Rückätz-FSF, Vergleich zu direkt diffundiertem FSF

Um ein direkt diffundiertes Front Surface Field mit einem zurückgeätzten FSF bei gleichem Schichtwiderstand vergleichen zu können, werden symmetrische QSSPC-Proben hergestellt (siehe Kapitel 1.4.1). In Hochinjektion lässt sich so das FSF über die Sättigungsstromdich-te j₀ charakterisieren.

Das Basissubstrat ist 200Ωcm p-Typ-Float-Zone-Silizium mit einer Dicke von 265 µm. Ge-nau genommen resultiert die Phosphordiffusion auf p-Typ-Silizium in einem Emitter statt einer n⁺n-Struktur, das heißt keinen high-low Übergang wie bei einem n-Typ-Substrat. Auf die Messung von j₀ hat dies jedoch keine Auswirkung.

Probenpräparation

Zuerst werden die runden 6“-Wafer, mit einem Laser zu jeweils sieben 5×5 cm² großen Proben getrennt und beschriftet. Danach werden diese mit einer chemischen Politur (CP)-Lösung (Essigsäure (CH³COOH), Fluss-säure (HF) und SalpeterFluss-säure (HNO3)) blank geätzt. Im Anschluss daran folgt eine industriell übliche HCl/HF-Reinigung und nachdem die Proben hydrophob sind ei-ne Trocknung im 80 - 100℃ heißen Trockenofen. Dann folgen durch Änderung der Maximaltemperatur die un-terschiedlichen Emitterdiffusionen mittels einer POCl3 -Quelle zu Schichtwiderständen von circa 10, 30, 50, 80 und 110Ω/. Die Rückätz-Emitter-Proben werden dann von 10, 30 und 50Ω/ verschieden stark zurück geätzt bis auf 110Ω/.

Vor der Standard-PECVD-SiN^x:H-Beschichtung (circa 75 nm) wird das Phosphorsilikatglas (PSG) entfernt und der Schichtwiderstand mittels Vierpunkt-Messung (4PP) bestimmt, jeweils auf Vorder- und Rückseite jeder Pro-be. Danach erfolgt ein HCl/HF-Reinigungsschritt. Ab-schließend werden die Proben in einem Infrarot-Gürtel-Feuerofen bei einer eingestellten Maximaltemperatur von 860℃ gefeuert. Mit einem Photoconductance Lifetime Tester WCT-120 der Firma Sinton Consulting Inc. wer-den die Proben im QSS Modus gemessen. Das Prozess-flussdiagramm ist in Abbildung 3.1 dargestellt.

Die Emittersättigungsstromdichte j0E wird dabei in Hochinjektion, bei einer Minoritäts-Ladungsträgerdichte ∆n von 1×10¹⁶cm⁻³ bestimmt. Die Messergebnisse sind in Abbil-dung 3.2 dargestellt. Die ausgefüllten Datenpunkte stellen die fünf direkten Ausgangsdif-fusionen dar, die leeren Symbole die zurückgeätzten Proben. Zu sehen ist der Abfall in j_0E der direkt diffundierten Proben mit zunehmendem Schichtwiderstand R_sheet bis hin zu einem Wert von 90 fA/cm² als bestem Wert bei einer 110Ω/Diffusion. Bei den zurück-geätzten Proben wird ein starker Rückgang inj_0E im Vergleich zu den direkt diffundierten erzielt und erreicht bei 100Ω/ für einen zurückgeätzten 30Ω/ Emitter einen Wert unter 50 fA/cm².

0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0

j 0E\Seite [fA/cm2 ]

R _{s h e e t} [Ω/ ]

Abbildung 3.2:Messungen der Emittersättigungsstromdichte j_0E/Seite aufgetragen über den Schichtwiderstand R_sheet von direkt diffundierten Proben (ausgefüllte Symbole) und zurückgeätzten Proben (leere Symbole) [Book10].

Wird ein bestimmter Sättigungsstrom betrachtet, das heißt eine bestimmte FSF-Qualität, so wird durch Zurückätzen der gleiche Sättigungsstrom bei einem viel niedrigeren Schicht-widerstand erreicht. Dies ist der entscheidende Faktor für eine effiziente Solarzelle: es wird ein niedriger Schichtwiderstand benötigt, aber trotzdem ein guter Sättigungsstrom, weil ein hoher Schichtwiderstand zu einem erhöhten Serienwiderstand führt. Das Ergebnis der Messung lässt sich mit einem tieferen Diffusionsprofil bei einer niedrigeren Phosphor-konzentration an der Oberfläche der zurückgeätzten Proben im Vergleich zu den direkt diffundierten Proben erklären. Zur Veranschaulichung dieses Effekts ist in Abbildung 3.3 der Vergleich eines auf 115Ω/direkt diffundierten FSF mit einem von 33Ω/ auf einen vergleichbaren Schichtwiderstand von 113Ω/ zurückgeätzten FSF dargestellt. Wird der Verlauf der zurückgeätzten 10Ω/Proben betrachtet, so erreichen diese eine noch nied-rigere Sättigungsstromdichte j_0E als die 30Ω/ Proben. Der Grund dafür liegt in der Feldeffektpassivierung der tief eindiffundierten Raumladungszone.

Aus der gemessenen totalen Emittsättigungsstromdichtej_0E,total lässt sich ein Implied V_oc der gesamten Probe berechnen, indem man die Ein-Diodengleichung auflöst, vergleiche Gleichung (1.3):

V_oc= k_BT

e ln j_sc j_0E,total + 1

!

(3.1)

0 , 0 0 , 1 0 , 2 0 , 3 0 , 4 1 0^{1 7}

1 0^{1 8} 1 0^{1 9} 1 0^{2 0}

D if f u s io n 1 1 5 Ω/ D if f u s io n 3 3 ^Ω/, E B a u f 1 1 3 Ω/

P Konzentration [cm-3 ]

T ie f e [ µ m ]

Abbildung 3.3: ECV-Messungen der Phosphor-Dotierkonzentration über die Tiefe eines direkt diffundierten und eines auf vergleichbaren Schichtwiderstand zurückgeätzten (etch back EB) Front Surface Fields.

Dabei bezeichnete die Elementarladung und es wird einj_sc von 38 mA/cm² angenommen.

Diese implizite Spannung kann dann als obere Grenze für ein V_oc bei entsprechend prozes-sierten Solarzellen betrachtet werden, ohne Verluste aus der Vorderseiten-Metallisierung und dem darunter liegenden Bereich mit niedrigem Schichtwiderstand zu berücksichtigen.

Die Ergebnisse sind in Abbildung 3.4 dargestellt.

0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0

6 3 0 6 4 0 6 5 0 6 6 0 6 7 0 6 8 0 6 9 0

R _{s h e e t} [Ω/ ]

Implied V oc(j 0E) [mV]

Abbildung 3.4: Aus der j_0E-Messung berechnetes Implied V_oc aufgetragen über den Schichtwiderstand R_sheet von direkt diffundierten Proben (ausgefüllte Symbole) und zu-rückgeätzten Proben (leere Symbole).

Ein deutlicher Gewinn auch in V_oc lässt sich durch ein zurückgeätztes FSF im Vergleich zu einem direkt diffundierten FSF erzielen lässt. So wird zum Beispiel bei einem Schichtwi-derstand von 50Ω/ eine Verbesserung in V_oc um circa 10 mV erreicht, für ein zurückge-ätztes 30Ω/ FSF. Der höchste erreichte Wert ist 685 mV bei einem Schichtwiderstand von 100Ω/ für ein zurückgeätztes 30Ω/ FSF.

Solarzellen mit selektivem Front Surface Field

Aus 6“ n-Typ-Wafern (Substrat B) werden fünf Gruppen von Solarzellen im drei Busbar-Design hergestellt. Als Referenz dient ein homogenes FSF mit einem Schichtwiderstand von 50Ω/. Die Solarzellen mit selektivem FSF werden nach einer Ausgangsdiffusion mit einem Zielschichtwiderstand von 35Ω/verschieden stark zurückgeätzt auf vier verschie-dene Schichtwiderstände zwischen 60 und 130Ω/. Die Ergebnisse der I-V-Messungen dieser Solarzellen sind in Abbildung 3.5 dargestellt.

6 2 5

Abbildung 3.5: Messergebnisse der I-V-Parameter von n-Typ-Referenz- und s-FSF-Solarzellen mit verschiedenen Rückätztiefen.

Die optimalen Ergebnisse lassen sich mit Solarzellen mit einem selektiven FSF, das auf 100Ω/zurückgeätzt wird, erreichen. Im Mittel verbessert sich mit einem selektiven FSF die offene KlemmspannungV_ocum 9 mV und die Stromdichte j_sc um etwa 1,1 mA/cm² im Vergleich zu den Referenz-Solarzellen mit einem homogenen FSF. Der Prozess ist dabei tolerant im Bezug auf Inhomogenitäten im Schichtwiderstand, da für beide Werte die Un-terschiede zwischen den Gruppen, die auf 80 und 130Ω/zurückgeätzt werden, klein sind.

Der Füllfaktor verhält sich für alle Gruppen recht konstant, da die Basis zur Querleit-fähigkeit beiträgt und somit der Serienwiderstand nicht so stark ansteigt, wie auf p-Typ-Solarzellen mit selektivem Emitter [Mey10]. Der höchste erreichte Wirkungsgrad liegt bei 18,5% für eine Solarzelle mit selektivem FSF, das auf 100Ω/ zurückgeätzt wird.

F F [%] V_oc [mV] j_sc [mA/cm²] η [%^abs]

Referenz 78,6 629 35,5 17,6

s-FSF 35/100 78,7 638 36,6 18,4

Gewinn 0,1 9 1,1 0,8

beste Solarzelle 78,9 639 36,8 18,5

“ nach Sägen 79,2 639 37,3 18,9*

Tabelle 3.2: Gemittelte I-V-Ergebnisse der 6“ n-Typ-Solarzellen; beste Solarzelle, vor und nach Sägen des unbedruckten Rands, R^base=7Ωcm, *: Messung des Fraunhofer ISE CalLab.

Im Mittel lag der Gewinn bei 0,8%^abs für diese Gruppe im Vergleich zu den Referenzsolar-zellen. Die im Mittel erzielten I-V-Ergebnisse sind in Tabelle 3.2 aufgelistet.

Ein Entfernen des unbedruckten Randbereichs auf der Rückseite resultierte in siebgedruck-ten 6“ n-Typ-Solarzellen im drei Busbar-Design. Diese, zu 100% mit Aluminium-Emitter bedeckten, Rückkontakt-Solarzellen erreichten einen höchsten Wirkungsgrad von 18,9%.

Neben n-Typ-Solarzellen werden auch-p-Typ-Solarzellen mit selektivem Emitter im gleichen Prozess hergestellt. An allen Solarzellen werden IQE-Messungen durchgeführt, welche in Abbildung 3.6 dargestellt sind. Die Werte werden dabei auf den Strom aus der I-V-Messung skaliert.

4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0

7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 1 0 0

p - T y p R e f e r e n z 5 0 ^Ω/ p - T y p S e le k t iv 3 5 / 1 0 0 ^Ω/ n - T y p R e f e r e n z 5 0 ^Ω/ n - T y p S e le k t iv 3 5 / 1 0 0 ^Ω/

IQE [%]

W e lle n lä n g e λ [ n m ]

Abbildung 3.6: Vergleich der Ergebnisse der IQE-Messung an homogen und selektiv do-tierten Solarzellen aus p- und n-Typ-Cz-Silizium (skaliert von 70-100%).

Wie bereits in Kapitel 2.1 simuliert wurde (siehe Abbildung 2.4), verbessern sich die n-Typ-Solarzellen mit selektivem FSF über einen großen Wellenlängenbereich im Vergleich zu den Referenzsolarzellen mit homogen dotiertem FSF. Da die meisten Ladungsträger nahe der Frontseite generiert werden und durch die Basis diffundieren müssen, um vom rückseitigen Emitter eingesammelt zu werden, hat die Passivierung der Frontseite einen größeren Effekt als bei p-Typ-Solarzellen, was den größeren Gewinn bei n-Typ-Solarzellen erklärt. Die Simulation konnte somit durch das Experiment bestätigt werden.