DE102011002748A1

DE102011002748A1 - Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Solarzelle

Info

Publication number: DE102011002748A1
Application number: DE102011002748A
Authority: DE
Inventors: Reik Jesswein; Tim Boescke; Karsten Meyer; Jan Lossen; Kamal Katkhouda; Tobias Wuetherich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2012-07-19
Also published as: WO2012097914A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Solarzelle mit in einer Oberfläche eines Silizium-Substrats durch Dotierung erzeugtem Emitter und auf dem Emitter lokal vorgesehenen Metallkontaktbereichen, wobei ein Dotierstoff-Quellmaterial flächig. auf die Substratoberfläche aufgeschichtet und ein erster Dotierstoff-Eintreibschritt ausgeführt und danach die Schicht des Dotierstoff-Quellmaterials gemäß den vorgesehenen Metallkontaktbereichen strukturiert und im strukturierten Zustand ein zweiter Dotierstoff-Eintreibschritt ausgeführt wird, wobei zur Passivierung des Emitters ein im zweiten Dotierstoff-Eintreibschritt ausgebildete Oxidschicht mindestens mit einem Teil ihrer Dicke auf dem Emitter belassen und auf das verbliebene Oxid eine Nitridschicht aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Solarzelle mit in einer Oberfläche eines Silizium-Substrats durch Dotierung erzeugtem Emitter und auf dem Emitter lokal vorgesehenen Metallkontaktbereichen, wobei ein Dotierstoff-Quellmaterial flächig auf die Substratoberfläche aufgeschichtet und ein erster Dotierstoff-Eintreibschritt ausgeführt und danach die Schicht des Dotierstoff-Quellmaterials gemäß den vorgesehenen Metallkontaktbereichen strukturiert und im strukturierten Zustand ein zweiter Dotierstoff-Eintreibschritt ausgeführt wird.
Stand der Technik
Ein derartiges Verfahren wurde bei der Anmelderin entwickelt und in der DE 10 2009 015 307.5 beschrieben. 1 zeigt schematisch wesentliche Verfahrensschritte a) bis e) dieses Verfahrens. In diesem Prozessfluss wird in einem ersten Schritt a) zunächst ein Si-Wafer 10 mit Phosphorglas 11 belegt und ein erster Dotierstoff-Eintreibschritt zur Erzeugung einer ganzflächigen P-Dotierung in der mit dem Phosphorglas belegten Wafer-Oberfläche ausgeführt. Anschließend wird in einem zweiten Schritt b) das als Dotierstoff-Quellmaterial dienende Phosphorglas 11 maskiert und nasschemisch strukturiert, indem es in denjenigen Bereichen, in denen später (nicht dargestellte) Metallkontaktbereiche bzw. „Finger” aufgebracht werden sollen, stehen bleibt und in den dazwischen liegenden Bereichen („Zwischenfingergebieten”) entfernt wird.
Nach Entfernen der Maskierung findet in einer Sauerstoffatmosphäre ein zweiter Dotierstoff-Eintreibschritt statt, durch den die P-Dotierung in den Zwischenfindergebieten tief eingetrieben und hierbei die Oberflächenkonzentration abgesenkt wird. Dabei wächst sowohl in den Zwischenfingergebieten als auch unterhalb der Phosphorglas-Restschicht 12 eine leicht phosphorhaltige Oxidschicht 13, wie in 1c) dargestellt. Im Schritt d) werden die Phosphorglas-Restschicht und die erwähnte Oxidschicht entfernt, und im Schritt e) wird eine Si-N-Passivierschicht 14 auf den Wafer abgeschieden.
Durch die geringe Oberflächenkonzentration lässt sich mit dieser Art von Emittern eine sehr gute Blauempfindlichkeit erreichen. Wegen eines geringeren Feldeffekts an der Waferoberfläche ist es aber notwendig, eine gegenüber dem in der Standardzelle verwendeten Siliziumnitrid verbesserte Passivierung einzusetzen. Ein weiteres Problem des beschriebenen Prozessflusses besteht in Schwierigkeiten beim Ausrichten der Metallisierung auf die hochdotierten Fingerbereiche. Da der hochdotierte Bereich nach der Abscheidung der SiN-Passivierung nicht sichtbar ist, kann die Ausrichtung des Siebes nur anhand weiterer Marken oder der Kanten erfolgen.
In der Forschung wird zur hochwertigen Passivierung üblicherweise ein Stapel aus thermisch gewachsenem Siliziumoxid (SiO₂) und einer Schicht mit hohem Brechungsindex eingesetzt. Diese Art der Passivierung erfordert jedoch einen zusätzlichen Hochtemperaturschritt und ist daher in der Massenfertigung zu teuer.
In R. E. Schlosser, K. A. Münzer, A. Froitzheim, R. Tolle, M. G. Winstel, „Manufacturing of transparent selective emitter and boron back-surface-field solar cells using screen printing technique" 21st EU-PVSEC, 2006, Dresden, Germany wird ein Prozessfluss beschrieben, bei welchem eine dicke Oxidschicht (> 40 nm), die zur Maskierung der Diffusion der hochdotierten Fingergebiete genutzt wird, gleichzeitig als Oxidpassivierung dient. Um eine gute Verspiegelung der Zelle zu erreichen, wird die Oxidschicht durch einen nasschemischen Schritt zurück geätzt (vermutlich auf 10 nm bis 15 nm) und anschließend mit höher brechendem Siliziumnitrid aufgedickt. Da hier eine relativ dicke Oxidschicht mit hoher Genauigkeit zurück geätzt werden muss, wird diese Variante als relativ instabil ausgewiesen.
Aus der DE 10 2007 035 068 A1 ist ein ähnliches Verfahren bekannt, bei dem optional auch das Erzeugen einer Dielektrikumschicht als Antireflex- und/oder Passivierungsschicht vorgesehen ist.
Auch die DE 697 31 485 T2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung (insbesondere einer photovoltaischen Zelle) mit selektiv diffundierten Bereichen. Neben dem Einsatz gasförmiger Dotierstoffe wird in. dieser Druckschrift auch das Vorsehen einer Passivierungs-Oxidschicht sowie einer als Antireflexbeschichtung dienenden Siliziumnitridschicht erwähnt.
Die WO 2010/012062 A1 beschreibt eine kristalline Silizium-Solarzelle mit selektivem Emitter, welche unter Einsatz eines Niedertemperatur-Ätz- und Passivierungsprozesses mit hoher Präzision erzeugt wird. Das dort beschriebene Verfahren kann eine Passivierung mit einer elektrochemisch gebildeten Silizium-Oxidschicht einschließen.
Offenbarung der Erfindung
Ein Verfahren gemäß der Erfindung weist die Merkmale des Anspruches 1 auf. Zweckmäßige Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird ein beim Eintreibschritt des selektiven Emitters entstehendes Oxid in Kombination mit einer Nitridschicht zur Passivierung verwendet. Dazu wird in einer Ausführung der Erfindung dieses Oxid durch einen Rückätzschritt (z. B. nasschemisch in verdünnter HF) auf eine Dicke von ca. 5 nm bis 20 nm zurück geätzt. Gegenüber dem Stand der Technik kann so eine erhebliche Reduktion des Emittersättigungsstroms erreicht werden, welche direkt in eine höhere Solarzelleneffizienz umgesetzt werden kann. In diesem Prozessfluss wächst nur ein relativ dünnes Oxid, wodurch der Rückätzprozess gegenüber dem Prozessfluss in Schlosser et al. besser zu kontrollieren ist.
Da sich im Fingerbereich vor dem Eintreiben eine Restschicht von Dotierstoff-Quellmaterial (speziell etwa Phosphorsilikatglas) befand, ist die Oxidschicht in diesem Bereich auch nach Eintreiben und Rückätzen etwas dicker. Dieses hat zur Folge dass der Fingerbereich optisch hervorgehoben wird, was ein optisches Ausrichten der Siebdruckmetallisierung auf die hochdotierten Fingerbereiche ermöglicht.
In einer alternativen Variante erfolgt der Eintreibschritt in einer Sequenz in Stickstoff- und Sauerstoffatmosphäre, wodurch gezielt eine Oxidschicht mit einer Schichtdicke zwischen 5 nm und 20 nm gewachsen werden kann. Durch diese Modifikation kann der Rückätzschritt entfallen, welches zu einer Reduktion der Prozesskomplexität gegenüber der ursprünglichen Sequenz führt.
In einer Ausgestaltung wird das Aufbringen der Nitridschicht mittels PECVD ausgeführt. Hierbei wird die Dicke der Nitridschicht insbesondere auf einen Wert im Bereich von 25 nm bis 100 nm, bevorzugt 40 nm bis 90 nm, eingestellt.
Als Vorteile der Erfindung bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen derselben sind insbesondere zu nennen:

– eine Verbesserung der Emitterpassivierung, und damit Solarzelleneffizienz;
– eine Reduktion der Prozesskomplexität gegenüber dem ursprünglichen Prozessfluss (Variante C);
– eine Vereinfachung der Optischen Ausrichtung des Drucksiebes auf die hochdotierten Fingerbereiche.

Zeichnungen
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Prozessflusses nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung eines Prozessflusses gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung eines Prozessflusses gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung und
4 eine weitere schematische Darstellung zur zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs in 2 ist an die Darstellung in 1 angelehnt, und die Schritte a) bis c) sind die gleichen. Angemerkt sei, dass die Maskierung mittels Tintenstrahldruck oder Siebdruck eines geeigneten Resists und das maskierte Ätzen des Phosphorglases (POCl₃) mittels HF (Fluorwasserstoff) erfolgen können.
Nach dem zweiten Dotiermittel-Eintreibschritt gemäß 2c) in Sauerstoffatmosphäre wird ein lediglich partielles Rückätzen der beim Eintreiben entstandenen Oxidschicht 13 ausgeführt, welches eine erste Passivierungs-Teilschicht 15 auf der Emitteroberfläche zurücklässt; vgl. 2d). Auf diese Schicht wird in einem Schritt e) mittels plasmagestützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) eine Siliziumnitrid-Schicht abgeschieden. Mit der dünnen SiN-Schicht 16 werden die gewünschten optischen Eigenschaften der Zellenoberfläche wieder hergestellt. In an sich bekannter Weise folgen darauf die (nicht gezeigten) Schritte des Druckens und Feuerns der Metallkontaktbereiche (Finger).
3 zeigt eine alternative Prozessführung, bei der abermals die ersten Schritten dem bei der Anmelderin bereits praktizierten Verfahren gemäß 1 weitgehend entsprechen. Jedoch wird hier der zweite Dotierstoff-Eintreibschritt, also Schritt c), in einer modifizierten Atmosphäre ausgeführt, in der nur eine dünnere Oxidschicht 17 wächst, welche nicht zurückgeätzt werden muss. Die Dotierstoff-Restschicht 12 des Phosphorglases im Bereich der vorgesehenen Metallkontaktfinger bleibt bei dieser Verfahrensführung stehen, und im Schritt d) wird – wie bei der vorbeschriebenen Verfahrensführung gemäß 2 – eine SiN-Schicht 16 mittels PECVD abgeschieden.
4 dient der weiteren Verdeutlichung der Verfahrensführung im Schritt c) gemäß 3. Im oberen Bereich der Figur ist schematisch ein Temperatur-Zeit-Diagramm A und im unteren Teil ein hierzu bezüglich der Zeitachse korreliertes Gasfluss-Zeit-Diagramm B für den zweiten Dotierstoff-Eintreibschritt gezeigt. Diagramm A zeigt hierbei das Eintreiben gemäß dem praktizierten Verfahren der Anmelderin in Sauerstoffatmosphäre (mit Anwendung einer Stickstoffatmosphäre lediglich in der Anfangsphase des Temperaturanstieges und der Endphase des Absenkens der Temperatur), während das Diagramm B den Wechsel von einer N₂-Atmosphäre in eine O₂-Atmosphäre während der Phase des Haltens hoher Temperatur (Eintreibtemperatur) zeigt. Durch geeignete Einstellung der Dauer der Einwirkung der N₂- bzw. O₂-Atmosphäre lässt sich das Aufwachsen einer dünnen Oxidschicht hinreichend präzise steuern.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.
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 102009015307 [0002]
DE 102007035068 A1 [0007]
DE 69731485 T2 [0008]
WO 2010/012062 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. E. Schlosser, K. A. Münzer, A. Froitzheim, R. Tolle, M. G. Winstel, „Manufacturing of transparent selective emitter and boron back-surface-field solar cells using screen printing technique” 21st EU-PVSEC, 2006, Dresden, Germany [0006]
Schlosser et al. [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Solarzelle mit in einer Oberfläche eines Silizium-Substrats (10) durch Dotierung erzeugtem Emitter und auf dem Emitter lokal vorgesehenen Metallkontaktbereichen, wobei ein Dotierstoff-Quellmaterial (11) flächig auf die Substratoberfläche aufgeschichtet und ein erster Dotierstoff-Eintreibschritt ausgeführt und danach die Schicht des Dotierstoff-Quellmaterials gemäß den vorgesehenen Metallkontaktbereichen strukturiert und im strukturierten Zustand (12) ein zweiter Dotierstoff-Eintreibschritt ausgeführt wird, wobei zur Passivierung des Emitters eine im zweiten Dotierstoff-Eintreibschritt ausgebildete Oxidschicht (13; 17) mindestens mit einem Teil ihrer Dicke auf dem Emitter belassen und auf das verbliebene Oxid eine Nitridschicht (14; 16) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Teil der Dicke des gebildeten Oxids (13) rückgeätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Rückätzten nasschemisch, insbesondere mittels verdünnter Flusssäure, ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oxidschicht (17) in einer vorbestimmten Dicke von 40 nm oder weniger, insbesondere 30 nm oder weniger, durch eine Schrittfolge des Eintreibens in wechselnder Stickstoff- und Sauerstoff-Atmosphäre oder in Stickstoff-/Sauerstoff-Mischatmosphäre ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Oxidschicht (13; 17) auf einen Wert im Bereich zwischen 5 nm und 30 nm eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen der Nitridschicht (14; 16) mittels PECVD ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Nitridschicht (14; 16) im Bereich zwischen 25 nm bis 100 nm, bevorzugt 40 nm bis 90 nm, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dotierung eine Phosphor-Dotierung ist und das Dotierstoff-Quellmaterial Phosphorglas (11) aufweist.