DE102014218948A1

DE102014218948A1 - Solarzelle mit einer amorphen Siliziumschicht und Verfahren zum Herstellen solch einer photovoltaischen Solarzelle

Info

Publication number: DE102014218948A1
Application number: DE102014218948.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Reichel; Frank Feldmann; Ralph Müller; Martin Hermle
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle, folgende Verfahrensschritte umfassend:
A Aufbringen einer Tunnelschicht mittelbar oder unmittelbar auf eine Rückseite eines Siliziumsubstrates;
B Aufbringen einer Siliziumschicht mittelbar oder unmittelbar auf die Tunnelschicht, welche Siliziumschicht mit einem ersten Dotierstoff eines ersten Dotierungstyps dotiert ist;
C Erzeugen einer Mehrzahl alternierend angeordneter Dotierbereiche mittels Implantation eines zweiten Dotierstoffs eines zweiten Dotierungstyps, welcher zweite Dotierungstyp zu dem ersten Dotierungstyp entgegengesetzt ist;
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B die Siliziumschicht als amorphe Siliziumschicht abgeschieden wird und in Verfahrensschritt C die Implantation des zweiten Dotierstoffes in die amorphe Siliziumschicht erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine photovoltaische Solarzelle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine photovoltaische Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 14.
Solche photovoltaischen Solarzellen umfassen ein Siliziumsubstrat mit einer auf einer Rückseite des Siliziumsubstrats mittelbar oder unmittelbar angeordneten Tunnelschicht und einer auf der Tunnelschicht mittelbar oder unmittelbar angeordneten Siliziumschicht. Die Siliziumschicht weist eine Mehrzahl alternierend angeordneter p- und n-dotierter Bereiche auf. Die Siliziumschicht kann hierbei weitere Stoffe aufweisen, beispielsweise als SiC-Schicht, SiO-Schicht oder SiN-Schicht ausgebildet sein.
Photovoltaische Rückseitenkontaktzellen sind an sich bekannt und weisen beide Kontaktierungspolaritäten auf der bei Benutzung dem Lichteinfall abgewandten Rückseite der Solarzelle auf, sodass eine einfachere Verschaltung im Modul möglich ist und insbesondere an der Vorderseite es nicht notwendig ist, metallische Kontaktierungsstrukturen anzuordnen, sodass Abschattungsverluste durch solche metallischen Kontaktierungsstrukturen vermieden werden, da die metallischen Kontaktierungsstrukturen beider Polaritäten auf der Rückseite angeordnet werden können.
Die vorliegende Erfindung betrifft hierbei eine spezielle Ausgestaltung solch einer Rückseitenkontaktzelle, bei welcher auf dem Siliziumsubstrat eine Tunnelschicht und auf der Tunnelschicht eine Siliziumschicht mit den alternierend, d. h. abwechselnd, angeordneten p- und n-dotierten Bereichen aufgebracht ist.
Derartige rückseitenkontaktierte photovoltaische Silizium-Solarzellen besitzen ein sehr hohes Wirkungsgradpotenzial, da sie wie zuvor beschrieben keine Abschattung auf der dem Lichteinfall zugewandten Vorderseite aufgrund metallischer Kontaktstrukturen aufweisen und rückseitig die Metallisierung unabhängig von optischen Einschränkungen optimiert werden kann. Bei vorbekannten rückseitenkontaktierten Silizium-Solarzellen mit in einem Siliziumsubstrat eindiffundierten Emittern ist die Ladungsträgerrekombination in diesem hochdotierten Bereich, insbesondere an den Bereichen welche mit Metallkontakten versehen sind, jedoch dominierend, sodass ein dotierter Emitter oder ein sogenanntes Back Surface Field (BSF), das heißt eine Hochdotierung des Basis-Dotierungstyps eine Limitierung der Offenklemmspannung der Solarzelle darstellt.
Es ist daher bekannt, den Wirkungsgrad dadurch zu erhöhen, dass zwar Emitter und BSF an der Rückseite der Solarzelle angeordnet sind, jedoch durch eine dünne dielektrische Tunnelschicht von dem Substrat abgetrennt sind; Es ergibt sich somit ein sogenannter Hetero-Übergang. Hierdurch wird eine Dunkelsättigungsstromdichte verringert und es können somit vergleichsweise höhere Offenklemmspannungen erzielt werden. Eine solche Solarzelle ist beispielsweise in US 7,468,485 B1 beschrieben.
Zur Herstellung solch einer Solarzelle ist es aus der vorgenannten Schrift und ebenso aus US 2009/0308438 A1 sowie aus US 2010/0139764 A1 bekannt, auf die vorgenannte dielektrische Tunnelschicht eine polykristalline Siliziumschicht aufzubringen, anschließend die polykristalline Siliziumschicht zu strukturieren und nacheinander p- und n-Dotierstoffquellen aufzubringen. Weiterhin sind Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzellenstruktur aus WO 2012/039831 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine photovoltaische Solarzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle zur Verfügung zu stellen, so dass das Verhältnis Wirkungsgrad der Solarzelle zu Herstellungskosten verbessert wird, indem der Wirkungsgrad erhöht und/oder die Herstellungskosten verringert werden.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle gemäß Anspruch 1 sowie durch eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 14. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 13 und bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Solarzelle finden sich in Anspruch 15. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.
Die erfindungsgemäße Solarzelle wird vorzugsweise mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Solarzelle, insbesondere einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt A erfolgt das Aufbringen einer Tunnelschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf eine Rückseite eines Siliziumsubstrats.
In einem Verfahrensschritt B erfolgt das Aufbringen einer Siliziumschicht mittelbar oder unmittelbar auf die Tunnelschicht. Die Siliziumschicht ist mit einem ersten Dotierstoff eines ersten Dotierungstyps dotiert.
In einem Verfahrensschritt C erfolgt ein Erzeugen einer Mehrzahl alternierend angeordneter Dotierbereiche mittels Implantation eines zweiten Dotierstoffs eines zweiten Dotierungstyps. Der zweite Dotierungstyp ist zu dem ersten Dotierungstyp entgegengesetzt. Dotierungstypen sind hierbei der n-Dotierungstyp und der hierzu entgegengesetzte p-Dotierungstyp.
Wesentlich ist, dass in Verfahrensschritt B die Siliziumschicht als amorphe Siliziumschicht abgeschieden wird und in Verfahrensschritt C die Implantation des zweiten Dotierstoffes in die amorphe Siliziumschicht erfolgt.
Bei bisherigen Verfahren zum Erzeugen alternierender Dotierbereiche mittels Implantation ist es bekannt, mittels Überkompensation in einem dotieren Siliziumsubstrat alternierend Bereiche mit entgegengesetztem Dotierungstyp zu erzeugen, wie beispielsweise in US 2009/0227095 A1 beschrieben. Alternativ ist es bekannt, in eine undotierte polykristalline Siliziumschicht unter Verwendung von Schattenmasken alternierend n- und p-dotierte Bereiche auszubilden, wie beispielsweise in US 2012/0322199 A1 beschrieben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden nun erhebliche Vorteile erzielt:
Die Ausbildung der Siliziumschicht als amorphe Siliziumschicht bietet den Vorteil, dass gegenüber dem Abscheiden einer polykristallinen Siliziumschicht weitere Abscheidetechniken zur Verfügung stehen, welche einen günstigeren Herstellungsprozess ermöglichen und insbesondere in einfacher Weise das einseitige Abscheiden der Siliziumschicht ermöglichen. Bei dem Abscheiden einer polykristallinen Siliziumschicht ist mit den üblichen Verfahren typischerweise eine beidseitige Abscheidung unvermeidbar, welche somit eine Komplikation für den gesamten Verfahrensablauf darstellt, indem entweder die vorderseitig abgeschiedene polykristalline Siliziumschicht in die Schichtstruktur eingebunden wird oder wieder abgetragen werden muss.
Die Bezeichnung amorphes und kristallines Silizium beziehen sich hierbei auf die an sich bekannten Definitionen: amorphes Silizium besitzt eine Nahordnung, jedoch keine Fernordnung. Kristallines Silizium hingegen besitzt eine Nah- und Fernordnung.
Darüber hinaus kann es bei polykristallinen Siliziumschichten auf der Rückseite, d. h. der bei Benutzung der einfallenden Strahlung abgewandten Seite der Solarzelle zu einer erhöhten parasitären Absorption von einfallender Strahlung kommen, wodurch der Wirkungsgrad der Solarzelle verringert wird. Dieser Nachteil wird durch eine amorphe Siliziumschicht auf der Rückseite der Solarzelle vermieden.
In bisherigen Verfahren wurde auf amorphe Siliziumschichten verzichtet, da insbesondere die Dotierung amorpher Siliziumschichten in der Fachwelt als prozesstechnisch aufwändig und somit kostenintensiv angesehen wurde. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet bzw. kompensiert diesen Nachteil, basierend auf der Erkenntnis, dass die Möglichkeit der einseitigen Abscheidung einer amorphen Schicht und der kostengünstigen Abscheideprozessen für amorphe Schichten in Kombination mit dem Erzeugen der alternierenden Dotierbereiche mittels lokaler Überkompensation durch Implantation des zweiten Dotierstoffes im Ergebnis zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades und/oder zu einem kostengünstigerem Herstellungsprozess führt.
Die vorangehend genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 14 gelöst. Die erfindungsgemäße Solarzelle weist ein Siliziumsubstrat auf, eine mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf eine Rückseite des Siliziumsubstrats aufgebrachte Tunnelschicht und eine mittelbar oder unmittelbar auf eine dem Siliziumsubstrat abgewandte Seite der Tunnelschicht angeordnete Siliziumschicht. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass weitere, an sich bekannte Komponenten einer photovoltaischen Solarzelle vorgesehen sind, insbesondere weitere Dotierbereiche, metallische Kontaktierungsstrukturen zum Abführen von Ladungsträgern und/oder weitere Schichten zur elektrischen Passivierung und/oder Verbesserung der optischen Eigenschaften.
Die Siliziumschicht weist alternierend Bereiche mit einem ersten Dotierstoff eines ersten Dotierungstyps und Bereiche mit einem zweiten Dotierstoff eines zweiten Dotierungstyps auf. Erster und zweiter Dotierungstyp sind entgegengesetzt. Auch hierbei sind die Dotierungstypen der n-Dotierungstyp und der hierzu entgegengesetzte p-Dotierungstyp.
Wesentlich ist, dass die Siliziumschicht zumindest teilweise amorph ausgebildet ist. Hierdurch ergeben sich die zuvor genannten Vorteile der Wirkungsgradsteigerung und/oder der kostengünstigeren Herstellung.
In besonderer Weise werden die genannten Vorteile erzielt, indem in einer bevorzugten Ausführungsform in Verfahrensschritt B die Siliziumschicht vollständig amorph abgeschieden wird und entsprechend in Verfahrensschritt C die Implantation des Dotierstoffes in die vollständig amorphe Siliziumschicht erfolgt. Ebenso weist die erfindungsgemäße Solarzelle vorzugsweise eine vollständig amorphe Siliziumschicht auf.
Bei typischen Solarzellenstrukturen, welche an der Rückseite des Siliziumsubstrats Dotierbereiche mit alternierenden Dotierungstypen aufweisen, ist vorteilhafterweise auf der Vorderseite des Siliziumsubstrats keine amorphe Siliziumschicht aufgebracht. Vorzugsweise wird daher die amorphe Siliziumschicht lediglich einseitig aufgebracht. Insbesondere wird bevorzugt an der Vorderseite des Siliziumsubstrats keine amorphe Siliziumschicht ausgebildet wird, so dass Strahlung, welche über die Vorderseite in das Siliziumsubstrat eindringt, nicht vor Eindringen in das Siliziumsubstrat in einer amorphen Siliziumschicht absorbiert wird.
Typischerweise wird die erfindungsgemäße Solarzelle ausgebildet, um bei Benutzung vorderseitig mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Sonnenlicht, beaufschlagt zu werden. Vorzugsweise ist somit die Rückseite des Siliziumsubstrats die bei Benutzung der einfallenden Strahlung abgewandte Seite.
In Verfahrensschritt B erfolgt das Aufbringen der Siliziumschicht vorzugsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD, chemical vapour deposition), insbesondere mit plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) vorzugsweise unter Verwendung von Silan. Hierdurch wird ein kostengünstiges Verfahren erzielt und insbesondere kann mit den vorgenannten Verfahren in einfacher Weise ein einseitiges Erzeugen der amorphen Siliziumschicht lediglich an der Rückseite des Siliziumsubstrats erfolgen. Die amorphe Siliziumschicht ist mit einem ersten Dotierstoff eines ersten Dotierungstyps dotiert. Diese Dotierung mit dem ersten Dotierstoff erfolgt bevorzugt während der plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) durch Hinzugabe von gasförmigen Dotierstoffen wie beispielsweise Diboran, um einen kostengünstigen Prozess zu erzielen.
In Verfahrensschritt C wird mittels Implantation der zweite Dotierstoff in die mit dem ersten Dotierstoff dotierte Siliziumschicht eingebracht. Das Erzeugen der alternierend dotierten Dotierbereiche erfolgt somit durch Überkompensation, d. h. indem lokal in denjenigen Bereichen, in welchen der zweite Dotierstoff implantiert wird, der erste Dotierstoff überkompensiert wird und somit eine Dotierung des zweiten Dotierungstyps erzielt wird.
Hierbei ist es vorteilhaft, dass der erste Dotierungstyp der p-Dotierungstyp ist und entsprechend der zweite Dotierungstyp der n-Dotierungstyp ist. Hierdurch ergeben sich prozesstechnische Vorteile hinsichtlich der Überkompensation.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der erste Dotierstoff Bor und/oder der zweite Dotierstoff Phosphor ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein n-Dotierstoff und insbesondere Phosphor prozesstechnisch einfacherer mittels Implantation in die amorphe Siliziumschicht einbringbar ist, verglichen mit p-Dotierstoffen und insbesondere mit Bor.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die elektronische Qualität der amorphen Siliziumschicht erhöht, indem die amorphe Siliziumschicht Kohlenstoff enthaltend ausgebildet wird, insbesondere, indem die amorphe Siliziumschicht als amorphe Siliziumcarbidschicht ausgebildet wird. Hierdurch erhöht sich der Wirkungsgrad der photovoltaischen Solarzelle. Eine Siliziumcarbidschicht weist unter anderem den Vorteil auf, dass eine solche Schicht resistent gegenüber einigen bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen häufig verwendeten Säuren und Basen ist, im Gegensatz zu einer amorphen reinen Siliziumschicht. Hierdurch erweitert sich somit die Bandbreite möglicher Prozessierungsschritte und es können Kosten eingespart werden.
Alternativ und/oder zusätzlich ist es vorteilhaft, die amorphe Siliziumschicht Sauerstoff und/oder Stickstoff enthaltend auszubilden, um die elektronische Qualität der amorphen Siliziumschicht zu erhöhen. Vorzugsweise erfolgt in Verfahrensschritt C mittels einer Temperaturbehandlung die Ausbildung der Dotierbereiche des zweiten Dotierungstyps durch den mittels Implantation eingebrachten zweiten Dotierstoff. Vorzugsweise erfolgt hierbei eine Erwärmung auf eine Temperatur im Bereich von 7000°C bis 1100°C, bevorzugt im Bereich 700°C bis 900°C und insbesondere bevorzugt 800°C bis 900°C. Durch die vorgenannten Temperaturbereiche ist einerseits die Ausbildung der Dotierbereiche des zweiten Dotierungstyps sichergestellt und andererseits wird ein Kristallisieren oder zumindest ein vollständiges Kristallisieren der amorphen Siliziumschicht vermieden. Die Temperaturbehandlung erfolgt somit nach Implantation des zweiten Dotierstoffs und wird bevorzugt in einer Argon oder Stickstoffatmosphäre insbesondere bevorzugt für eine Zeitdauer im Bereich 10 min bis 60 min oder alternativ durch einen schnellen thermischen Anneal (RTA), ebenfalls bevorzugt unter Argon oder Stickstoffatmosphäre, vorzugsweise für eine Zeitdauer im Bereich 10 s bis 60 s, insbesondere bevorzugt 10 s bis 30 s durchgeführt.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass in der amorphen Siliziumschicht die Dotierbereiche des ersten Dotierungstyps und die Dotierbereiche des zweiten Dotierungstyps unmittelbar aneinander angrenzen. Hierdurch wird eine einfache und kostengünstige Verfahrensabfolge realisiert.
Vorzugsweise wird zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarzelle jeweils ein Abstand zwischen einem Dotierbereich des ersten Dotierungstyps und einem benachbarten Dotierbereich des zweiten Dotierungstyps ausgebildet, um insbesondere Leckströme zu vermeiden. Vorzugsweise werden daher die Bereiche des ersten Dotierungstyps und die Bereiche des zweiten Dotierungstyps der amorphen Siliziumschicht an den einander zugewandten Seiten elektrisch voneinander getrennt. Dies erfolgt bevorzugt in einfacher Weise, indem zwischen den Bereichen des ersten Dotierungstyps und den Bereichen des zweiten Dotierungstyps die amorphe Siliziumschicht lokal entfernt wird. Das lokale Entfernen erfolgt in bevorzugter, kostengünstiger Weise durch Ablatieren, insbesondere bevorzugt mittels eines Lasers.
Es liegt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass in einem auf Verfahrensschritt C folgenden Verfahrensschritt eine vollständige Kristallisation der als amorphe Siliziumschicht aufgebrachten Siliziumschicht erfolgt. Hierdurch werden die vorgenannten Vorteile des kostengünstigen und insbesondere lediglich einseitigen Aufbringens der amorphen Siliziumschicht weiterhin erzielt und darüber hinaus ist in den auf Verfahrensschritt C nachfolgenden Verfahrensschritten keine Einschränkung hinsichtlich der Temperatur gegeben, so dass auch durch einen Hochtemperaturschritt ein vollständiges Kristallisieren der Siliziumschicht erfolgen kann.
Vorteilhaft ist es jedoch, dass in den auf Verfahrensschritt C folgenden Verfahrensschritten keine vollständige Kristallisation der amorphen Siliziumschicht erfolgt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass dadurch weniger parasitäre Absorption als bei polykristallinen Schicht stattfindet
Vorzugsweise wird der Wirkungsgrad der photovoltaischen Solarzelle erhöht, indem zwischen den Verfahrensschritten A und B in einem Verfahrensschritt A1 eine polykristalline Pufferschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die Tunnelschicht abgeschieden wird. Die polykristalline Pufferschicht kann hierbei undotiert sein. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine p-dotierte oder eine n-dotierte Pufferschicht vorzusehen.
Eine solche polykristalline Pufferschicht, welche somit zwischen Tunnelschicht und amorpher Siliziumschicht, bevorzugt unmittelbar zwischen Tunnelschicht und amorpher Siliziumschicht angeordnet ist, erhöht den Wirkungsgrad der Solarzelle, da dadurch die amorphe Siliziumschicht, welche oft vergleichsweise defektreich ist, nicht unmittelbar an das Tunneloxid angrenzt und somit die Gesamtladungsträgerrekombination erniedrigt wird.
Die polykristalline Pufferschicht ist vorzugsweise als polykristalline Siliziumschicht ausgebildet und wird insbesondere bevorzugt mittels eines LPCVD-Prozesses (low pressure chemical vapour deposition) aufgebracht. Zwar weist eine solche polykristalline Siliziumschicht die vorbeschriebenen Nachteile auf, dass der Herstellungsprozess vergleichsweise kostenintensiv ist, eine beidseitige Abscheidung unvermeidbar ist und dass eine parasitäre Absorption nachteilig für den Wirkungsgrad der Solarzelle sein kann. Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten photovoltaischen Solarzellen werden die Dotierbereiche mit alternierenden Dotierungstypen jedoch in der amorphen Siliziumschicht ausgebildet, so dass die polykristalline Pufferschicht mit einer geringeren Dicke verglichen mit den polykristallinen Siliziumschichten bei vorbekannten Herstellungsverfahren ausgebildet werden kann.
Hierdurch erfolgt aufgrund der geringen Dicke der polykristallinen Pufferschicht nur eine geringfügige Kostenerhöhung und es tritt auch nur eine geringe parasitäre Absorption aufgrund des geringen Volumens der polykristallinen Pufferschicht auf.
Vorzugsweise wird die Pufferschicht daher mit einer Dicke im Bereich 1 nm bis 30 nm insbesondere im Bereich 1 nm bis 15 nm, vorzugsweise im Bereich 1 nm bis 10 nm ausgebildet.
Die photovoltaische Solarzelle wird bevorzugt wie eingangs erwähnt als rückseitig kontaktierte Solarzelle (RSK-Solarzelle) ausgebildet. Bevorzugt liegen somit sowohl Emitterbereiche, als auch Basisbereiche auf der bei Benutzung dem Strahlungseinfall abgewandten Seite der Solarzelle.
Die amorphe Siliziumschicht wird in Verfahrensschritt B bevorzugt ganzflächig auf die Rückseite des Siliziumsubstrats aufgebracht. Das Siliziumsubstrat ist typischerweise als Siliziumwafer ausgebildet.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, eine oder mehrere Texturierungen zur Verbesserung der optischen Eigenschaften der Solarzelle vorzusehen, insbesondere an der Vorderseite des Siliziumsubstrats an sich bekannte Texturierungen insbesondere pyramidenartige Texturierungen vorzusehen.
Die Tunnelschicht ist vorzugsweise als Oxid, insbesondere als Siliziumoxid ausgebildet und weist insbesondere bevorzugt eine Dicke im Bereich 0,5 nm bis 1,5 nm auf. Die Tunnelschicht kann mittels thermischer Oxidation, mittels nasschemischer Oxidation, mittels trockenchemischer Oxidation oder mittels einer schnellen thermischen Oxidation (RTO) erzeugt werden.
Die Abscheidung der amorphen Siliziumschicht erfolgt wie zuvor beschrieben vorzugsweise mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung insbesondere bei Temperaturen im Bereich von 150°C bis 500°C, vorzugsweise zwischen 200°C und 300°C.
Das Erzeugen der Mehrzahl alternierend angeordneter Dotierbereiche in Verfahrensschritt C mittels Implantation des zweiten Dotierstoffs erfolgt vorzugsweise, indem eine Hartmaske verwendet wird, welche diejenigen Bereiche abdeckt, in welchen keine Implantation des zweiten Dotierstoffs erfolgen soll. Diese Hartmaske kann bevorzugt als Siliziumoxidschicht oder Siliziumnitridschicht ausgebildet sein. Ebenso liegt die Verwendung von Fotolack oder Inkjetlack und ebenso Inkjetwachs im Rahmen der Erfindung. Besonders kostengünstig ist die Verwendung einer Schattenmaske, insbesondere bestehend aus Graphit oder Aluminium.
In der vorzugsweisen Ausführungsform, bei welcher wie zuvor beschrieben eine polykristalline Pufferschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar zwischen Tunnelschicht und amorpher Siliziumschicht angeordnet wird, erfolgt das Aufbringen in Verfahrensschritt A1 vorzugsweise beidseitig, so dass nicht nur an der Rückseite, sondern auch an der Vorderseite des Siliziumsubstrats mittelbar oder bevorzugt unmittelbar eine vorderseitige polykristalline Schicht, insbesondere eine polykristalline Siliziumschicht aufgebracht wird, insbesondere bevorzugt mittels LPCVD. Die vorderseitige polykristalline Siliziumschicht wird vorzugsweise ebenfalls dotiert, insbesondere mittels Ionenimplantation, so dass auch an der Vorderseite des Siliziumsubstrats durch Ausbildung eines Emitters, welcher somit eine Dotierung entgegengesetzt zu einer Basisdotierung des Siliziumsubstrats aufweist oder durch eine Hochdotierung des Basisdotierungstyps eine zusätzliche Verringerung der effektiven Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Vorderseite des Siliziumsubstrats erzielt werden kann.
Insbesondere ist es vorteilhaft, in diesem Fall auch an der Vorderseite zwischen Siliziumsubstrat und polykristalliner Siliziumschicht eine Tunnelschicht vorzusehen. Bevorzugt ist diese Tunnelschicht gemäß einer oder mehrerer der vorbeschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der rückseitigen Tunnelschicht ausgebildet.
Weitere Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
1 in den Teilbildern a) bis d) Verfahrensschritte eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
2.1 und 2.2 in den Teilbildern a) bis e) Verfahrensschritte eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Sämtliche Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Schnittdarstellungen einer photovoltaischen Solarzelle bzw. einer Vorstufe hiervon während der Herstellung. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
In den 1a) bis d) ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Ein als Siliziumwafer ausgebildetes Siliziumsubstrat 1 wurde in einem Ätzverfahren an der Vorderseite mit einer Textur versehen. Anschließend wurde rückseitig eine Tunnelschicht 2 aufgebracht. Das Siliziumsubstrat 1 ist als monokristalliner Siliziumwafer ausgebildet, so dass durch Eintauchen in eine Ätzlösung eine zufällige Pyramidenstruktur an der Vorderseite, so genannte „random pyramids” ausgebildet wurde.
Die Tunnelschicht 2 weist eine Dicke im Bereich 5 Å bis 50 Å, vorliegend 10 Å auf. Sie ist als Siliziumdioxidschicht ausgebildet. Ebenso kann die Tunnelschicht als ein andersartiges Oxid ausgebildet sein. Das Siliziumsubstrat weist vorliegend eine Phosphor-Basisdotierung (n-Typ) im Bereich 10¹⁴ cm^–3 bis 10¹⁷ cm^–3, vorliegend 1,5 × 10¹⁶ cm^–3 auf.
Die Tunnelschicht wird mittels nasschemischen Aufwachsens aufgebracht. Ebenso kann die Tunnelschicht mittels RTO (rapid thermal oxidation), ALD (atomic layer deposition), PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition), LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) oder APCVD (atmospheric pressure chemical vapor deposition) abgeschieden werden.
Weiterhin wurde auf der Tunnelschicht 2 eine amorphe Siliziumschicht 3 aufgebracht. Die Siliziumschicht 3 ist als Siliziumcarbidschicht (SiC-Schicht) ausgebildet. Der Kohlenstoffanteil liegt im Bereich von 5% bis 25%, vorliegend etwa 20%. Die Siliziumschicht 3 wurde homogen bor-dotiert ausgebildet, mit einer Dotierkonzentration im Bereich 10¹⁸ cm^–3 bis 10²¹ cm^–3.
Die Dicke der Siliziumschicht 3 liegt im Bereich 5 nm bis 30 nm, vorliegend bei etwa 15 nm. Die Schicht 3 wurde mittels PECVD aufgebracht. Ebenso liegt das Aufbringen der Siliziumschicht 3 mittels LPCVD oder APCVD oder Sputtern im Rahmen der Erfindung.
Die amorphe Siliziumschicht 3 ist mit einem ersten Dotierstoff eines ersten Dotierungstyps dotiert und wird vorliegend als p-dotierte, amorphe Siliziumcarbidschicht ausgebildet. Diese Dotierung mit dem ersten Dotierstoff erfolgt während der plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) durch Hinzugabe von gasförmigen Dotierstoffen wie beispielsweise Diboran.
1a) zeigt somit einen Verfahrensstand unter anderem nach Durchführen der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte A und B.
Anschließend wird mittels Ionenimplantation an einer Mehrzahl von Bereichen Phosphor als zweiter Dotierstoff (n-Typ) implantiert. Diese Dotierbereiche sind exemplarisch mit n in 1b) gekennzeichnet. Die verbleibenden bor-dotierten Bereiche sind entsprechend mit p gekennzeichnet. Die Implantation erfolgt mittels einer Schattenmaske, welche die p-Bereiche während der Ionenimplantation abschattet.
Anschließend erfolgt durch eine Erwärmung auf eine Temperatur von 850°C in einem Ofen unter Argon-Atmosphäre für eine Zeitdauer von 30 min die Ausbildung der n-dotierten Bereiche durch entsprechende Umwandlung der mittels Phosphor-dotierten Bereichen, wobei die Temperatur derart gewählt ist, dass keine oder nur eine vernachlässigbar geringe Kristallisation der Siliziumschicht 3 erfolgt, so dass auch nach dieser Wärmebehandlung die Siliziumschicht 3 eine amorphe Siliziumschicht ist.
Das Ergebnis ist in 1b) dargestellt.
Durch die Ionenimplantation und anschließende Wärmebehandlung erfolgt somit eine Überkompensation in den n-dotierten Bereichen, so dass sich der Dotierungstyp von zuvor p-dotiert auf n-dotiert ändert.
Die p-dotierten Bereiche stellen Emitterbereiche der Solarzelle dar, die n-dotierten Bereiche Basisbereiche.
Anschließend wird vorderseitig eine Antireflexschicht 6, welche vorliegend als Siliziumnitridschicht ausgebildet ist, aufgebracht. Dies dient zusätzlich zu der Texturierung zu einer Verbesserung der optischen Eigenschaften und somit einer erhöhten Einkopplung der auf die Vorderseite der Solarzelle treffenden Photonen. Die Antireflexschicht kann auch alternativ oder zusätzlich als Passivierungsschicht ausgebildet sein und/oder als Schichtstapel bestehend aus mehreren übereinanderliegenden Teilschichten ausgebildet sein, beispielsweise als ein Schichtstapel aus einer Aluminiumoxidschicht und einer darüber angeordneten Siliziumnitridschicht.
Das Ergebnis ist in 1c) dargestellt.
Rückseitig werden metallische n-Kontaktierungsstrukturen 7 und p-Kontaktierungsstrukturen 8 aufgebracht, welche mit den n-dotierten Bereichen bzw. p-dotierten Bereichen der Siliziumschicht 3 elektrisch leitend verbunden sind und zum Abführen von Ladungsträgern dienen.
Das Ergebnis ist in 1d) dargestellt.
In den 2.1 und 2.2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird insbesondere auf die wesentlichen Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird auf ein Siliziumsubstrat 1, welches entsprechend Ausführungsbeispiel 1 ausgebildet ist, vorderseitig und rückseitig eine als Siliziumoxidschicht ausgebildete Tunnelschicht aufgetragen. Die rückseitige Tunnelschicht 2 befindet sich somit auf der planen Rückseite des Siliziumsubstrats 1 und die vorderseitige Tunnelschicht 4 befindet sich auf der Vorderseitentexturierung des Siliziumsubstrats 1.
Anschließend wird auf die Rückseite mittels LPCVD eine Pufferschicht 9 aufgebracht, welche als intrinsische, polykristalline Siliziumschicht ausgebildet ist und eine Dicke im Bereich 1 nm bis 5 nm, vorliegend 3 nm aufweist. Durch das LPCVD-Verfahren wird hierbei zusätzlich eine vorderseitige polykristalline Siliziumschicht 10 aufgebracht. Die Pufferschicht 9 und die vorderseitige polykristalline Siliziumschicht 10 weisen eine Dicke im Bereich 1 nm bis 5 nm, vorliegend etwa 3 nm auf.
Das Ergebnis ist in 2.1a) dargestellt.
Anschließend erfolgt rückseitig analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel das Aufbringen einer Siliziumschicht 3, welche als p-dotierte, amorphe Siliziumcarbidschicht ausgebildet ist.
Das Ergebnis ist in 2.1b) dargestellt.
Wie auch im ersten Ausführungsbeispiel wird unter Verwendung einer Schattenmaske lokal mittels Ionenimplantation ein Dotierstoff des n-Dotierungstyps in die Siliziumschicht 3 eingebracht, so dass ich alternierend n- und p-dotierte Bereiche in der Siliziumschicht 3 in einem Temperaturschritt wie bereits bei Ausführungsbeispiel 1 beschrieben, ausbilden.
Das Ergebnis ist in 2.1c) dargestellt.
Schließlich werden wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben vorderseitig eine Antireflexschicht 6 (2.2d) und rückseitig metallische n-Kontaktierungsstrukturen 7 und metallische p-Kontaktierungsstrukturen 8 (2.2e) ausgebildet.
An den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen zeigen sich insbesondere die Vorteile der vorliegenden Erfindung, dass die Tunnelschicht 2 auf eine plane rückseitige Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 aufgebracht wird, so das eine einfache und hochwertige Reinigung der rückseitigen Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 vor Aufbringen der Tunnelschicht 2 möglich ist und anschließend die amorphe Siliziumschicht 3 auf die Tunnelschicht 2 aufgebracht wird. Damit entfällt eine bei vorbekannten Verfahren notwendige zusätzliche Reinigung der Siliziumoberfläche vor Aufbringung eines weiteren Tunneloxids bzw. einer weiteren amorphen Siliztumschicht, insbesondere wenn bei solchen vorbekannten Verfahren die aufgebrachte Tunnelschicht und die Siliziumschicht lokal zurückgeätzt werden, um die alternierend dotierten Bereiche auszubilden.
Ein weiterer Vorteil bei der ganzflächigen Aufbringung der Tunnelschicht 2 und einer p-dotierten, insbesondere bor-dotierten, ganzflächigen amorphen Siliziumcarbidschicht besteht darin, dass auch bei Verwendung einer Dotierung mittels Implantation gemäß Verfahrensschritt C keine erhöhte Rekombination auftritt, wie dies der Fall ist, wenn eine Implantation in eine undotierte, amorphe Siliziumcarbidschicht erfolgt.
Weiterhin kann die Temperaturbehandlung der alternierenden p- und n-dotierten Bereiche in einem einzigen Temperaturschritt erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7468485 B1 [0006]
US 2009/0308438 A1 [0007]
US 2010/0139764 A1 [0007]
WO 2012/039831 A1 [0007]
US 2009/0227095 A1 [0015]
US 2012/0322199 A1 [0015]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Aufbringen einer Tunnelschicht (2) mittelbar oder unmittelbar auf eine Rückseite eines Siliziumsubstrates; B Aufbringen einer Siliziumschicht (3) mittelbar oder unmittelbar auf die Tunnelschicht (2), welche Siliziumschicht (3) mit einem ersten Dotierstoff eines ersten Dotierungstyps dotiert ist; C Erzeugen einer Mehrzahl alternierend angeordneter Dotierbereiche mittels Implantation eines zweiten Dotierstoffs eines zweiten Dotierungstyps, welcher zweite Dotierungstyp zu dem ersten Dotierungstyp entgegengesetzt ist; dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B die Siliziumschicht (3) als amorphe Siliziumschicht (3) abgeschieden wird und in Verfahrensschritt C die Implantation des zweiten Dotierstoffes in die amorphe Siliziumschicht (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B die Siliziumschicht (3) vollständig amorph abgeschieden wird und in Verfahrensschritt C die Implantation des Dotierstoffes in die vollständige amorphe Siliziumschicht (3) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Siliziumschicht (3) einseitig aufgebracht wird, insbesondere, dass an der Vorderseite des Siliziumsubstrats keine amorphe Siliziumschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B die amorphe Siliziumschicht (3) mittels chemischer Gasphasenabscheidung, insbesondere plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierungstyp der p-Dotierungstyp ist, insbesondere, dass der erste Dotierstoff Bor ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite zweiter Dotierungstyp der n-Dotierungstyp ist, insbesondere, dass der zweite Dotierstoff Phosphor ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Siliziumschicht (3) Kohlenstoff enthaltend ausgebildet wird, insbesondere als Siliziumcarbidschicht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass amorphe Siliziumschicht (3) Sauerstoff und/oder Stickstoff enthaltend ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt C eine Erwärmung erfolgt, insbesondere auf eine Temperatur im Bereich 700°C bis 900°C.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche des ersten Dotierungstyps und die Bereiche des zweiten Dotierungstyps der amorphen Siliziumschicht (3) an den einander zugewandten Seiten elektrisch voneinander getrennt werden, insbesondere, dass zwischen den Bereichen des ersten Dotierungstyps und den Bereichen des zweiten Dotierungstyps die amorphe Siliziumschicht (3) lokal entfernt wird, vorzugsweise durch Ablatieren, insbesondere bevorzugt mittels eines Lasers.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den auf Verfahrensschritt C folgenden Verfahrensschritten keine vollständige Kristallisation der amorphen Siliziumschicht (3) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verfahrensschritten A und B in einem Verfahrensschritt A1 eine polykristalline Pufferschicht (9) mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die Tunnelschicht (2) abgeschieden wird, insbesondere, eine p-dotierte oder n-dotierte Pufferschicht (9).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht (9) mit eine Dicke im Bereich mm bis 30 nm, insbesondere im Bereich 1 nm bis 15 nm, vorzugsweise im Bereich 1 nm bis 10 nm erzeugt wird.
Photovoltaische Solarzelle, vorzugsweise hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Siliziumsubstrat (1), einer mittelbar oder unmittelbar auf einer Rückseite des Siliziumsubstrats aufgebrachten Tunnelschicht (2), einer mittelbar oder unmittelbar auf einer dem Siliziumsubstrat (1) abgewandten Seite der Tunnelschicht (2) angeordneten Siliziumschicht (3), in welcher Siliziumschicht (3) alternierend Bereiche mit einem ersten Dotierstoff eines ersten Dotierungstyps und Bereiche mit einem zweiten Dotierstoff eines zweiten Dotierungstyps angeordnet sind, wobei erster und zweiter Dotierungstyp entgegengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht (3) zumindest teilweise amorph ist.
Solarzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht (3) vollständig amorph ist.