gene Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die Bauelemente
bzw. Wafer bei den hohen erforderlichen Eintreibtemperaturen
zusammenbacken und anschließend mechanisch oder chemisch
voneinander getrennt werden müssen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist weder eine Maskierung
noch eine Abdeckung der nicht zu dotierenden Bereiche durch
Stapeln erforderlich. Beim Eintreiben der Dotierung sind die
Solarzellen (Wafer) im Abstand zueinander angeordnet, so daß
kein Zusammenbacken erfolgen kann.
Beim Eintreiben der Dotierung muß die Atmosphäre sauerstoff
haltig sein. Vorzugsweise wird unter reiner Sauerstoffatmo
sphäre gearbeitet. Damit sich die Oxidschicht sofort ausbil
den kann, werden die Solarzellen direkt in einen auf die Ein
treibtemperatur vorgeheizten Ofen eingebracht. Nach der
schnellen Ausbildung des Oxids kann die Sauerstoffatmosphäre
durch andere Gase, beispielsweise durch Stickstoff ersetzt
werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt
sich aus der hohen Affinität einer Oxidschicht gegenüber Bor,
die größer ist als diejenige von Silizium gegenüber Bor. Dies
bewirkt, daß gegebenenfalls beim Eintreiben der Dotierung in
die Atmosphäre entweichendes flüchtiges Bor
von der Oxidschicht absorbiert wird und nur geringfügig in
die von der Bordotierung auszuschließenden Oberflächenberei
che eindringen kann.
Nach dem Abkühlen werden sowohl Diffusionsquellschicht als
auch Oxidschicht entfernt, beispielsweise durch einen HF-Dip.
Der für die Solarzelle erforderliche Halbleiterübergang wird
durch Eindiffusion von Phosphor erzeugt. Dies kann durch
Rundumdiffusion erfolgen, wobei neben der n⁺-dotierten Emit
terschicht auf der Vorderseite auch auf der Rückseite ein
flacher n⁺-dotierter Schichtbereich entsteht. Da bei der
Eindiffusion des Phosphors bei ca. 800 bis 900°C eine wesent
lich niedrigere Temperatur als beim Eintreiben des Bors
eingestellt wird, bleibt auf der Rückseite der Solarzelle die
mit eins bis fünf um wesentlich tiefere p⁺-Dotierung unter
der ca. 0,2 µm tiefen n⁺-Dotierung erhalten.
Um ein funktionsfähiges Halbleiterbauelement zu erhalten, muß
die p⁺-Dotierung am Rand der Solarzelle aufgetrennt werden.
Damit werden Kurzschlüsse und daraus resultierende Leistungs
verluste der Solarzelle vermieden. Zum Auftrennen können die
Solarzellen übereinander gestapelt werden und für kurze Zeit
einem Ätzplasma ausgesetzt werden.
Um einen funktionsfähigen Rückseitenkontakt zu erhalten, muß
auf der Rückseite die p⁺-Schicht durch die n⁺-Schicht hin
durch kontaktiert werden. Dies wird mit einem Rückseitenkon
takt erreicht, der ca. 1 bis 3 Gewichtsprozent Aluminium
enthält. Das Aluminium dringt beim Einbrennen des Rückkon
takts in die Rückseite der Solarzelle ein und erzeugt dort
eine p⁺-Dotierung, die unterhalb des Rückkontakts die n⁺-
Dotierung überkompensiert. Somit ist ein niederohmiger An
schlußbereich unterhalb des Rückkontakts erzeugt, der für
eine gute Stromableitung während des Betriebs der Solarzelle
sorgt.
Der für eine funktionsfähige Solarzelle noch fehlende strom
ableitende Kontakt an der Vorderseite (Vorderseitenkontakt)
kann in bekannter Weise vor, während oder gleichzeitig mit
dem Rückseitenkontakt oder nach dem Einbrennen des Rücksei
tenkontakts hergestellt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels und der dazugehörigen sieben Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
die Fig. 1 bis 4 verschiedene Verfahrensstufen anhand von
schematischen Querschnitten durch eine Solarzelle.
Fig. 5 und 6 zeigen erfindungsgemäß erzeugte Dotierprofile
einer Solarzelle und
Fig. 7 zeigt eine fertige Solarzelle im schematischen Quer
schnitt.
Fig. 1 für die Solarzelle wird beispielsweise ein Wafer aus
p-dotiertem Cz-Silizium mit (100)-Orientierung gewählt. Bei
diesem kann durch eine kurze, basische kristallorientierte
Ätzung eine Texturierung auf der Oberfläche erzeugt werden,
die die Lichteinfallsgeometrie zur Verhinderung von Reflexion
verbessert (in der Fig. 1 nicht dargestellt).
Auf der Rückseite RS wird nun eine dünne Dotierlackschicht 2
(zum Beispiel Siodop®, Firma Merck) aufgeschleudert und
getrocknet.
Fig. 2 der so vorbereitete Wafer wird nun in eine Horde
eingestellt und in einen auf 1000 bis 1100°C vorgeheizten
Ofen eingebracht. Im Ofen ist eine reine Sauerstoffatmosphäre
eingestellt, so daß sich unmittelbar auf allen nicht von der
Bordotierlackschicht 2 bedeckten Oberflächen des Wafers 1
eine Oxidschicht 4 ausbildet. Gleichzeitig wird Bor aus der
Dotierlackschicht 2 ausgetrieben und diffundiert in die
Rückseite RS des Wafers 1 ein. Dabei bildet sich ein ca. 1
bis 5 µm tiefes p⁺-dotiertes Gebiet 5 aus.
Mit einem HF-Dip werden Oxidschicht 4 und Dotierlackschicht 2
vom Wafer entfernt.
Fig. 3 durch Eindiffusion von Phosphor (siehe Pfeile 6)
wird nun rundum ein flacher n⁺-dotierter Oberflächenbereich 7
erzeugt. Die Bedingungen werden so eingestellt, daß der n⁺
dotierte Bereich 7 eine Tiefe von ca. 1 µm, vorzugsweise von
0,2 µm erreicht.
Fig. 4 nach dem Auftrennen des n⁺-Bereichs 7 am Rand der
Scheibe durch Abätzen, (beispielsweise in einem Plasma) wird
ein Rückkontakt 3 aufgebracht. Dies erfolgt beispielsweise
durch Siebdruck mit einer Paste, die neben Bindemitteln und
oxidischen Zuschlägen leitfähige Silberpartikel sowie 1 bis 3
Gewichtsprozent Aluminium enthält. Nach dem Aufdrucken wird
der Rückkontakt 3 bei ca. 700 bis 800°C eingebrannt. Dabei
wird der zusätzlich in der Paste enthaltene Dotierstoff
Aluminium in die Solarzellenrückseite eingetrieben und sorgt
dort im Anschlußbereich 8 durch Überkompensation der n⁺-
Dotierung für eine p⁺-Dotierung und damit für einen guten
ohmschen Kontakt zwischen dem p⁺-Gebiet 5 und dem Rückkontakt
3.
Fig. 5 zeigt das erzeugte Dotierprofil in der Solarzelle vor
dem Einbrennen des Rückkontakts in schematischer Darstellung.
Dabei ist die Dotierkonzentration gegen die Scheibendicke
zwischen Rückseite RS und Vorderseite VS aufgetragen. Der
Bereich 1 stellt die niedrige gleichmäßige ursprüngliche p-
Dotierung des Wafers dar. Der Bereich 5 kennzeichnet die p⁺-
Dotierung, die ca. 5 µm in die Rückseite RS des Wafers einge
trieben ist. Die durch die Phosphordiffusion erzeugte n⁺-
Dotierung 7 mit geringer Eindringtiefe von ca. 0,2 µm bildet
an der Vorderseite den Emitter aus und erzeugt an der Rück
seite durch Überkompensierung der p⁺-Dotierung ebenfalls
einen n⁺-dotierten Bereich.
In Fig. 6 ist das Dotierprofil nach dem Einbrennen des
Rückkontakts dargestellt, wobei der Rückkontakt im Schnittbe
reich der dargestellten Querschnittsebene liegt. Durch das
Aluminium wird im Anschlußbereich die n⁺-Dotierung der Rück
seite überkompensiert, so daß ein durchgehend p⁺-dotierter
Bereich 8 unterhalb des Rückkontakts entsteht. Ein guter
ohmscher Kontakt des aufgedruckten und eingebrannten Rückkon
takts zur Solarzelle ist somit gewährleistet.
Fig. 7 zeigt eine mittels an sich bekannter Verfahrens
schritte fertiggestellte Solarzelle im schematischen Quer
schnitt. Diese weist zumindest einen Vorderseitenkontakt 9
auf, sowie wahlweise eine Antireflexschicht 10 auf der Vor
derseite, die beispielsweise aus einem Oxid oder aus Silizi
umnitrid ausgebildet sein kann, sowie eine Rückseitenpassi
vierungsschicht 11, beispielsweise ein Passivierungsoxid.
Diese beiden Schichten können wahlweise vor dem Aufbringen
von Vorder- und/oder Rückkontakt erzeugt werden. Aufgrund der
hohen Oberflächendotierung wächst dabei ein Oxid besonders
schnell, so daß zur Passivierung bereits mäßige Temperaturen
und kurze Prozeßzeiten ausreichend sind.
Claims (11)
1. Verfahren zum Erzeugen einer Solarzelle mit Back-Surface-
Field mit den Schritten
- a) Aufbringen einer Bor als Dotierstoff enthaltenden Diffu sionsquellschicht (2) auf der Rückseite (RS) eines Wafers (1) aus Silizium
- b) Behandeln des Wafers (1) in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 900 bis 1200°C zum Erzeugen einer Oxidschicht (4) und zum Eintreiben des Do tierstoffs
- c) Entfernen der Diffusionsquellschicht (2) und der Oxid schicht (4)
- d) Eindiffusion von Phosphor zum Erzeugen einer n⁺ dotierten Emitterschicht (7)
- e) Auftrennen der n⁺ dotierten Schicht (7) am Rand des Wa fers
- f) Aufbringen eines Aluminium enthaltenden Rückkontakts (3)
- g) Einbrennen des Rückkontakts (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem im Schritt a) als Diffusionsquellschicht (2) eine
Bordotierlack-Schicht aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem der Wafer (1) im Schritt b) einer Temperatur von 1000
bis 1100°C ausgesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem im
Schritt c) Diffusionsquellschicht (2) und Oxidschicht (4)
durch Ätzen mit HF-Lösung entfernt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem im Schritt e) die Wafer (1) dicht über- oder neben
einander gestapelt werden und bei dem das Auftrennen der p⁺
dotierten Schicht (7) durch Abätzen der Außenränder der Wafer
erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem Rückkontakt durch Aufdrucken einer Silbersiebdruck
paste aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem in Schritt f) ein Rückkontakt (3) aufgebracht wird,
der neben einem elektrisch gut leitfähigen Metall noch 1 bis
3 Gewichtsprozent Aluminium enthält.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem das Bor im Schritt b) bis in eine Tiefe von 1 bis 5
um eingetrieben wird.
9. Solarzelle
- - mit einem p dotierten Solarzellenkörper (1)
- - mit einem 1 bis 5 µm tiefen mit Bor p⁺ dotierten Schicht bereich (5) auf der Rückseite (RS)
- - mit einem n⁺ dotierten Schichtbereich (7) zumindest auf der Vorderseite
- - mit einem Vorderseitenkontakt (9)
- - mit einem eingebrannten Silber-Rückkontakt (3)
- - mit einem Aluminium dotierten Anschlußbereich (8) im Bereich des Rückkontakts (3).
10. Solarzelle nach Anspruch 9,
bei der der Rückkontakt (3) nicht ganzflächig aufgebracht ist
und bei dem zwischen den vom Rückkontakt bedeckten Bereichen
der Rückseite die Bordotierung (5) von einer flacheren n⁺-
Dotierung (7) überkompensiert ist.
11. Solarzelle nach Anspruch 9 oder 10,
mit einer Antireflexschicht (10) auf der Vorderseite (VS) und
einer Oxidschicht (11) als Passivierungsschicht auf der
Rückseite (RS).
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