DE102008044882A1

DE102008044882A1 - Verfahren zur lokalen Kontaktierung und lokalen Dotierung einer Halbleiterschicht

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Publication number: DE102008044882A1
Application number: DE102008044882A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr.-Ing. Preu; Andreas Grohe; Daniel Dr.-Ing. Biro; Jochen Dr. Rentsch; Marc Hofmann; Andreas Dr. Wolf; Jan Nekarda
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-03-04
Also published as: US20110233711A1; CN102197491A; US8828790B2; EP2327102A1; KR20110048068A; WO2010022889A1; JP2012501075A; CN102197491B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Kontaktierung und lokalen Dotierung einer Halbleiterschicht, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Erzeugen einer Schichtstruktur auf der Halbleiterschicht durch i. Aufbringen mindestens einer Zwischenschicht auf eine Seite der Halbleiterschicht und ii. Aufbringen mindestens einer Metallschicht auf die in Schritt i. zuletzt aufgebrachte Zwischenschicht, wobei die Metallschicht die zuletzt aufgebrachte Zwischenschicht zumindest teilweise bedeckt, B lokales Erhitzen der Schichtstruktur, derart, dass sich in einem lokalen Bereich kurzzeitig eine Schmelzmischung aus zumindest Teilbereichen zumindest der Schichten: Metallschicht, Zwischenschicht und Halbleiterschicht, bildet und nach Erstarren der Schmelzmischung eine Kontaktierung zwischen Metallschicht und Halbleiterschicht besteht. Wesentlich ist, dass in Schritt A, i. mindestens eine als Dotierungsschicht ausgeführte Zwischenschicht aufgebracht wird, welche einen Dotierstoff beinhaltet, wobei der Dotierstoff eine größere Löslichkeit in der Halbleiterschicht aufweist als das Metall der Metallschicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Kontaktierung und lokalen Dotierung einer Halbleiterschicht, sowie eine Halbleiterstruktur zumindest mit einer lokalen Dotierung.
Es ist bekannt, eine mit wenigstens einer passivierenden, dielektrischen Schicht überzogene Oberfläche einer Halbleiterschicht derart zu kontaktieren, dass eine Metallschicht auf die dielektrische Schicht aufgebracht wird und die Metallschicht mittels einer Strahlungsquelle kurzzeitig lokal erhitzt wird. Die Erhitzung führt zu einer lokalen Schmelzmischung aus Metallschicht, dielektrischer Schicht und Halbleiter, so dass nach Erstarren der Schmelzmischung ein elektrischer Kontakt zwischen Halbleiter und Metallschicht besteht.
Ein solches Verfahren findet insbesondere zur Herstellung von Solarzellen Anwendung und ist beispielsweise in DE 100 46 170 A1 beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren dahingehend zu verbessern, dass die Kontakteigenschaften insbesondere hinsichtlich der Rekombinationseigenschaften der Halbleiteroberfläche im Bereich des Kontaktes verbessert werden, so dass eine weitere Optimierung des Wirkungsgrades der Solarzelle erzielt wird und/oder die Herstellungskosten weiter verringert werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur lokalen Kontaktierung und lokalen Dotierung einer Halbleiterschicht gemäß Anspruch 1 sowie eine Halb leiterstruktur gemäß Anspruch 18. Vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 17; eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur findet sich in den Ansprüchen 19 bis 20.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur lokalen Kontaktierung und lokalen Dotierung einer Halbleiterschicht umfasst einen Verfahrensschritt A, in dem eine Schichtstruktur auf der Halbleiterschicht erzeugt wird.
Die Halbleiterschicht besteht typischerweise aus einem Halbleiterwafer, wie beispielsweise einem Siliziumwafer. Ebenso ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch auf beliebige andere Halbleiterschichten anwendbar, wie beispielsweise eine Halbleiterschicht an der Oberfläche einer Mehrschichtstruktur.
Der Verfahrensschritt A umfasst wiederum Verfahrensschritte i. und ii., wobei in Verfahrensschritt i. mindestens eine Zwischenschicht auf eine Seite der Halbleiterschicht aufgebracht wird. Anschließend wird in Verfahrensschritt ii. mindestens eine Metallschicht auf die in Schritt i. zuletzt aufgebrachte Zwischenschicht aufgebracht, wobei die Metallschicht die zuletzt aufgebrachte Zwischenschicht zumindest teilweise bedeckt.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Rückseitenkontaktes wird typischerweise die Zwischenschicht im Wesentlichen die gesamte Seite der Halbleiterschicht bedecken und die Metallschicht die Zwischenschicht im Wesentlichen vollständig bedecken. Ebenso liegt es jedoch im Rahmen der Erfindung, beispielsweise zur Ausbildung eines Vorderseitenkontaktes einer Solarzelle, dass die Zwischenschicht die Seite der Halbleiterschicht lediglich teilweise bedeckt und/oder die Metallschicht die Zwischenschicht lediglich teilweise bedeckt.
In einem Verfahrensschritt B wird die Schichtstruktur lokal erhitzt, so dass sich in einem lokalen Bereich kurzzeitig eine Schmelzmischung aus zumindest Teilbereichen zumindest der Schichten Metallschicht, Zwischenschicht und Halbleiterschicht bildet und nach Erstarren der Schmelzmischung eine Kontaktierung zwischen der Metallschicht und der Halbleiterschicht besteht. Sofern die erfin dungsgemäße Solarzelle mehrere Zwischenschichten am Ort der lokalen Erhitzung aufweist, wird die Schmelzmischung vorzugsweise aus Teilbereichen aller Zwischenschichten, Metallschicht und Halbleiterschicht gebildet.
Zwischen Metallschicht und Halbleiterschicht besteht somit im Bereich des Ortes des erstarrten Schmelzgemisches eine elektrisch leitende Verbindung.
Wesentlich ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens eine Zwischenschicht eine Dotierungsschicht ist. Diese Dotierungsschicht beinhaltet einen Dotierstoff, wobei der Dotierstoff eine größere Festkörper-Löslichkeit in der Halbleiterschicht aufweist als die Festkörper-Löslichkeit des Metalls der Metallschicht in der Halbleiterschicht.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis des Anmelders zugrunde, dass durch die Verwendung einer Dotierungsschicht der Dotierstoff aufgrund seiner gegenüber dem Metall der Metallschicht größeren Festkörper-Löslichkeit bei der Rekristallisation in einer höheren Konzentration substitutionell in das Kristallgitter des Halbleiters eingebaut wird und dadurch nach Erstarren der Schmelzmischung eine lokale Hochdotierung im Bereich des elektrischen Kontaktes zwischen Metallschicht und Halbleiterschicht durch den Dotierstoff besteht.
Zur Erzeugung hocheffizienter Solarzellen ist es bekannt, mittels mehrerer Fotolithographieschritte und Eindiffusionen lokale hochdotierte Bereiche in denjenigen Teilbereichen der Halbleiterschicht zu schaffen, an denen in späteren Prozessschritten die elektrische Kontaktierung zwischen Metallschicht und Halbleiterschicht erfolgt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich, durch lokales Erhitzen der Schichtstruktur gleichzeitig eine lokale Hochdotierung und die elektrische Kontaktierung zwischen Metallschicht und Halbleiterschicht herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere den Vorteil auf, dass die lokale Hochdotierung zwingend in dem Teilbereich der Halbleiterschicht entsteht, in dem die elektrische Kontaktierung zwischen Metallschicht und Halbleiterschicht erfolgt. Eine örtliche Dejustierung zwischen den Berei chen der lokalen Hochdotierung und der elektrischen Kontaktierung ist somit ausgeschlossen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber vorbekannten Verfahren zur lokalen Hochdotierung weiterhin den Vorteil auf, dass eine Entfernung der Dotierungsschicht vermieden werden kann. Vielmehr verbleibt sowohl die Dotierungsschicht, als auch die Metallschicht auf Halbleiterstruktur und beispielsweise auf der fertig gestellten Solarzelle, so dass keine zusätzlichen Prozessschritte zur Entfernung der Dotierungsschicht notwendig sind.
Durch die lokale Hochdotierung mit dem Dotierstoff werden die Kontakteigenschaften deutlich verbessert, insbesondere der Kontaktwiderstand zwischen Halbleiterschicht und Metallschicht verringert und die Grenzfläche zwischen der Halbleiteroberfläche und der Metallschicht deutlich besser gegen Minoritätsladungsträgerrekombination abgeschirmt und somit die elektrischen Eigenschaften verbessert. Diese Verbesserungen führen insbesondere bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Solarzellen zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades, bzw. zu einer Kostenreduzierung bei der Herstellung, da keine zusätzlichen Prozessschritte zur Herstellung der lokalen Hochdotierung notwendig sind.
Die Aufgabe ist weiterhin durch eine erfindungsgemäße Halbleiterstruktur gemäß Anspruch 18 gelöst. Die Halbleiterstruktur umfasst eine Halbleiterschicht, mindestens eine Zwischenschicht auf einer Seite der Halbleiterschicht und mindestens eine Metallschicht, welche die Zwischenschicht oder bei mehreren Zwischenschichten die zuletzt aufgebrachte Zwischenschicht bzw. die von der Halbleiterschicht am entferntesten liegende Zwischenschicht zumindest teilweise bedeckt, wobei die Halbleiterstruktur zumindest einen lokalen Bereich aufweist, welcher ein erstarrtes Schmelzgemisch von Teilbereichen zumindest der Schichten Metallschicht, erster Schicht und Halbleiterschicht ist, so dass Metallschicht und Halbleiterschicht am Ort des erstarrten Schmelzgemisches elektrisch leitend verbunden sind. Das erstarrte Schmelzgemisch ist das Resultat einer lokalen kurzzeitigen Erhitzung, welche kurzzeitig lokal eine Schmelzmischung aus den genannten Schichten bewirkt.
Wesentlich ist, dass mindestens eine Zwischenschicht eine Dotierungsschicht ist, welche einen Dotierstoff beinhaltet, wobei der Dotierstoff eine größere Löslichkeit in der Halbleiterschicht aufweist als das Metall der Metallschicht.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt.
Um eine ausreichend hohe Konzentration des Dotierstoffes nach Erstarren der Schmelzmischung zu erwirken, ist eine Mindestkonzentration des Dotierstoffes in der Dotierschicht vorteilhaft: Vorteilhafterweise ist die Konzentration des Dotierstoffes in der Dotierungsschicht größer gleich 1 × 10²¹ cm^–3. Insbesondere ist es vorteilhaft, das die Konzentration größer gleich 5 × 10²¹ cm^–3 ist.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn für eine gewählte Dicke der Dotierschicht die Konzentration des Dotierstoffes flächennormiert pro Flächeneinheit der Grenzfläche Halbleiterschicht/Dotierschicht mindestens 2,5 × 10¹⁴ cm^–2, insbesondere mindestens 1 × 10¹⁵ cm^–2 beträgt. Sofern die Dotierschicht auf eine Zwischenschicht aufgetragen wird, sind vorgenannte Werte pro Flächeneinheit der Grenzfläche Zwischenschicht/Dotierschicht vorteilhaft.
Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass Vorteilhafterweise als Dotierstoff Elemente verwendet werden, die aus der III. oder V. Hauptgruppe des Periodensystems stammen bzw. Verbindungen, die solche Elemente als Bestandteil aufweisen. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der Dotierstoff Bor oder Phosphor oder Gallium ist.
Sehr gute Kontakteigenschaften konnte der Anmelder in Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielen, bei denen die Dotierungsschicht als Borsilikatglas ausgebildet wird.
Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades der Solarzelle ist es vorteilhaft, dass die erste auf der Halbleiterschicht aufgebrachte Zwischenschicht eine passivierende Wirkung hinsichtlich der Oberflächenrekombinations geschwindigkeit an der Grenzfläche dieser Halbleiterschicht zu dieser ersten Zwischenschicht aufweist. Hierdurch wird nicht nur durch die lokale Hochdotierung an den Bereichen der elektrischen Kontaktierung eine Rekombination der Minoritätsladungsträger vermieden sondern ebenfalls an den Bereichen zwischen den lokalen Hochdotierungen aufgrund der passivierenden Wirkung der ersten auf die Halbleiterschicht aufgebrachte Zwischenschicht.
Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass zwischen Halbleiterschicht und Metallschicht lediglich die Dotierungsschicht aufgebracht wird und die Dotierungsschicht derart ausgebildet ist, dass sie die zuvor beschriebene passivierende Wirkung erzielt. Insbesondere ist es jedoch vorteilhaft, zunächst eine zur Passivierung der Oberfläche besonders geeignete Schicht auf die Oberfläche der Halbleiterschicht aufzubringen, anschließend auf diese passivierende Schicht die Dotierungsschicht und schließlich auf die Dotierungsschicht die Metallschicht aufzutragen.
Die Dotierungsschicht ist Vorteilhafterweise dünner als 1 μm, insbesondere dünner als 500 nm. Hierdurch ist eine ausreichende Wärmeübertragung bei lokaler Einbringung der Wärme zur Erzeugung der Schmelzschicht gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das lokale Aufschmelzen in einem im Wesentlichen punkt- oder linienförmigen Bereich.
Insbesondere ist es vorteilhaft, bei Erzeugung von Kontakten an der Rückseite einer Solarzelle punktförmige Kontakte zu verwenden. Hingegen ist es bei Erzeugung der Vorderseitenkontakte einer Solarzelle vorteilhaft, linienförmige Kontakte zu erzeugen, da typischerweise Solarzellen auf der Vorderseite durch linienartige metallische Strukturen, die kammartig miteinander verbunden sind, kontaktiert werden.
Der lokale Bereich, in dem die Schichten aufgeschmolzen werden, weist vorteilhafterweise einen Durchmesser kleiner 500 μm, insbesondere kleiner 200 μm auf. Hierdurch wird gewährleistet, dass in den benachbarten Berei chen, in denen keine Kontaktierung erfolgt, keine Schädigung der Kristallstruktur des Halbleiters und somit keine Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften auftritt.
Vorteilhafterweise werden eine Vielzahl lokaler Kontaktierungen und lokaler Hochdotierungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt. Insbesondere bei Solarzellen ist es vorteilhaft, dass der Gesamtflächenanteil aller lokalen aufgeschmolzenen Bereiche an der Gesamtoberfläche der Halbleiterschicht kleiner als 20%, insbesondere kleiner als 5% ist. Ein zu hoher Anteil an Bereichen mit Hochdotierung und elektrischer Kontaktierung würde zu einer erhöhten Minoritätsladungsträgerrekombination führen, die zuvor angegebenen Prozentzahlen gewährleisten ein optimiertes Verhältnis zwischen den kontaktierten Bereichen mit lokaler Hochdotierung und den Bereichen mit erhöhter Oberflächenpassivierung.
Wie zuvor beschrieben, erfolgt im Verfahrensschritt B ein lokales Erhitzen der Schichtstruktur derart, dass sich eine Schmelzmischung bildet.
Vorteilhafterweise wird in Schritt B die lokale Erwärmung derart ausgeführt, dass mindestens die Temperatur des eutektischen Punktes des Schmelzgemisches erreicht wird, insbesondere, dass die Schichtstruktur lokal auf mindestens 550 Grad Celsius erwärmt wird.
Wie zuvor beschrieben, weist das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, dass keine Entfernung der Dotierungsschicht notwendig ist. Der Transport der Ladungsträger ausgehend von der Halbleiterschicht erfolgt somit von der Halbleiterschicht über den Bereich des erstarrten Schmelzgemisches in die Metallschicht und von dort in gegebenenfalls angeschlossene externe Stromkreise bzw. eine benachbarte Solarzelle bei Modulverschaltung.
Typischerweise ist die Metallschicht zur Minimierung von Verlusten aufgrund von ohmschen Serienwiderständen ausgebildet. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Dotierungsschicht einen Schichtwiderstand aufweist, der mindestens um einen Faktor 10, insbesondere mindestens um einen Faktor 100, vorzugsweise mindestens um einen Faktor 1000 größer ist als der Schichtwiderstand der Me tallschicht, so dass der Stromtransport parallel zur Oberfläche der Halbleiterschicht im Wesentlichen in der Halbleiterschicht und in der Metallschicht, nicht jedoch in der Dotierungsschicht erfolgt.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Dotierungsschicht elektrisch isolierend ist. Hierdurch wird zusätzlich eine Barriere gegenüber unerwünschten Kontakten zwischen Metallschicht und Halbleiterschicht gebildet.
Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften der Solarzelle ist es vorteilhaft, wenn zumindest die erste auf der Halbleiterschicht aufgebrachte Schicht eine optisch transparente Schicht ist, insbesondere eine im Wellenlängenbereich 300 nm bis 1500 nm transparente Schicht.
Dies ist bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Vorderseitenkontakten einer Solarzelle notwendig, da in diesem Fall die elektromagnetische Strahlung über die Vorderseite in die Halbleiterschicht eingekoppelt wird und somit eine Transparenz insbesondere in dem für Solarzellen relevanten spektralen Bereich notwendig ist.
Ebenso ist jedoch auch vorteilhaft, bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung der Rückseitenkontakte einer Solarzelle die erste auf die Halbleiterschicht aufgebrachte Zwischenschicht wie zuvor beschrieben transparent auszubilden, da hierdurch die reflektierenden Eigenschaften der Rückseite der Solarzelle verbessert werden und in die Solarzelle eingekoppelte, bis zur Rückseite gelangende elektromagnetische Strahlung reflektiert wird und dadurch die Gesamtabsorption von Strahlung in der Solarzelle und hierdurch der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht wird.
Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarzelle kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden, in dem in einer vorteilhafter Ausführungsform eine zusätzliche Zwischenschicht zwischen Dotierungsschicht und Metallschicht aufgebracht wird, wobei diese Zwischenschicht ohne korrosive Eigenschaften zur Metallschicht ist. Hierdurch wird eine Verringerung des Wirkungsgrades durch Korrosion der Metallleiterschicht vermieden oder zumindest verringert und hierdurch die Degradation des Wirkungsgrades der Solarzelle durch Umwelteinflüsse verringert.
Solche Schichten werden vorzugsweise aus den Materialen Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid hergestellt.
In einer weiteren Vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine zusätzliche Zwischenschicht zwischen Halbleiterschicht und Dotierungsschicht aufgebracht. Diese Zwischenschicht besteht vorzugsweise aus Siliziumdioxid oder amorphem Silizium oder amorphem Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, solch eine Zwischenschicht aus einer Kombinationen der vorgenannten zu erzeugen, wie beispielsweise in M. Hofmann et al., Proceedings of the 21st EU-PVSEC, Dresden, 2006 beschrieben.
Diese Schichten weisen insbesondere eine sehr gute passivierende Wirkung bezüglich der Oberflächenrekombinationseigenschaften der Oberfläche der Halbleiterschicht auf.
Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass insbesondere das folgende Schichtsystem für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ist:
Auf einem Siliziumwafer (Halbleiterschicht) wird eine Passivierungsschicht von etwa 10 nm bis 30 nm Dicke aufgetragen, anschließend eine Dotierungsschicht von etwa 100 nm bis 200 nm Dicke, hierauf eine Zwischenschicht ohne korrosive Eigenschaften zu eine Metallschicht, beispielsweise eine Siliziumnitridschicht, mit einer Dicke von etwa 30 nm und schließlich eine Metallschicht, beispielsweise eine Aluminiumschicht, mit einer Dicke von 0,5 μm bis 10 μm, vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 2 μm.
Weitere Merkmale und vorzugsweise Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigt:
1 einen schematischen Aufbau einer Solarzelle 1,
2 einen Ausschnitt der resultierenden Schichtstruktur an der Rückseite der Solarzelle gemäß 1 vor dem lokalen Aufschmelzen und
3 den Ausschnitt aus 2 nach dem Aufschmelzen und Erstarren des Schmelzgemisches.
Die industrielle Fertigung von Solarzellen unterliegt bereits rein aus Wettbewerbsgründen den Bestrebungen, Solarzellen mit möglichst hohem Wirkungsgrad, dass heißt bei einer möglichst hohen elektrischen Stromausbeute aus dem auf die Solarzelle eintreffenden solaren Energiefluss herzustellen und zugleich den Fertigungsaufwand und damit eng verbunden die Herstellungskosten gering zu halten.
Zum näheren Verständnis der bei einer optimierten Fertigung von Solarzellen zu beachtenden Maßnahmen sollen die nachstehenden Ausführungen dienen:
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Üblicherweise bestehen sie aus einem Halbleitermaterial – meist werden Solarzellen aus Silizium gefertigt –, das n- bzw. p-leitende Halbleiterbereiche aufweist. Die Halbleiterbereiche werden in sich bekannter Weise als Emitter bzw. Basis bezeichnet. Durch auf die Solarzelle einfallendes Licht werden innerhalb der Solarzelle positive und negative Ladungsträger erzeugt, die an der Grenzfläche zwischen dem n- (Emitter) und p-dotierten (Basis) Halbleiterbereich, am sogenannten pn-Übergang räumlich voneinander getrennt werden. Mittels metallischer Kontakte, die mit dem Emitter und mit der Basis verbunden sind, können diese voneinander getrennten Ladungsträger abgeführt werden.
In der einfachsten Form bestehen Solarzellen aus ganzflächigen Basis- 2 und Emitterbereichen 3, wobei der Emitter 3 auf der dem Licht zugewandten Seite, der Vorderseite der Solarzelle liegt. Zur Veranschaulichung sei an dieser Stelle auf 1 verwiesen, die eine bekannte Solarzelle 1 zeigt.
Zur elektrischen Kontaktierung der Basis 2 wird für gewöhnlich die Rückseite der Solarzelle 1 mit einer ganzflächigen Metallschicht 4 versehen, auf die geeignete Rückseitenkontaktleiterbahnen 5, bspw. aus AlAg aufgebracht sind. Der Emitterbereich 3 wird mit einem Metall-Grid 6 kontaktiert mit dem Ziel, möglichst wenig Licht durch Reflexion am Metallkontakt für die Solarzelle zu verlieren, d. h. das Metall-Grid 6 weist eine Fingerstruktur auf, um möglichst wenig Solarzellenfläche zu verdecken. Zur Optimierung der Leistungsausbeute der Solarzelle 1 wird zudem versucht, die optischen Verluste auf Grund von Reflexion möglichst klein zu halten. Erreicht wird dies durch die Abscheidung sogenannter Antireflexionsschichten 7 (ARC) auf der Vorderseitenoberfläche der Solarzelle 1. Die Schichtdicke der Antireflexionsschichten 7 ist so gewählt, dass sich im energetisch wichtigsten Spektralbereich gerade destruktive Interferenz des reflektierten Lichtes ergibt. Verwendete Antireflexmaterialien sind z. B. Titandioxid, Siliciumnitrid und Siliciumdioxid. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Reflexionsminderung durch Herstellung einer geeigneten Oberflächentextur mittels eines Ätz- oder mechanischen Bearbeitungsverfahrens erzielt werden, wie es auch aus der in 2 dargestellten Solarzelle hervorgeht. Hier ist der Emitterbereich 3 sowie auch die auf dem Emitter aufgebrachte Antireflexionsschicht 7 derart strukturiert ausgebildet, dass das auf die strukturierte Oberfläche der Solarzelle 1 einfallende Licht an den pyramidenartig ausgebildeten Strukturen eine erhöhte Einkopplungswahrscheinlichkeit hat. Auch im Falle der Solarzelle gemäß der 2 erfolgt die elektrische Kontaktierung des Emitters 3 mit einem möglichst feingliedrigen Metall-Grid 6, von dem lediglich ein schmaler Kontaktfinger in 2 dargestellt ist. Die Antireflexionsschicht 7 kann überdies auch als Passivierungsschicht dienen, die zum einen für einen mechanischen Oberflächenschutz sorgt aber zudem auch intrinsische Wirkungen besitzt hinsichtlich der Reduzierung von Oberflächenrekombinationsprozessen, auf die im weiteren genauer eingegangen wird.
Bei der elektrischen Kontaktierung einer Solarzelle ist zwischen der Vorder- und Rückseite zu unterscheiden. Während auf der Rückseite der Solarzelle versucht wird, einen Kontakt herzustellen, der sich hauptsächlich durch einen niedrigen Kontakt- und Leitungswiderstand auszeichnet, muss auf der Vorderseite zusätzlich möglichst viel Licht in die Solarzeile eingekoppelt werden. Deshalb wird auf der Vorderseite normalerweise eine Kammstruktur, wie aus der 1 ersichtlich, erzeugt, um sowohl die Widerstands- als auch die Abschattungsverluste klein zu halten. Auf der Rückseite der Solarzelle kommen für gewöhnlich sowohl ganzflächige als auch strukturierte z. B. gitterartige Kontakte zum Einsatz.
Ein Ausschnitt der resultierenden Schichtstruktur an der Solarzellenrückseite ist in 2 dargestellt, wobei in den 2 und 3 die Schichtreihenfolge umgekehrt wurde, d. h. die in der Solarzelle zuunterst liegende Schicht ist in den 2 und 3 zuoberst dargestellt.
Die Rückseitenkontakte dieser in 1 dargestellten Solarzelle werden Vorteilhafterweise mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt. Die Erzeugung wird im folgenden anhand der 2 und 3 erläutert, welche einen Ausschnitt eines lokalen Bereiches, in dem ein elektrischer lokaler Kontakt und eine lokale Hochdotierung erzeugt wird an der Rückseite der in 1 dargestellten Solarzelle zeigen. In diesem Ausführungsbeispiel stellt eine Siliziumscheibe (oder Siliziumwafer) 8, aus welchem die in 1 dargestellte Solarzelle erzeugt wurde, die Halbleiterschicht dar. Auf der Siliziumscheibe 8 wird eine ca. 10 nm dünne passivierende Schicht 9 aus Siliziumdioxid aufgebracht. Anschließend wird eine ca. 80 nm dünne Schicht aus hochdotiertem Borsilikatglas aufgebracht. Diese Dotierungsschicht 10 beinhaltet den Dotierstoff Bor in einer Konzentration von etwa 2 × 10²¹ cm^–3.
Auf die Dotierungsschicht 10 wird eine ca. 10 nm dicke Antireflextionsschicht 11 aufgetragen, welche als Siliziumdioxidschicht ausgebildet ist.
In diesem Ausführungsbeispiel werden somit insgesamt 3 Zwischenschichten auf die Siliziumscheibe 8 aufgebracht (Verfahrensschritt A i.).
Anschließend wird auf die letzte Zwischenschicht, das heißt die Siliziumdioxidschicht, eine als Schicht aus Aluminium ausgeführte Metallschicht 12 mit einer Dicke von etwa 2 μm bis 3 μm (Verfahrensschritt A ii.) aufgetragen.
Anschließend wird durch kurzzeitige lokale Bestrahlung am Ort 13 der Aluminiumschicht eine Schmelzmischung zwischen Aluminium, der darunter liegenden dünnen Zwischenschichten und eines Bereiches von einigen μm Tiefe der Halbleiterschicht, das heißt der Siliziumscheibe 8 erzeugt. Die Bestrahlung erfolgt für eine Zeitdauer von etwa 50 bis 5000 ns. Nach Abklingen der lokalen Bestrahlung rekristallisiert ein wenige μm dicker Bereich aus dem zuvor gebildeten Schmelzgemisch. Dies ist in 3 schematisch durch den Bereich 14 für einen ausgebildeten Kontakt dargestellt.
Der Dotierstoff Bor weist eine Löslichkeit von etwa 3 × 10¹⁹ cm^–3 in Silizium gegenüber der wesentlich geringeren Löslichkeit von Aluminium von 3 × 10¹⁸ cm^–3 in Silizium auf. Beim Rekristallisieren wird daher das Bor aufgrund der wesentlich höheren Löslichkeit mit einer viel höheren Konzentration in das Kristallgitter der beim Erstarren entstehenden Siliziumstruktur eingebaut, gegenüber dem Aluminium. Der erstarrte Bereich weist somit eine lokale Bor-Hochdotierung auf und zusätzlich ist ein elektrischer Kontakt zwischen der Metallschicht 12 und der Siliziumscheibe 8 erzeugt (Verfahrensschritt D).
Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit Vorteile gegenüber dem Vorbekannten Verfahren zur lokalen Kontaktierung einer Solarzelle gemäß DE 100 46 170 A1 auf: Durch die höhere Dotierung mit Bor im Bereich der elektrischen Kontaktierung wird eine signifikant niedrigere Rekombinationsrate an den Kontakten realisiert. Hierdurch kann eine erhöhte Anzahl von Kontaktpunkten, das heißt eine erhöhte Gesamtfläche der elektrischen Kontaktierung realisiert werden, ohne das aufgrund erhöhter Rekombination der Wirkungsgrad der Solarzelle verringert würde. Durch die erhöhte Gesamtfläche der elektrischen Kontaktierung sinkt jedoch der elektrische Leitungswiderstands bei abführen der Ladungsträger aus der Siliziumscheibe über die Metallschicht, so dass insgesamt der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht wird.
Das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Herstellung der Rückseitenkontakte der in 1 dargestellten Solarzelle. Ebenso liegt es jedoch im Rahmen der Erfindung, das erfindungsgemäße Verfahren für die Erzeugung der Vorderseitenkontaktierung und/oder für eine n-dotierte Halbleiterschicht zu verwenden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10046170 A1 [0003, 0061]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- M. Hofmann et al., Proceedings of the 21st EU-PVSEC, Dresden, 2006 [0042]

Claims

Verfahren zur lokalen Kontaktierung und lokalen Dotierung einer Halbleiterschicht, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Erzeugen einer Schichtstruktur auf der Halbleiterschicht durch i. Aufbringen mindestens einer Zwischenschicht (9, 10, 11) auf eine Seite der Halbleiterschicht und ii. Aufbringen mindestens einer Metallschicht (12) auf die in Schritt i. zuletzt aufgebrachte Zwischenschicht (11), wobei die Metallschicht die zuletzt aufgebrachte Zwischenschicht zumindest (11) teilweise bedeckt, B lokales Erhitzen der Schichtstruktur, derart, dass sich in einem lokalen Bereich kurzzeitig eine Schmelzmischung aus zumindest Teilbereichen zumindest der Schichten: Metallschicht (12), Zwischenschicht (9, 10, 11) und Halbleiterschicht, bildet und nach Erstarren der Schmelzmischung eine Kontaktierung zwischen Metallschicht (11) und Halbleiterschicht besteht, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt A i. mindestens eine als Dotierungsschicht (10) ausgeführte Zwischenschicht aufgebracht wird, welche einen Dotierstoff bein haltet, wobei der Dotierstoff eine größere Löslichkeit in der Halbleiterschicht aufweist als das Metall der Metallschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Dotierstoffes in der Dotierungsschicht (10) größer gleich 1 × 10²¹ cm^–3, insbesondere größer gleich 5 × 10²¹ cm^–3 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Dotierstoffes bezogen auf die Grenzfläche der Dotierschicht (10) zu der Halbleiterschicht oder der Zwischenschicht größer gleich 2,5 × 10¹⁴ cm^–2, insbesondere größer gleich 1 × 10¹⁵ cm^–2 ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff ein Element der dritten oder fünften Hauptgruppe enthält, insbesondere, dass der Dotierstoff Bor oder Phosphor oder Gallium ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsschicht (10) als Borsilikatglas ausgebildet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste auf der Halbleiterschicht aufgebrachte Zwischenschicht (9) eine passivierende Wirkung hinsichtlich der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Grenzfläche Halbleiterschicht/Zwischenschicht aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsschicht (10) dünner als 1 μm, insbesondere dünner als 500 nm ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Bereich, in dem die Schichten aufgeschmolzen werden einen Durchmesser kleiner 500 μm, insbesondere kleiner 200 μm aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Aufschmelzen in einem im Wesentlichen punkt- oder linienförmigen Bereich erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von lokalen Bereichen aufgeschmolzen wird, wobei der Gesamtflächenanteil aller lokalen Bereiche an der Gesamtoberfläche der Halbleiterschicht kleiner 20%, insbesondere kleiner 5% ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B lokal eine lokale Erwärmung auf mindestens 550°C erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsschicht (10) einen Schichtwiderstand aufweist, der mindestens um einen Faktor 10, insbesondere mindestens um einen Faktor 100, vorzugsweise mindestens um einen Faktor 1000 größer ist als der Schichtwiderstand der Metallschicht (12).
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsschicht (10) elektrisch isolierend ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste auf die Halbleiterschicht aufgebrachte Schicht eine optisch transparente Schicht ist, insbesondere eine im Wellenlängenbereich 300 nm bis 1500 nm im Wesentlichen transparente Schicht.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Zwischenschicht (11) zwischen Dotierungsschicht (10) und Metallschicht (12) aufgebracht wird, wobei diese zusätzliche Zwischenschicht (11) ohne korrosive Eigenschaften zur Metallschicht ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Zwischenschicht (9) zwischen Halbleiterschicht und Dotierungsschicht (10) aufgebracht wird, vorzugsweise bestehend aus Siliziumdioxid oder amorphem Silizium oder amorphem Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierschicht (10) mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung oder mittels Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung oder als Spin-On-Schicht aufgebracht wird.
Halbleiterstruktur, umfassend eine Halbleiterschicht, mindestens eine Zwischenschicht (9, 10, 11) auf einer Seite der Halbleiterschicht und mindestens eine Metallschicht (12), welche die Zwischenschicht oder bei mehreren Zwischenschichten die zuletzt aufgebrachte Zwischenschicht zumindest teilweise bedeckt, wobei die Halbleiterstruktur zumindest einen lokalen Bereich aufweist, welcher ein erstarrtes Schmelzgemisch von Teilbereichen zumindest der Schichten Metallschicht, erster Schicht und Halbleiterschicht ist, so dass Metallschicht und Halbleiterschicht am Ort des erstarrten Schmelzgemisches elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zwischenschicht eine Dotierungsschicht (10) ist, welche einen Dotierstoff beinhaltet, wobei der Dotierstoff eine größere Löslichkeit in der Halbleiterschicht aufweist als das Metall der Metallschicht (12).
Halbleiterstruktur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbeiterstruktur im Bereich des erstarrten Schmelzgemisches eine Dotierung mittels des Dotierstoffes aufweist.
Halbleiterstruktur nach mindestens einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterstruktur mittels eines Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17 hergestellt ist.