mc-Si Solarzellen mit sauer isotroper Textur

Bei texturierten Wafern ist es nicht mehr möglich, die Vorderseite abzuätzen, ohne dass die Textur vernichtet wird. Der Ätzprozess bei der Textur beginnt bevorzugt an den Störstellen und Versetzungen auf der Oberfläche, die durch das Sägen der Wafer entstanden sind. Da die Ätzlösung die gestörte Oberflächenschicht isotrop abätzt, wird deren raue Struktur in den Wafer eingeprägt. Auf glatt geätzten Siliziumwafern funktioniert deshalb eine sauer isotrope Texturierung nicht mehr. Deshalb muss schon bei der Diffusion sichergestellt werden, dass diese nur auf der Rückseite stattfindet. Die Bor-Diffusion darf nur auf der Rückseite des Wafers stattfinden, da nur dort das BSF erwünscht ist.

Deshalb werden je zwei Wafer zusammen in einen Schlitz des Quarzboots gesteckt, so dass die Vorderseite jeweils verdeckt ist und nur einseitige Diffusion stattfindet. Dies wird auch als „back to back“ (B2B englisch) oder „face to face“ (F2F englisch) Diffusion bezeichnet. In der Praxis findet man auch an den Rändern auf der abgedeckten Seite mit Bor dotierte Bereiche, da die Wafer nicht ganz dicht abschließen. In der fertigen Solarzelle macht sich dies durch Kurzschlüsse im pn-Übergang und eine dadurch schlechtere Leistung bemerkbar. Deutlich sind die Kurzschlüsse an den Rändern (rote Bereiche) in der Thermografieaufnahme zu sehen (Abbildung 4.20). Im Prinzip ist der Prozess mit B2B und F2F Diffusion einfacher, da das Abätzen der Vorderseite entfällt. Auch lassen sich die doppelte Anzahl an Wafern pro Diffusionsschritt prozessieren, da jeder Schlitz nun doppelt belegt ist.

Abbildung 4.20: Thermografieaufnahme einer fertig prozessierten Bor-BSF-Solarzelle. Die Erwärmung (rote bereiche) an den Rändern rührt von Kurzschlüssen im pn-Übergang durch die unerwünschte Bor-Dotierung auf der Vorderseite her.

Um die Kurzschlüsse an den Randbereichen zu verhindern, gibt es mehrere Möglichkeiten.

Wünschenswert wäre ein Quarzboot für die Diffusion mit engeren Schlitzen und Klammern, die die Wafer zusammenhalten, so dass diese besser abschließen. Das für die Bor-Diffusionen verwendete Boot hatte für die einseitige B2B Diffusion nicht die optimale Geometrie. Die Randbereiche lassen sich dann mit der Säge oder dem Laser bei der sowieso nötigen Kantenisolation abtrennen.

Bei den folgenden Solarzellen wurde der Rand großzügig abgesägt. Um den Einfluss des schädlichen Randbereichs komplett auszuschließen und um schon vorhandene Siebe benutzen zu können, wurde die Zellfläche auf 100 x 100 mm² verkleinert. Bei engeren Schlitzen sollte ein Abtrennen des Randes von ein bis zwei Millimetern ausreichen.

Weitere Alternativen, das Absägen des Randes zu umgehen, wären:

a) Eine Schutzschicht, z.B. Siliziumnitrid auf der Vorderseite abscheiden, um die Diffusion völlig zu verhindern. Diese muss aber wieder abgeätzt werden, bevor der Wafer weiterprozessiert wird.

b) Alternative einseitige Diffusionsprozesse oder Co-Diffusion, wie z.B. aufgesprühte Dotier-stoffe. Erste Ergebnisse dazu finden sich in Kapitel 4.6.2.

Bei den Solarzellen ohne sauer isotroper Textur war dies kein Problem, da die Vorderseite mit NaOH zurückgeätzt werden konnte. Dies findet nach der Rückseitenpassivierung statt. Dann ist die Rückseite durch das SiNx geschützt ist, so dass nur die Vorderseite einseitig abgeätzt wird.

Kontaktsintern BBr3Diffusion (BSF) F2F in-situ Oxidation und BRL ätzen

SiO2/SiNx:H Rückseitenpassivierung Saure isotrope Textur (beidseitig)

POCl3Emitter Diffusion B2B

PECVD SiNxARC

Kantenisolation

Siebdruck Frontseite

Siebdruck Rückseite (Grid)

Abbildung 4.21: Prozesssequenz der Bor-BSF Solarzellen mit sauer isotroper Textur.

Der modifizierte Prozess ist in Abbildung 4.21 zusammengefasst. Auf texturierten Wafern wurde ein durchschnittlicher Wirkungsgrad von 15,1 % für eine Gruppe von acht Solarzellen erzielt. Die Solarzellenergebnisse sind in Tabelle 4.4 zusammengefasst.

FF [%] JSC [mA/cm²] VOC [mV] η [%] η rück/ η front

FS 75,7 33,9 614 15,7 RS 76,9 22,2 602 10,3

0,66

Tabelle 4.4: Solarzellenergebnisse der besten Solarzelle auf Wafern aus mc-Silizium mit sauer isotroper Textur (100x100mm², 200 μm dick) bei frontseitiger- und rückseitiger Beleuchtung.

Gegenüber den NaOH geätzten, schwach texturierten Solarzellen zeichnen sich die Solarzellen mit der saueren isotropen Textur vor allem durch eine höhere Kurzschlussstromdichte aus. Durch die Textur wird mehr Licht in die Zelle eingekoppelt und mehr Photonen tragen zum Strom bei. Trotz der höheren Kurzschlussstromdichte ist die Leerlaufspannung im Vergleich reduziert. Die interne Quantenausbeute für Beleuchtung von der Vorder- und Rückseite ist in Abbildung 4.22 gezeigt. Das schlechtere VOC zeigt sich auch in der reduzierten effektiven Diffusionslänge von 355 µm, die mit dem Fit nach Basore aus der IQE berechnet wurde (im Vergleich zu 551 µm bei nicht texturierten Wafer).

Durch die Textur hat die Solarzelle eine größere Oberfläche. Dies erhöht die Anforderung an die Oberflächenpassivierung. Sowohl die IQE bei Beleuchtung von der Vorderseite wie auch von der Rückseite ist im kurzwelligen Bereich reduziert. Auch das Verhältnis zwischen rückseitiger und vorderseitiger Beleuchtung ist bei den texturierten Solarzellen schlechter. Versuche mit Wafern, auf denen die Rückseite nach der Textur einseitig poliert war, schlugen fehl. Das rückseitige Ätzen greift die Waferkanten stärker an, so dass die Wafer zum Rand hin abgeflacht sind und auch die Vorderseite

an den Kanten angegriffen wird. Eine Diffusion auf nur einer Seite ist im offenen Rohrofen, wo immer zwei Wafer aneinander gestellt werden, um jeweils eine Seite abzudecken, nicht mehr möglich.

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

0,0

Abbildung 4.22: Vergleich der internen Quantenausbeute bei Beleuchtung von der Vorderseite und von der Rückseite der Solarzelle mit saurer isotroper Textur. Im Vergleich dazu die rückseitige IQE der mit NaOH geätzten Solarzelle.