Der Einfluss zahlreicher Prozessvariablen wurde durch die Herstellung von großfl¨achigen p-Typ Solarzellen experimentell untersucht, um die aus den gezeigtenj0E-Werten von Test-strukturen berechneten Abh¨angigkeiten zu verifizieren und die technische Umsetzbarkeit der Prozesse zu ¨uberpr¨ufen. Die im Folgenden gezeigten Experimente wurden ¨uber einen l¨angeren Zeitraum hinweg durchgef¨uhrt. Da w¨ahrenddessen zahlreiche Verbesserungen in Einzelprozessen des Standard-Zellprozesses erzielt und f¨ur die folgenden Versuche ¨ uber-nommen wurden, k¨onnen die Ergebnisse deshalb nur innerhalb eines Experiments direkt verglichen werden.
4.3.1 Prozessablauf
Der grundlegende Prozess zur Herstellung von Solarzellen mit selektivem R¨uck¨atzemitter wurde in dieser Arbeit weitgehend einheitlich durchgef¨uhrt und ist in Abb. 4.3 dargestellt.
Die grau hinterlegten Prozessschritte sind industriell weit verbreitet, die daraus resultie-rende Solarzelle mit homogenem Emitter wird im Folgenden als Standard-Solarzelle be-zeichnet. Die zus¨atzlichen Prozesse zur Erzeugung des selektiven Emitters sind in blau hinterlegt, Reinigungsschritte sind dabei nicht aufgef¨uhrt. Abweichungen oder Pr¨ azisierun-gen sind in der Beschreibung der einzelnen Experimente aufgef¨uhrt. Im Folgenden werden die Prozessschritte zur Herstellung einer Solarzelle mit selektivem Emitter kurz erl¨autert.
Eine deutlich detailliertere Beschreibung der meisten an der Universit¨at Konstanz einge-setzten Standard-Prozessschritte findet sich in [66].
4 Solarzellen mit selektivem Emitter
Textur POCl3 Diffusion
Feuern Emitter zurückätzen Maske + PorSi entfernen
Siebdruck-Metallisierung Maske drucken
PECVD-SiNX Abscheidung Kantenisolation
Abb. 4.3: Prozessfluss-Diagramm zur Herstellung von Solarzellen mit selektivem Emitter.
Textur
Die nasschemische Texturierung der Waferoberfl¨ache dient der Entfernung des S¨ agescha-dens und Verbesserung der Reflexionseigenschaften der Solarzelle. Bei einem monokris-tallinen Substrat wurde eine auf KOH basierende alkalische Texturl¨osung verwendet. Zu Beginn dieser Arbeit wurde die alkalische Textur im Becherglas durchgef¨uhrt, aufgrund der homogeneren Struktur und besseren Reproduzierbarkeit wurden dazu zunehmend Batch-oder Inlineanlagen von Industriepartnern genutzt.
Da bei multikristallinem Silizium keine einheitliche Kristallorientierung vorliegt, wurde hier eine saure Textur verwendet, die eine kraterartige Oberfl¨achenstruktur hinterl¨asst.
Nach der Textur wurden die Wafer in einer HCl/HF-Reinigung mit dazwischen liegenden Sp¨ulkaskaden gereinigt.
Emitterdiffusion
Die Emitterdiffusion erfolgt in einem Quarzrohr bei Temperaturen oberhalb von 820 °C (siehe Abschnitt 3.1). Unterschiedliche Schichtwiderst¨ande wurden durch die Variation der maximalen Temperatur erzeugt. Die begrenzte Aufheiz- und Abk¨uhlrate f¨uhrt dabei auch zu unterschiedlichen Prozesszeiten. Das Standard-Diffusionsprogramm (Temperatur-verlauf, Zeiten, Gasfl¨usse) wurde im Laufe dieser Arbeit weiterentwickelt, um auch auf 6“-Wafern eine gute Homogenit¨at zu erzielen.
Kantenisolation
Da der Emitter die komplette Oberfl¨ache des Wafers umschließt, muss er, um einen Kurz-schluss zu verhindern, an den Waferkanten unterbrochen werden. Dazu wurden in dieser Arbeit alternativ folgende Prozesse eingesetzt:
• Nasschemisches Ab¨atzen des Emitters auf der gesamten Zell-R¨uckseite
• Ab¨atzen des Emitters an der Zellkante durch ein SF6-Plasma
• Abtrennen der Zellkante mit einer Wafers¨age
• Abtragen des Emitters entlang der vorderseitigen Zellkante durch einen Laser Die letzten beiden M¨oglichkeiten wurden erst am Ende des gesamten Prozesses durchge-f¨uhrt. Die h¨ochstenRP-Werte wurden bei der Isolation durch einseitiges ¨Atzen oder S¨agen der Waferkante erzielt.
Drucken der Maskierungsschicht
In dieser Arbeit wurde die Maskierungsschicht in den hochdotierten Bereichen entweder durch Siebdruck eines Schutzlacks mit anschließender Trocknung in einem IR-G¨urtelofen oder durch Inkjet-Druck eines Wachsfilms nach einer Rastergrafik aufgebracht. Beide Pro-zesse sind im Labor-Maßstab als gleichwertig zu betrachten; die Auswahl erfolgte nach Verf¨ugbarkeit der jeweiligen Ger¨ate.
Zur¨uck¨atzen des Emitters
Die R¨uck¨atzung in den nicht maskierten Bereichen wurde mit der bereits in Abschnitt 3.2 beschriebenen L¨osung in einem Becherglas durchgef¨uhrt. Dazu wurde zuerst an einem nicht bedruckten Wafer die in dem gew¨unschten Schichtwiderstand resultierende R¨uck¨atztiefe (erkennbar an der Farbe des Wafers) bestimmt, anschließend wurden alle Zellen bis zum Erreichen dieser Farbe zur¨uckge¨atzt. Die ¨Atzdauer betrug ca. 1–3 min, eine konstante Dauer wurde durch das ¨Atzen einiger Si-Wafer zu Beginn oder die Zugabe von bis zu 1,25 g/l NaNO2 erreicht.
Entfernen von Maske und por¨osem Silizium
Zur gleichzeitigen Entfernung von Maske (Inkjet Wachs oder siebgedruckter Schutzlack) und por¨osem Silizium wurde eine w¨assrige L¨osung aus KOH (<0,5 %) und dem langketti-gen Alkohol Diethylenglykolmonobutylether (BDG, <8 %) verwendet. Das KOH ¨atzt das por¨ose Silizium ab und beschleunigt die Aufl¨osung der Maske, der Alkohol dient ebenfalls der Entfernung der Maske, reduziert aber die ¨Atzgeschwindigkeit der PorSi-Schicht. Durch
4 Solarzellen mit selektivem Emitter
Anpassen der Konzentrationen kann so die Dauer beider Prozesse angeglichen werden, da-durch l¨asst sich eine – wenn auch sehr langsam stattfindende – An¨atzung des Emitters durch das KOH verhindern. Ob beide Schichten vollst¨andig entfernt wurden, l¨asst sich da-durch ¨uberpr¨ufen, dass der Wafer nach der anschließenden HCl/HF-Reinigung homogen hydrophob ist.
Antireflex-Beschichtung
Die Antireflexionsschicht aus SiNX:H wurde in einem Direktplasma PECVD-Reaktor (Cent-rotherm E 2000 HT) durchgef¨uhrt. Dabei werden die Wafer in Halterungen aus horizontalen oder vertikalen Graphitplatten in den Reaktor gebracht und dieser evakuiert. Anschließend wird bei ca. 450 °C ein Plasma aus den Prozessgasen Silan (SiH4) und Ammoniak (NH3) durch einen Radiofrequenzgenerator mit 40 kHz gez¨undet. ¨Uber das Volumenverh¨altnis der Prozessgase lassen sich die optischen und elektronischen Eigenschaften der Schicht beein-flussen (siehe [33, 104]). Der Brechungsindex der in dieser Arbeit verwendeten Schichten wurde auf n= 2,0–2,1 bei einer Wellenl¨ange von 633 nm angepasst.
Metallisierung
Die Metallisierung der Vorder- und R¨uckseite wurde durch Siebdruck aufgebracht, wobei die Paste nach jedem Druckschritt in einem Trockenofen getrocknet wurde. Es wurden ausschließlich industriell erh¨altliche Pasten verwendet. Auf der Vorderseite wurde die Fin-gerbreite aufgrund von Fortschritten in der Silberpastenentwicklung w¨ahrend dieser Arbeit von ca. 120µm auf ca. 70µm reduziert. Die R¨uckseite wurde bis auf einen ca. 1 mm breiten Rand vollfl¨achig mit Aluminiumpaste bedruckt.
Kofeuern
Die Solarzellen wurden zur Kontaktbildung in einem infrarot-geheizten G¨urtelofen erhitzt.
Die maximale Temperatur liegt dabei knapp oberhalb 800°C und wird nur f¨ur wenige Sekunden erreicht. Die optimale Feuertemperatur wurde f¨ur jedes Experiment gesondert bestimmt, da sie von den optischen Eigenschaften der Solarzelle, den verwendeten Pasten und der Emitterdotierung abh¨angt.
4.3.2 Ausrichten der Druckbilder
Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Verfahren zur pr¨azisen Ausrichtung des Druckbildes von Maske und Metallisierung erarbeitet. Grunds¨atzlich erfolgt die Positionie-rung aufgrund eines stark vergr¨oßerten Kamerabildes des Wafers oder darauf sichtbarer
Strukturen. Wesentlich f¨ur die Auswahl des Verfahrens ist, ob der hochdotierte Bereich im Kamerabild erkennbar ist, z.B. aufgrund einer unterschiedlich dicken Antireflexionsschicht bei einem SiO2/SiNX:H-Stapel. Bei abweichenden Druckverfahren f¨ur Maske und Metalli-sierung (Inkjet/Siebdruck) muss zudem der Siebverzug ber¨ucksichtigt werden. Wesentlich ist auch, ob das gleiche Ausrichtungsverfahren f¨ur beide Druckschritte eingesetzt wird.
Der in dieser Arbeit zum Druck der Maske verwendete Inkjet-Drucker Schmid DoD-300 verwendet ein sog.
”center alignement“, dabei werden alle Waferkanten durch insgesamt acht Aufnahmen von einer automatisch vordefinierte Positionen anfahrenden Kamera er-fasst. Das Druckbild wird anschließend auf die Wafermitte ausgerichtet. Grunds¨atzlich sind auch andere Verfahren wie das
”edge alignement“, also die Ausrichtung auf zwei Waferkan-ten m¨oglich (wie bei einem Anlegen an eine rechtwinklige Waferaufnahme), diese waren in der verwendeten Softwareversion des Druckers aber noch nicht implementiert.
Der Siebdrucker Ekra X1-SL, der sowohl zum Druck des Schutzlacks zur Maskierung als auch f¨ur die Metallisierung verwendet wurde, verf¨ugt ¨uber zwei in x-y-Richtung verstellbare Kameras, die zus¨atzlich durch in alle drei Raumachsen verstellbare Mikrometertische zur Feinjustage ausger¨ustet wurden. Die Ausrichtung erfolgt daher nur durch zwei Punkte auf dem Wafer. Bei Fixierung der Kameras sind diese ¨uber den Drucker fest mit dem Drucksieb verbunden. Damit kann der Wafer vor dem Druck manuell auf die bekannte Position des Druckbildes im Kameraausschnitt gefahren werden.
Sichtbarer hochdotierter Bereich
Wenn der hochdotierte Bereich im Kamerabild sichtbar ist, kann ein beliebiges Verfahren zur Ausrichtung der Maske verwendet werden. Die Metallisierung wird in diesem Fall auf zwei gut erkennbare und m¨oglichst weit voneinander entfernte Punkte im Druckbild (z.B.
Kreuzungen eines Busbars mit den ¨außeren Fingern) ausgerichtet. Diese Ausrichtung ist aufgrund der starken Vergr¨oßerung sehr pr¨azise, sodass bei manueller Ausrichtung im La-bor sogar die Verwendung des gleichen Siebs f¨ur Maske und Silbermetallisierung m¨oglich ist. Ausrichtungsfehler entstehen bei diesem Verfahren vor allem durch Siebverzug oder Abweichungen in der Form der Druckbilder bei unterschiedlichen Druckverfahren.
Nicht sichtbarer hochdotierter Bereich
Bei einem nicht sichtbaren hochdotierten Bereich wird das oben beschriebene Verfahren auf einen Testwafer mit sichtbarem Bild der Maske (z.B. auf nach dem R¨uck¨atzen dem Pro-zess entnommenem Wafer mit PSG im hochdotierten Bereich) angewendet. Anschließend werden die Kameras auf zwei m¨oglichst weit voneinander entfernte Waferecken gesetzt.
Alle folgenden Wafer werden anhand dieser Waferecken relativ zum Kamerabild gleich
4 Solarzellen mit selektivem Emitter
Abb. 4.4: Testwafer mit beiden Druckbildern und einer Lasermarkierung am Fingerende zur Ausrichtung.
ausgerichtet. Als Referenzpunkte wurden zu Beginn der Arbeit auch vor der Textur er-zeugte Lasermarkierungen verwendet, wodurch aufgrund der gleichzeitigen Sichtbarkeit von Markierung und Druckbild eine direkte ¨Uberpr¨ufung der Positionierung m¨oglich ist (siehe Abb. 4.4). Wenn die Maske auch durch Siebdruck aufgebracht wird und die gleichen Referenzpunkte verwendet werden, kann mit diesem Verfahren ebenfalls eine sehr hohe Pr¨azision erzielt werden.
Als problematisch erwies sich in dieser Arbeit bei nicht sichtbarer Maske die Verwendung des Inkjetdruckers f¨ur den Druck der Maske, da die unterschiedlichen Ausrichteverfahren zu einem abweichenden Ergebnis f¨uhren, wenn die Wafer nicht exakt die gleiche Form haben.
Dies ist bereits der Fall, wenn sie nach dem S¨agen bzw. der Entnahme aus der Verpackung gegeneinander verdreht wurden, da Waferspezifikationen oft gr¨oßer Abweichungen als die Breite der Maskenfinger zulassen. In dieser Arbeit wurde die gleiche Form der Wafer bei Entnahme aus der Verpackung ¨uberpr¨uft und ein Verdrehen durch eine direkt nach der Entnahme durchgef¨uhrte und immer gleich positionierte Laserbeschriftung verhindert.