DE19508712C2 - Solarzelle mit Back-Surface-Field und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Solarzelle mit Back-Surface-Field und Verfahren zur Herstellung

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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 do­ tierstoffhaltigen Lösung erzeugt werden. Bei den für das Ein­ treiben der Dotierung erforderlichen Temperaturen wird jedoch aufgrund der hohen Flüchtigkeit der Borverbindungen stets ei­ ne Rundum-Diffusion beobachtet, die durch eine Maskierung der nicht zu dotierenden Solarzellenbereiche verhindert werden muß.
Aus der DE 33 40 874 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung ei­ nes Back-Surface-Fields bekannt, bei dem der entsprechende Dotierstoff aus einer dotierstoffhaltigen Schicht in den Halbleiterkörper eingetrieben wird.
Die Herstellung eines Back-Surface-Fields durch direkte Dif­ fusion oder durch Eintreiben aus einer Dotierstoffschicht ist aus der US 4 158 591 bekannt. Die nicht zu dotierende Ober­ fläche des Wafers kann dabei durch Abdecken mit einem zweiten Wafer geschützt werden.
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 her­ kömmliches Herstellverfahren für Solarzellen integriert wer­ den 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 Diffusionsquellschicht zu erzeugen. Die nicht ge­ wünschte 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 Rückseitenkontaktes die n⁺-Schicht wieder zu kompensieren. Der Rückseitenkontakt kann dabei strukturiert oder ganz flächig 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 Do­ tierlack 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 Diffusionsquellschicht 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 von dessen Herstel­ ler bisher vorgeschlagen, die Bauelemente bzw. Wafer einsei­ tig mit dem Lack zu beschichten und so in einem Stapel über­ einander zu legen, daß dabei jeweils zu dotierende bzw. nicht zu dotierende Oberflächen übereinander zu liegen kommen. So soll eine Dotierung der jeweils gegenüberliegenden Oberfläche verhindert werden, ohne daß eine Maskierung erforderlich ist. Dieses vorgeschlagene Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die Bauelemente bzw. Wafer bei den hohen erforderlichen Ein­ treibtemperaturen 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 n⁺-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 um 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 Atzen 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 um 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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