Die gezeigten Voruntersuchungen bilden die Grundlage f¨ur den in dieser Arbeit unter-suchten R¨uck¨atzprozess zur Herstellung eines selektiven Emitters f¨ur Industrie-Solarzellen.
Die zu diesem Zweck entwickelte saure ¨Atzl¨osung f¨uhrt bereits bei sehr geringer HF-Konzentration zur Bildung von por¨osem Silizium an der hoch dotierten Oberfl¨ache. Sie erm¨oglicht dadurch eine schnelle und homogene R¨uck¨atzung, die sich durch die
Farb-¨anderung aufgrund von Interferenzen sehr einfach kontrollieren l¨asst. Im Falle alkalisch texturierter Oberfl¨achen bewirkt die isotrope ¨Atzung zwar eine Abrundung der Pyrami-dent¨aler, die damit verbundenen optischen Verluste durch eine erh¨ohte Reflexion sind in dem f¨ur Solarzellen-Emitter relevanten Bereich der ¨Atztiefe aber zu vernachl¨assigen. Auf multikristallinem Silizium konnte an Korngrenzen teilweise eine deutlich verst¨arkte ¨Atzung beobachtet werden, die den Einsatz des Prozesses auf geringe ¨Atztiefen beschr¨ankt.
Die R¨uck¨atzung des Emitters f¨uhrt zu einer Reduzierung der Emitters¨attigungsstromdichte und einem Anstieg des Schichtwiderstands. Der f¨ur einen zur¨uckge¨atzten Emitter im Ver-gleich zu einem direkt diffundierten Emitter st¨arkere Abfall der Emitters¨ attigungsstrom-dichte als Funktion des Schichtwiderstands stellt einen wesentlichen Vorteil des R¨uck¨ atzpro-zesses dar. Er erm¨oglicht sehr geringe Rekombinationsverluste bei vergleichsweise geringem Schichtwiderstand und wirkt sich damit vorteilhaft auf den durch einen selektiven Emitter erh¨ohten Serienwiderstand aus. Die bei gleichem Schichtwiderstand geringere Emitters¨ at-tigungsstromdichte des R¨uck¨atzemitters kann auf ein tieferes Dotierprofil bei gleichzeitig geringerer Oberfl¨achenkonzentration zur¨uckgef¨uhrt werden.
Die Absenkung der Phosphor-Konzentration durch das R¨uck¨atzen reduziert die Rekom-bination im Emitter-Volumen, damit wird die Emitters¨attigungsstromdichte durch die Oberfl¨achen-Rekombination limitiert. Eine weitere Reduzierung ist deshalb nur durch ei-ne verbesserte Passivierung m¨oglich. Der zu diesem Zweck untersuchte Stapel aus ei-nem ca. 10 nm d¨unnen thermischen Oxid und einer in der Dicke angepassten Schicht aus PECVD-SiNX:H f¨uhrt aufgrund der hohen Temperatur w¨ahrend der Oxidation zu einem zus¨atzlichen Eintreiben der Dotieratome und verst¨arkt damit die Absenkung der Phosphor-Konzentration nahe der Oberfl¨ache. Ab einem Schichtwiderstand von 100 Ω/
erm¨oglicht dies extrem geringe Emitters¨attigungsstromdichten von ca. 30 fA/cm2 auf tex-turierter Oberfl¨ache, was etwa einer Halbierung der Emitterverluste gegen¨uber einem durch PECVD-SiNX:H passivierten R¨uck¨atzemitter darstellt. Die Kombination des R¨uck¨ atzpro-zesses mit einer thermischen Oxidation stellt damit insbesondere f¨ur Zellkonzepte mit ho-hen Anforderungen an die vorderseitige Emitters¨attigungsstromdichte (z. B. aufgrund eines r¨uckseitigen Emitters) eine vielversprechende Prozess-Option dar.
Neben der Reduzierung der Rekombinationsverluste im beleuchteten Bereich der
Solarzel-3 Das Phosphor-Dotierprofil
le kann durch einen selektiven Emitter auch eine geringere Rekombination an der Kon-taktfl¨ache erzielt werden, indem die Minorit¨atsladungstr¨agerdichte an der Si-Oberfl¨ache durch einen tiefer im Si-Volumen liegenden pn- ¨Ubergang reduziert wird. Ein Eindringen von Silberkristalliten in die Raumladungszone, das zu einer Erh¨ohung von j02 f¨uhrt, wird damit ebenfalls unwahrscheinlicher. Die Messung der S¨attigungsstromdichte im Kontakt-bereich zeigt die zu erwartende Abnahme mit sinkendem Schichtwiderstand. Bei einer niedrigen Feuertemperatur werden Werte unterhalb denen einer unpassivierten Oberfl¨ a-che erreicht, REM-Aufnahmen deuten hier auf passivierende SiNX:H-R¨uckst¨ande hin. Da bei hoher Oberfl¨achen-Dotierung die Feuertemperatur abgesenkt werden kann, erm¨oglicht dieser Effekt eine zus¨atzliche Reduzierung der S¨attigungsstromdichte im Kontaktbereich.
Der zu erwartende Einfluss auf die offenen Klemmenspannung einer Solarzelle ist wegen des geringen Fl¨achenanteils des Kontaktbereichs allerdings gering.
Auf Basis der bisher gezeigten Voruntersuchungen wurden Solarzellen mit selektivem Emit-ter hergestellt. Der dazu verwendete R¨uck¨atz-Prozess stellt nur eine M¨oglichkeit zur Er-zeugung der selektiven Dotierung dar. Zur besseren Einordnung des Verfahrens wird daher zun¨achst eine Zusammenfassung bisher ver¨offentlichter Ans¨atze aufgef¨uhrt. Anschließend werden die in den Voruntersuchungen gewonnenen Daten genutzt, um eine Absch¨atzung des potentiellen Wirkungsgradgewinns durch den selektiven Emitter aufzustellen. Die da-rauf folgenden Abschnitte behandeln die experimentelle Umsetzung des Zellprozesses f¨ur mono- und multikristalline Basissubstrate. Sie dient der ¨Uberpr¨ufung der berechneten Ab-h¨angigkeiten und des Wirkungsgradgewinns.
4.1 M¨ oglichkeiten zur Erzeugung eines selektiven Emitters
Die ersten Ans¨atze zur Herstellung selektiver Emitter stammen bereits aus den 80er Jah-ren [121, 122]. Seitdem wurden vielf¨altige Prozesse zur Erzeugung der unterschiedlich dotierten Emitterbereiche entwickelt. Die Anwendung beschr¨ankte sich lange Zeit auf Hocheffizienz-Laborprozesse; eine industrielle Umsetzung scheiterte meist an den hohen Kosten f¨ur die zus¨atzlichen Prozessschritte. In der Massenfertigung wurde der selektive Emitter erstmals mit der Buried-Contact-Solarzelle durch BP Solar implementiert [123], als Vorderseiten-Metallisierung kam dabei eine Nickel/Kupfer/Zinn-Plattierung zum Einsatz.
Erst in den letzten Jahren wurden einige f¨ur Siebdruck-Metallisierung geeignete Verfahren zur Marktreife gebracht, zu denen auch das in dieser Arbeit beschriebene geh¨ort.
Die M¨oglichkeiten zur Erzeugung selektiver Emitter lassen sich grob anhand der Anzahl der ben¨otigten Diffusionsprozesse in ein- und zweistufige Prozesse unterteilen. Letztere sind aber industriell kaum relevant, da eine Diffusion aufgrund der erforderlichen hohen Tempe-ratur und Reinheit zu den teuersten Prozessschritten geh¨ort. An dieser Stelle soll deshalb nur ein kurzer ¨Uberblick (ohne Anspruch auf Vollst¨andigkeit) ¨uber die bisher ver¨ offentlich-ten einstufigen Verfahren gegeben werden.
4 Solarzellen mit selektivem Emitter
Ein einstufiger Prozess kann durch die nachtr¨agliche Erh¨ohung der Phosphorkonzentration im Kontaktbereich realisiert werden, z.B. durch eine Bestrahlung des PSG mit einem Laser.
Dabei wird eine oberfl¨achennahe Schicht aufgeschmolzen und rekristallisiert anschließend.
Der im PSG enthaltene Phosphor wird elektrisch aktiv in das Kristallgitter eingebaut. Die Laserdotierung stellt eine sehr einfache und schon seit langem untersuchte L¨osung dar (siehe z.B. [124, 125]). Sie setzt allerdings eine sehr genaue Kontrolle der Laserparameter voraus, um eine zu starke Sch¨adigung der Waferoberfl¨ache zu vermeiden. Industriell einsetzbare Laser-Dotierprozesse wurden erst in den letzten Jahren zur Marktreife gebracht [126–128].
Als Dotierquelle f¨ur die Laserdotierung kann auch ein nach der Oberfl¨achenpassivierung aufgebrachter phosphorhaltiger Film [129] dienen. Das LCP-Verfahren [130] nutzt dagegen einen Fl¨ussigkeitsstrahl, der gleichzeitig der F¨uhrung des Lasers dient. Die letzten beiden Methoden ¨offnen dabei auch die Passivierschicht, daher eignen sie sich nur in Kombination mit einer plattierten Vorderseitenmetallisierung.
Einen umgekehrten Ansatz stellt die in dieser Arbeit beschriebene nachtr¨agliche Redu-zierung des Schichtwiderstands durch das lokale R¨uck¨atzen eines hochdotierten Emitters dar. Der hochdotierte Bereich muss dazu vor dem R¨uck¨atzen durch Sieb- oder Inkjetdruck maskiert werden. Das ¨Atzmedium kann auch selbst aufgedruckt werden [131], dann muss allerdings die deutlich gr¨oßere beleuchtete Fl¨ache bedruckt werden.
Die Hochdotierung im Kontaktbereich kann auch durch lokales Aufbringen einer zus¨ atzli-chen Dotierquelle vor der Diffusion durch Siebdruck oder Inkjetdruck erfolgen [132, 133].
Weitere M¨oglichkeiten der gleichzeitigen Erzeugung der beiden Bereiche bestehen in dem Aufbringen und lokalen ¨Offnen einer halbdurchl¨assigen Siliziumdioxidschicht vor der Diffu-sion [134], oder der teilweisen Maskierung bei der Erzeugung des Emitters durch Ionenim-plantation [135], wobei allerdings ein zus¨atzlicher Hochtemperaturschritt zur Ausheilung der Kristallsch¨adigung erforderlich ist. Dies erfolgt ¨ublicherweise durch eine thermische Oxidation, da dabei zus¨atzlich eine deutliche Verbesserung der Oberfl¨achenpassivierung erzielt wird.