Gettern und BSF-Bildung

Alle in der Photovoltaik verwendeten Siliziummaterialien beinhalten mehr oder weniger viele Verunreinigungen. Vor allem bei multikristallinen Materialien, und hier speziell bei RGS, erreichen metallischen Verunreinigungen Konzentratio-nen, die sich deutlich negativ auf die Parameter einer Solarzel-le aus dem entsprechenden Material auswirken können. Durch das sogenannte „Gettern“ bietet sich die Möglichkeit, einen Teil der metallischen Verunreinigungen aus dem Volumenma-terial zu entfernen.

i Die Bezeichnung SiNx soll darauf hin deuten, dass die verwendeten Schichten nicht notwendiger Weise das stöchi-ometrische Verhältnis 3 : 4 haben.

1.1. DER STANDARDPROZESS 13

Es gibt zwei grundsätzliche Vorgehensweisen, um Verunreinigungen zu gettern. Das intrinsische Gettern findet innerhalb der Probe statt und sammelt Metalle beispielsweise an Sauerstoffpräzipi-taten an [10], während die Verunreinigungen beim extrinsischen Gettern an die Oberfläche dif-fundieren und dort entfernt werden können. Obwohl intrinsisches Gettern während des Zellpro-zesses insbesondere bei RGS-Silizium mit Konzentrationen an interstitiellem Sauerstoff [O]i > 10¹⁸ cm^-3 nicht ausgeschlossen werden kann, ist es das extrinsische Gettern, welches zu einer tatsächlichen Materialverbesserung führt, da die gesamte Zellfläche zur Stromgeneration beiträgt. Um einen extrinsischen Gettereffekt zu erzielen sind Temperaturen notwendig, die hoch genug sind, damit Metallatome auch aus tieferen Regionen des Wafers zur Oberfläche gelangen können. In [11] wird gezeigt, dass für die häufig auftretenden Metalle wie Fe, Cu, Ni und Cr Temperaturen zwischen 800-1000 °C ausreichen, damit diese innerhalb eines Zeitintervalls <

60 min durch den gesamten Wafer diffundieren können.

Verschiedene Gruppen haben Ergebnisse präsentiert, die darauf hindeuten, dass bei der Phos-phordiffusion zur Bildung eines Emitters durch die hohen Temperaturen von über 800°C ein Teil der Verunreinigungen aus dem Volumen entfernt werden [12-18]. Eine mögliche Erklärung für das Zustandekommen des Gettereffektes liefert Schröter et al.. Er geht davon aus, dass sich durch die in das Volumen wachsende Grenzfläche zwischen Silizium und dem Phosphorglassilikat SiP-Teilchen bilden, die aufgrund der damit verbundenen Volumenvergrößerung vermehrt Si-Atome auf Zwischengitterplätze drängen. In diesem Zustand diffundieren diese tiefer in das Volumenma-terial und verdrängen dort substitutionelle Fremdatome von Gitterplätzen („kick-out-Prozess“).

Auf diese Weise freigewordene Fremdatome driften bevorzugt in Richtung Oberfläche, wo sie sich an Stapelfehlern oder SiP-Teilchen anlagern. Ebenfalls denkbar ist das segregationsgetriebe-ne Einfangen von P-Iosegregationsgetriebe-nenpaaren oder P-Metallkomplexen [17].

Aluminium bietet sich ebenfalls für ein extrinsisches Gettern an. Bringt man eine Al-Schicht auf die Oberfläche eines Siliziumwafers auf und erhitzt diese über den eutektischen Punkt von 577 °C, so bildet sich eine Al/Si-Legierung, deren Mischungsverhältnis temperaturabhängig ist.

Beim Abkühlen werden Al-Atome in das Kristallgitter des Siliziums eingebaut und bilden eine hochdotierte p⁺-Schicht an der Rückseite. Dieser Vorgang endet unterhalb des eutektischen Punk-tes.

Es gibt diverse Ansätze zur Erklärung der Getterwirkung des Aluminiums. Einige Autoren gehen von einer durch den Legierungsprozess geschädigten Grenzfläche zwischen Eutektikum und p⁺-Schicht aus, an der sich Verunreinigungen bevorzugt anlagern [19]. Ein anderer Ansatz schreibt die Getterwirkung einem stark erhöhten Segregationskoeffizienten K > 10⁴ zu [20-22].

Oberhalb des eutektischen Punktes liegt eine flüssige Al/Si-Phase vor, die für Verunreinigungen eine um Größenordnungen höhere Löslichkeit bietet als der Siliziumkristall [20, 23-25].

In zahlreichen Untersuchungen wurde die Effektivität von Aluminium- und Phosphorgettern un-tersucht [26-28]. Dabei erwies sich ein gemeinsames Al/P-Cogettern als besonders wirksam. Die Ursache hierfür liegt in der Wechselbeziehung zwischen der Erzeugung von Leerstellen aufgrund des Al-Getterns und dem durch das P-Gettern angeregten Strom von interstitiellem Silizium [7].

Neben der eigentlichen Getterwirkung hat das Aluminium noch eine weitere Aufgabe. Die

hoch-PROZESSIERUNG VON SOLARZELLEN

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dotierte p⁺-Schicht bildet zusammen mit dem p-dotierten Volumenmaterial eine zweite Bandver-biegung im rückseitigen Bereich des Wafers. Durch ihr elektrisches Feld wirkt diese wie ein Spiegel auf die Minoritätsladungsträger und hindert sie daran, die Oberfläche zu erreichen und an ihr zu rekombinieren [29, 30]. Die Dicke des aufgebrachten Aluminiums und die Einlegierungs-temperatur bestimmen dabei die Stärke dieses BSFs, und damit die effektive rückseitige Rekom-binationsgeschwindigkeit SR,eff. Untersuchungen von Amick et al. konnten zeigen, dass die Al-Konzentration an der Grenzfläche zwischen BSF und p-dotiertem Volumenmaterial unabhängig ist von der Dicke der aufgebrachten Al-Schicht [31]. Alleine die Gettertemperatur kann zu einer Erhöhung der Dotierkonzentration des Aluminiums n_A⁺ im BSF führen. Bei den üblichen Tempe-raturen von 800 °C stellt sich an der Grenzfläche zwischen dem BSF und dem Volumenmaterial eine Konzentration von 3ּ10¹⁸ cm^-3 ein, die bis an die Oberfläche auf 1ּ10¹⁸ cm^-3 abfällt. Die ma-ximal mögliche Konzentration von 1ּ10¹⁹ cm^-3 [31, 32] wäre bei 1200 °C zu erreichen. So hohe Temperaturen sind jedoch für die Solarzellenproduktion nicht geeignet.

Hat die Dicke der aufgebrachten Al-Schicht auch keinen Einfluss auf die Al-Konzentration an der Grenzfläche, so ist sie doch verantwortlich für die Dicke dBSF des BSFs, also dafür, in welcher Tiefe die Grenze zwischen BSF und Volumenmaterial verläuft. Für die Abhängigkeit der effekti-ven Rekombinationsgeschwindigkeit von der Dicke des BSFs gilt nach [33]:



Dabei bedeutet nA die Grunddotierung des p-Typ-Wafers, Dn die Diffusionskonstante, Ldiff die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger im Volumen und SR die Rekombinationsgeschwin-digkeit an der Metall-BSF-Grenzfläche. Die mit einem „+“ versehenen Symbole bezeichnen die gleichen Größen in der hochdotierten BSF-Schicht. Das Diagramm in Abbildung 1.1 zeigt die graphische Darstellung von SR,eff in Abhängigkeit der Dicke eines homogenen BSFs. Hierfür wur-de nA mit 3ּ10¹⁵ (rot) bzw. 1ּ10¹⁶ cm^-3 (schwarz) abgeschätztⁱ und n_A⁺ nach [31] mit 2ּ10¹⁸ cm^-3 angenommen. Aus [34] resultiert daraus unter Berücksichtigung einer Verschmälerung der Band-lücke ein effektives n⁺_A von 2,7ּ10¹⁷ cm^-3, sowie D_n⁺ = 7,5 cm²/s und L⁺_diff = 23,2 µm. Für SR wur-den 1ּ10⁶ cm/s eingesetzt.

i Entspricht einem Volumenwiderstand von 4 bzw. 1 Ωcm.

1.1. DER STANDARDPROZESS 15

Abbildung 1.1: Graphische Darstellung der Abhängigkeit der effektiven Rückseitenrekombinationsgeschwindigkeit SR,eff von der Dicke des BSFs bei einer Grunddotierung nA = 3ּ10¹⁵ (rot) bzw. 1ּ10¹⁶ cm^-3 (schwarz).

Für gewöhnlich wird beim Hocheffizienzprozess eine 2 µm dicke Aluminiumschicht auf die Rückseite aufgedampft. Dadurch lassen sich BSF-Dicken von ca. 0,3-0,7 µm erreichen, und SR,eff

der Minoritätsladungsträger reduziert sich an der Rückseite von 10⁵-10⁶ cm/s ohne BSF auf ca.

3-4,5ּ10³ cm/s. Nach dem Gettern lässt sich die mit Verunreinigungen angereicherte Aluminium-schicht in ca. 40-50 °C heißer Salzsäure wieder entfernen.