” Standard-Hochleistungsprozess“

Standard-Hoch-leistungsprozess“, der an die Bed¨urfnisse der genannten Siliziumfolien angepasst wird.

Zylinder-EFG-Folien werden in den folgenden Ausf¨uhrungen nicht weiter betrachtet, da nur wenig Wafer zur Verf¨ugung standen und die Weiterentwicklung des Materials, wie in Abschnitt 1.5 erw¨ahnt, zur Zeit durch technologische Probleme behindert ist.

Selbst die ausgereifteren Foliensiliziummaterialien Oktagon-EFG und SR weisen in der Regel im Vergleich mit monokristallinem Silizium h¨ohere Defektdichten auf, wodurch die Leistungsf¨ahigkeit der aus ihnen gefertigten Solarzellen negativ beein-tr¨achtigt wird. Aus diesem Grund besteht Interesse daran, Kristalldefekte w¨ahrend der Zellherstellung zu beseitigen oder deren sch¨adliche Einfl¨usse zu verringern. Dies kann durch Gettern von Verunreinigungen oder eine Defektpassivierung mittels atomarem Wasserstoff geschehen. Entsprechende Prozessschritte wurden daher untersucht und auf die Bed¨urfnisse der Folienmaterialien abgestimmt. Die Ergebnisse dieser Untersu-chungen werden im Folgenden vorgestellt.

Weiter wird der Frage nachgegangen, inwieweit bei einer Solarzelle, deren Her-stellungsprozess Getter- wie Passivierungsschritte einschließt, noch eine Korrelation zwischen der anf¨anglichen Volumenlebensdauer im Wafer und der Leistungsf¨ahigkeit der prozessierten Solarzelle besteht. Zu diesem Zwecke wurde ortsaufgel¨ost die inter-ne Quantenausbeute in Solarzellen aus altem und inter-neuem EFG-Material bestimmt, was einen Vergleich mit den Falschfarbendarstellungen der Ausgangslebensdauern erm¨oglicht. In diesem Zusammenhang werden ferner die Unterschiede zwischen diesen Materialien auf Basis der aus ihnen gefertigten Solarzellen diskutiert.

Am Ende des Kapitels werden die mit dem angepassten Standard-Hochleistungspro-zess erzielten Zellparameter vorgestellt und die Grenzen dieses ProStandard-Hochleistungspro-zesses aufgezeigt.

3.1 Der

Hierunter ist eine Prozesssequenz zu verstehen, die vonHahnin [39] entworfen wurde.

Sie bildet den Ausgangspunkt f¨ur die Entwicklung eines an die Bed¨urfnisse von EFG-(worunter im Folgenden stets Oktagon-Material zu verstehen ist) bzw. SR-Silizium angepassten Zellprozesses.

Im Gegensatz zu einem industriellen Solarzellenprozess bietet ein Hochleistungs-prozess, der sich vom erstgenannten u. a. durch die photolithographische Definition des Vorderseitenkontakts unterscheidet, eine hohe Reproduzierbarkeit und

Verl¨asslich-keit bei weitgehender Reduktion unerw¨unschter Nebeneffekte. Als Folge hiervon kann anhand der Zelldaten abgesch¨atzt werden, welchen G¨uteschwankungen das Ausgangs-material unterliegt. Dar¨uber hinaus ist es m¨oglich, durch gezielte Parametervariation bei Prozessschritten deren Einfluss auf das Material zu untersuchen, die Parame-ter bestm¨oglich anzupassen und R¨uckschl¨usse auf die Eigenschaften des verwendeten Ausgangsmaterials zu ziehen. In Folge l¨asst sich das Potential absch¨atzen, das ver-schiedene Prozesssequenzen hinsichtlich des Zellwirkungsgrades besitzen.

Im Hinblick auf die genannten Aspekte sollte der Zellprozess m¨oglichst wenig Pro-zessschritte umfassen, um die Reproduzierbarkeit zu maximieren sowie den Einfluss unerw¨unschter Nebeneffekte so gering wie m¨oglich zu halten. Auf der anderen Seite darf die Leistungsf¨ahigkeit der letztlich prozessierten Solarzelle nicht zu sehr durch eine vereinfachte Prozessf¨uhrung eingeschr¨ankt sein, was zwangsl¨aufig zu Kompromis-sen f¨uhrt. Welcher Weg beim Standard-Hochleistungsprozess gegangen wird, zeigen die folgenden Ausf¨uhrungen, in denen die einzelnen Prozessschritte in chronologischer Reihenfolge vorgestellt werden. Genauere Erl¨auterungen finden sich in [39].

3.1.1 Vorbehandlungen

Die Infrastruktur, die im Rahmen dieser Arbeit f¨ur Hochleistungsprozesse zur Verf¨ u-gung stand, ist auf die Prozessierung von 5×5 cm² großen Wafern ausgelegt, denen am Ende des Zellprozesses je vier 2×2 cm² große Solarzellen entnommen werden.

Da die Wafer der untersuchten Folienmaterialien in gr¨oßeren Abmessungen vorlagen, mussten sie zuerst auf das ben¨otigte Maß zurechtgeschnitten werden. Dies erfolgte zu Beginn der Arbeiten mit einer kommerziellen Wafers¨age. Aufgrund der im Vergleich zu blockgegossenem mc-Silizium h¨oheren Bruchanf¨alligkeit der untersuchten Folien-materialien wurde im Verlauf der Arbeiten jedoch dazu ¨ubergegangen, die Wafer mit einem gepulsten Nd-YAG Laser in die gew¨unschte Form zu bringen, wodurch sich die Bruchrate verringerte. Um den S¨age- bzw. Laserschaden zu entfernen und etwaige grobe Verunreinigungen nahe der Oberfl¨achen zu beseitigen, wurden die Wafer im Folgenden mit einer isotropen Politur¨atze ¨uber¨atzt. Hierbei fand eine modifizierte CP6 ¨Atzl¨osung Verwendung, die sich aus HF (50 %), HNO3 (65 %) und CH3COOH (100 %) im Volumenverh¨altnis 3 : 43 : 7 zusammensetzt [12].

3.1.2 Emitterdiffusion

Verunreinigungen an der Waferoberfl¨ache, insbesondere Ag, Al, Ti oder Cu, diffundie-ren gem¨aß ihdiffundie-ren Diffusionskoeffizienten (s. z. B. [34]) in Silizium wesentlich schneller als das f¨ur die Emitterdiffusion eingesetzte P. Vor allem bei hohen Temperaturen

uber etwa 500^◦C k¨onnen sie sehr schnell ins Wafervolumen vordringen und dann dort als Rekombinationszentren wirken. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Silizi-umscheiben vor der Diffusion sorgf¨altig von metallischen wie organischen Verunreini-gungen zu befreien. Dies geschah mit Hilfe der so genannten IMEC-Reinigung [74].

Hierbei wird die Waferoberfl¨ache in einer Mischung aus H2SO₄ und H₂O₂ bei einer Temperatur oberhalb von 80^◦C aufoxidiert, und das entstandene Oxid anschließend in HF wieder entfernt.

3.1. DER

”STANDARD-HOCHLEISTUNGSPROZESS“

Die gereinigten Si-Scheiben wurden unter N2-Atmosph¨are in den Diffusionsofen ein-gebaut und auf 820–840^◦C erhitzt. Im Anschluss erfolgte eine

”open-tube“-POCl3 -Phosphordiffusion. Danach wurde ein

”drive-in“ Schritt unter O2zur Verbesserung des Emitterprofils durchgef¨uhrt. Hierdurch vermeidet man weitgehend die Bildung einer mehreren Zehntel Mikrometer breiten, hoch dotierten Schicht mit erh¨ohter Rekombi-nation [39]. Abschließend ist es erforderlich, das an der Waferoberfl¨ache entstandene Phosphorsilikatglas zu entfernen. Dies geschah in einer Flusss¨aurel¨osung mit einem HF-Anteil von 4 vol%. Auf diese Weise erh¨alt man einen Emitterschichtwiderstand von 80–120 Ω/sq. Dar¨uber hinaus stellt sich w¨ahrend des Diffusionsprozesses ein Get-tereffekt ein, der in Abschnitt 3.3 betrachtet werden wird.

3.1.3 Thermische Oxidation

Unabges¨attigte Bindungen an der Siliziumoberfl¨ache f¨uhren zu St¨orzust¨anden in der Bandl¨ucke und somit zu erh¨ohter Rekombination (vgl. 2.1.1). Dieses Problem versucht man zu mindern, indem man ein thermisches Oxid auf die Si-Oberfl¨ache aufwachsen l¨asst. Hierzu ist ein weiterer, etwa zehnmin¨utiger Hochtemperaturschritt bei, je nach gew¨unschter Oxiddicke, 850–900^◦C erforderlich, dem erneut ein Reinigungsschritt vor-anzustellen ist. In der vorliegenden Arbeit fand hier wiederum die oben beschriebene IMEC-Reinigungsprozedur Verwendung.

Prinzipiell besteht die M¨oglichkeit, das Wachstum der Oxidschicht durch Beimen-gung von Wasserdampf zu beschleunigen, was allerdings eine h¨ohere Defektzustands-dichte mit sich bringt [34]. Aus diesem Grund wurde die trockene Oxidation verwen-det.

Hinsichtlich der Wahl der Oxiddicke ist zu ber¨ucksichtigen, dass die Schichtdicke Einfluss nimmt auf die Wirkungsgradsteigerung, die sich durch Aufbringen einer An-tireflexionsschicht auf die Solarzellen erzielen l¨asst [140]. Bei Verwendung einer SiNx -Schicht (nicht st¨ochiometrisch) bewirken Oxiddicken ab 35 nm Dicke trotz Anpassung der Antireflexschicht relative Einbußen in der Kurzschlussstromdichte und somit im Wirkungsgrad von ¨uber einem Prozent. Im Fall von Doppelantireflexschichten aus ZnS und MgF2 tritt dieser Effekt bereits ab Werten von 15 nm auf [124]. Aus die-sem Grund wurden f¨ur die vorliegenden Untersuchungen Oxiddicken im Bereich von 10–20 nm verwendet.

3.1.4 BSF-Bildung und Al-Gettern

Liegt die Diffusionsl¨ange der Minorit¨atsladungstr¨ager in der Gr¨oßenordnung der Dicke einer Solarzelle, so wirkt sich die Rekombination an der R¨uckseite der Zelle auf deren Leistungsf¨ahigkeit aus. Um hohe Wirkungsgrade erzielen zu k¨onnen, ist es daher erfor-derlich, die R¨uckseitenrekombination zu reduzieren. Dazu m¨ussen die Minorit¨aten von der Grenzfl¨ache Silizium–R¨uckkontakt ferngehalten werden. Hierzu wird im Fall von p-Typ Material eine hoch dotiertep⁺-Schicht auf die R¨uckseite aufgebracht. Das dar-aufhin amp–p⁺Ubergang entstehende elektrische Feld, das so genannte back-surface-¨ field (BSF) bewirkt einen zus¨atzlichen Potentialwall f¨ur die Elektronen, der sie daran hindert, die Grenzfl¨ache zu erreichen.

Im Standard-Hochleistungsprozess wird das BSF dadurch realisiert, dass zun¨achst im Elektronenstrahlverdampfer hochreines Al auf die Waferr¨uckseite aufgebracht wird.

Danach wird dieses im Ofen bei Temperaturen ¨uber der eutektischen Temperatur des Al-Si-Systems von 577^◦C [123, 47] einlegiert. Eine ausf¨uhrliche Darstellung der dabei ablaufenden Prozesse findet sich in [3].

Neben der Ausbildung des BSFs hat das r¨uckseitig aufgebrachte Al weitere Funk-tionen. So dient es zur ¨Uberkompensation des w¨ahrend der P-Diffusion beidseitig eingebrachten Emitters und erm¨oglicht das Gettern von Verunreinigungen aus dem Siliziumvolumen. Dabei werden Fremdatome aus ihrem momentanen Bindungszu-stand freigesetzt und diffundieren aufgrund ihrer h¨oheren L¨oslichkeit in der fl¨ussigen Al-Si-Phase in diese hinein. Nach Unterschreiten der Eutektikumstemperatur werden sie dort eingebunden und in einem anschließenden ¨Atzschritt in HCl (37 %) bei etwa 60^◦C zusammen mit dem Al entfernt. Genauere Ausf¨uhrungen zum Al-Gettern finden sich in Abschnitt 3.3.

3.1.5 Photolithographie

Die photolithographische Definition des Frontkontaktes erlaubt es, Kontaktfinger mit einer Breite von 15–20µm aufzubringen, was gegen¨uber einer Siebdruckmetallisierung mit Fingerbreiten von 100µm eine deutliche Reduktion der abgeschatteten Fl¨ache bedeutet. Dazu wird zun¨achst auf der Emitterseite des Wafers ganzfl¨achig Photo-lack aufgeschleudert und dieser bei etwa 100^◦C getrocknet. Anschließend wird die Lackschicht durch eine Maske hindurch belichtet und auf diese Weise das Frontgrid definiert. Ein Bad in Entwickler dient im Folgenden dazu, an den belichteten Stel-len den Lack zu entfernen. An diesen StelStel-len liegt die thermische Oxidschicht nun offen und kann in einer gepufferten HF-L¨osung (HF (50 %), NH4F (40 %), H2O im Verh¨altnis 1 : 7 : 40) abge¨atzt werden. Die Metallisierung selbst erfolgt im Elektro-nenstrahlverdampfer. Hierbei wird das Metall ganzfl¨achig auf die belackte Waferseite aufgedampft. An den zuvor ge¨offneten Stellen setzt es sich dabei direkt auf der Si-Oberfl¨ache ab, an den nicht zu kontaktierenden Waferbereichen hingegen verbleibt eine Lackschicht zwischen Waferoberfl¨ache und Metall. W¨ahrend des folgenden Lift Offs wird dieser Lack in Aceton gel¨ost und die dar¨uber liegende, nun nicht mehr haf-tende Metallschicht durch Abblasen des Wafers mit Stickstoff entfernt. Das an den entwickelten Stellen direkt auf der Si-Oberfl¨ache haftende Metall verbleibt dabei auf dem Wafer und bildet das Frontgrid.

Ein einziges Metall kann den verschiedenartigen Anforderungen, die an die Front-metallisierung gestellt werden, nicht gerecht werden. Daher werden nacheinander ver-schiedene Metalle auf die belackten Wafer aufgedampft. Die erste 50 nm dicke Metall-schicht besteht aus Ti, das mit seiner geringen Barrierenh¨ohe auf Si von 0,5 eV die Verwendung von Emittern mit geringerer Dotierungskonzentrationen in der Gr¨oßen-ordnung von 10¹⁹cm⁻³ erlaubt, gleichzeitig aber einen akzeptablen Kontaktwider-stand gew¨ahrleistet. Als Folge hiervon f¨allt die Rekombination im Emitter vergleichs-weise gering aus und man erh¨alt eine h¨ohere Quantenausbeute im Bereich kurzer Wellenl¨angen. Ti oxidiert allerdings leicht und muss daher gegen Oxidation gesch¨utzt

3.2. CHARAKTERISIERUNG PROZESSIERTER SOLARZELLEN werden. Hierzu wird im Standardprozess Pd verwendet, das ebenso wie Ti in einer Dicke von 50 nm per Elektronenstrahlverdampfung aufgebracht wird. Um eine gute Leitf¨ahigkeit der Kontakte sowie Stabilit¨at an Luft zu gew¨ahrleisten, wird als letz-tes Ag in Dicken von 3–3,5µm aufgedampft. Die Zwischenschicht aus Pd ist dabei notwendig, da Ag auf Ti nicht ausreichend gut haftet.

Nach Fertigstellung der Frontkontakte erfolgt die ganzfl¨achige Kontaktierung der Waferr¨uckseite mit einer 2µm dicken Al-Schicht wiederum mittels Elektronenstrahl-verdampfung. Daran schließt sich ein Sinterschritt unter Argon-Wasserstoff-Atmo-sph¨are an, welcher der Verringerung der Kontaktwiderst¨ande zwischen Silizium und den aufgebrachten Metallen dient.

Am Ende der Metallisierung befinden sich auf jedem Wafer vier Solarzellen, die mit Hilfe einer Wafers¨age ausges¨agt werden. Hierbei werden gleichzeitig die para-sit¨arenp-n- ¨Uberg¨ange getrennt, die andernfalls Emitter und R¨uckkontakt kurzschlie-ßen w¨urden. Auf diese Weise erh¨alt man 2×2 cm² große Solarzellen, bei denen die gesamte Waferfl¨ache als aktive Zellfl¨ache dient und kein ungenutzter Rand ¨ubrigbleibt.

3.2 Charakterisierung prozessierter Solarzellen

3.2.1 IV-Kennlinie, spektrale Empfindlichkeit und Quantenausbeute

Von allen hergestellten Solarzellen wurde die beleuchtete und die unbeleuchtete IV -Kennlinie aufgenommen. Erstere liefert die charakteristischen Zelldaten Kurzschluss-stromdichte J_sc, offene Klemmspannung V_oc, F¨ullfaktor FF und Wirkungsgrad η [34]. Die Dunkelkennlinie dagegen l¨asst R¨uckschl¨usse auf Parameter des Zwei-Dioden-Modells zu, das beispielsweise in [34] behandelt wird. Neben den Serien- und Parallel-widerst¨andenR_s undR_p erh¨alt man Informationen ¨uber die Diodenidealit¨atsfaktoren n₁ bzw. n₂ sowie die Diodens¨attigungsstr¨omeI₀₁ und I₀₂.

In Erg¨anzung zu den IV-Kennlinien wurde die spektrale Empfindlichkeit der So-larzellen bestimmt. Dabei wird die Zelle mit monochromatischem Licht beleuchtet, meist bei gleichzeitiger Beleuchtung mit weißem Biaslicht, und der Kurzschlussstrom Isc in Abh¨angigkeit der eingestrahlten Wellenl¨ange gemessen. Mit der eingestrahlten Lichtleistung F(λ) erh¨alt man hieraus die (externe) spektrale Empfindlichkeit SRext

gem¨aß

SRext(λ) = I_sc

F(λ) . (3.1)

Geht man zu Ladungstr¨ager- und Photonenzahlen ¨uber, so entspricht SRext die ex-terne Quantenausbeute EQE. Sie gibt an wie viele der eingestrahlten Photonen La-dungstr¨ager in der Solarzelle generieren, welche nicht rekombinieren und somit zum Kurzschlussstrom beitragen. Mit dem Planckschen Wirkungsquantumh, der Elemen-tarladung e und der Lichtgeschwindigkeit c berechnet sie sich aus der spektralen Empfindlichkeit folgendermaßen:

EQE(λ) = SR_ext(λ)h c

e λ (3.2)

Ein Teil des eingestrahlten Lichts wird stets an den Grenzfl¨achen der Zelle reflek-tiert. Dies ist zu ber¨ucksichtigen, wenn Aussagen ¨uber die Konversionseffizienz im Innern der Solarzelle getroffen werden sollen. In diesem Fall ist die Reflexion R zu ber¨ucksichtigen. Mit ihr erh¨alt man f¨ur die interne Quantenausbeute im Zellvolumen

IQE(λ) = EQE

1−R(λ) . (3.3)

In der vorliegenden Arbeit wurde die Reflexion der Solarzellen mit einem kom-merziellen Spektrometer bestimmt, wobei eine Ulbrichtkugel zur Einsammlung des reflektierten Lichts verwendet wurde.

3.2.2 Diffusionsl¨ ange der Minorit¨ atsladungstr¨ ager

Aufgrund des wellenl¨angenabh¨angigen Absorptionskoeffizienten α(λ) im Beerschen Gesetz verl¨auft die Absorption von Licht in Silizium f¨ur verschiedene Frequenzen unterschiedlich. Je langwelliger das eingestrahlte Licht ist, desto geringer f¨allt die Ab-sorption aus und umso l¨angere mittlere Wegstrecken m¨ussen die von diesem Licht generierten Minorit¨atsladungstr¨ager im Siliziumvolumen einer Solarzelle zur¨ucklegen, ehe sie die Raumladungszone erreichen und zum Strom beitragen k¨onnen. Je l¨anger diese Wege sind, desto gr¨oßer wird allerdings die Wahrscheinlichkeit, dass die La-dungstr¨ager rekombinieren, ehe sie die Raumladungszone erreichen.

Die Diffusionsl¨ange L_diff der Minorit¨atsladungstr¨ager stellt ein Maß f¨ur die mittlere Wegstrecke dar, die Ladungstr¨ager in einem Halbleiter zur¨ucklegen k¨onnen bevor sie rekombinieren, und berechnet sich im nicht entarteten p-Typ Halbleiter aus der Diffusionskonstante der ElektronenDn sowie deren Lebensdauer τn nach

L_diff =p

D_nτ_n . (3.4)

Gem¨aß obiger ¨Uberlegung nimmt mit steigendem Ldiff auch die IQE im langwelligen Spektralbereich h¨ohere Werte an, da insbesondere die von Licht dieser Wellenl¨angen generierten Ladungstr¨ager im Mittel lange Wege zur Raumladungszone zur¨uckzulegen haben. Die spektral aufgel¨oste interne Quantenausbeute enth¨alt somit Informationen

¨uber die Diffusionsl¨ange der Minorit¨atsladungstr¨ager in der Solarzelle. In einer quanti-tativen Betrachtung m¨ussen allerdings die Oberfl¨achenrekombinationsgeschwindigkeit an der Zellr¨uckseite SR sowie die Waferdicke d ber¨ucksichtigt werden, weswegen die effektive Diffusionsl¨ange L_eff eingef¨uhrt wird. F¨ur den langwelligen Spektralbereich von 800–1000 nm schl¨agtBasorefolgende Relation zwischen IQE,αundL_eff vor [6]:

3.3. ANPASSUNG DER GETTERSCHRITTE Eine Fehlerbetrachtung zur Bestimmung vonLeff nach Glg. 3.5 findet sich in [65]. Hier sei lediglich erw¨ahnt, dass die Fehler 10 % und mehr betragen k¨onnen. Insbesondere wenn die Diffusionsl¨ange Werte im Bereich der Zelldicke oder dar¨uber annimmt, sind die Resultate stark fehlerbehaftet.

3.2.3 Ortsaufgel¨ oste Kurzschlussstrommessungen

Bei dieser Messtechnik werden lokal mit einem Laser Ladungstr¨ager in der Solar-zelle generiert und der entstehende Kurzschlussstrom gemessen. Die Ortsaufl¨osung wird durch Abrasterung der Probe mit dem Laserlichtfleck erreicht. Als abk¨urzende Schreibweise wird daher ¨ublicherweise der Begriff LBIC-Mapping (Light Beam Indu-ced Current) verwendet. Eine Falschfarbendarstellung vermittelt letztlich einen bild-haften Eindruck von der Stromgeneration in verschiedenen Bereichen der Solarzelle [86, 34].

Durch den Einsatz verschiedener Laserwellenl¨angen erh¨alt man aufgrund der Wel-lenl¨angenabh¨angigkeit des Absorptionskoeffizienten LBIC-Mappings, welche einen Eindruck davon vermitteln, in welchem Maße Ladungstr¨ager, die in verschiedenen Entfernungen von der Zelloberfl¨ache bzw. der Raumladungszone generiert wurden, zur Stromgeneration beitragen k¨onnen (s. o.). F¨ur die Untersuchungen in dieser Arbeit standen Laserwellenl¨angen von 635, 833, 910 und 980 nm mit Absorptionsl¨angen von etwa 3, 15, 35 und 100µm (nach [21]) zur Verf¨ugung. Mit Hilfe von Lock-In-Technik und geeigneter Modulation der Laseramplituden konnten die LBIC-Messungen f¨ur alle Wellenl¨angen gleichzeitig durchgef¨uhrt werden. Eine Beschreibung des Messaufbaus findet sich in [87].

In der vorliegenden Arbeit wurde neben dem Strom gleichzeitig ortsaufgel¨ost die Reflexion bestimmt. Mit den gewonnenen Daten l¨asst sich gem¨aß den Ausf¨uhrungen in Abschnitt 3.2.1 eine ortsaufgel¨oste Darstellung der IQE erstellen.

3.3 Anpassung der Getterschritte

Multikristallines Silizium und insbesondere Folienmaterialien weisen im Vergleich zu monokristallinem Silizium eine erh¨ohte Zahl von strukturellen Defekten und Verun-reinigungen auf. Letztere k¨onnen gem¨aß der Shockley-Read-Hall-Rekombination die Lebensdauer der Minorit¨atsladungstr¨ager verringern [112, 42]. Dies gilt vor allem f¨ur metallische Verunreinigungen. Aus diesem Grund ist man daran interessiert, Fremd-atome aus dem Siliziumvolumen der Solarzelle zu entfernen. Dies kann durch die Aufnahme von Getterschritten in die Prozesssequenz erfolgen. W¨ahrend derartiger Prozessschritte werden Verunreinigungen an die Kristalloberfl¨ache bef¨ordert, von wo sie anschließend entfernt werden k¨onnen. Dies wird als extrinsischesGettern bezeich-net und steht im Gegensatz zumintrinsischenGettern, bei dem die Verunreinigungen an einem Ort im Kristallinnern angeh¨auft werden (z. B. Metalle an Sauerstoffpr¨azipi-taten [83]).

Da im Falle einer Solarzelle ¨ublicherweise das gesamte Kristallvolumen f¨ur die Pho-tokonversion ausgenutzt wird, sollte vor allen Dingen das extrinsische Gettern zu

Verbesserungen f¨uhren. Hierbei m¨ussen die Verunreinigungen durch das Kristallvolu-men hindurch an die Oberfl¨ache diffundieren. Die daf¨ur erforderliche Zeit h¨angt von der jeweiligen temperaturabh¨angigen Diffusionskonstanten in Silizium ab. Die h¨aufig vorkommenden Verunreinigungen Fe, Cu und Ni diffundieren bei ¨ublichen Gettertem-peraturen von 800–1000^◦C relativ z¨ugig in einigen Minuten durch ein 300µm dicken Siliziumwafer, wogegen sich die gebr¨auchlichen Dotierstoffe P und B um Gr¨oßenord-nungen langsamer bewegen [71, 108, 38]. Getteruntersuchungen an verschiedenen mc Siliziummaterialien haben gezeigt, dass eine Getterdauer von etwa 30 min bei rund 800^◦C f¨ur viele Verunreinigungen ausreichend ist [41].

Bislang existiert kein einheitliches Modell, das alle Arten von Getterungen phy-sikalisch zu erkl¨aren vermag. Unzweifelhaft ist lediglich, dass die Verunreinigungen zun¨achst aus ihrem momentanen Bindungszustand freigesetzt werden m¨ussen und danach eine Diffusion zum Getterort zu erfolgen hat, wo sie eingefangen werden.

F¨ur einzelne Getterarten gibt es zwar Modellvorstellungen f¨ur diese Vorg¨ange, doch beruhen diese auf unterschiedlichen Mechanismen. Die beiden wichtigsten Getterme-chanismen sind hierbei die dessegregationsinduziertenGetterns und des injektionsin-duziertenGetterns. Beim ersten besitzen die Verunreinigungen eine h¨ohere L¨oslichkeit in der Getterregion als im Kristallvolumen. Daher diffundieren sie unter dem Einfluss der hohen Temperatur w¨ahrend des Getterns in diesen Getterbereich. Im Fall des injektionsinduzierten Getterns geht man hingegen davon aus, dass interstitielles Si-lizium Sii substitutionell eingebundene, metallische Verunreinigungen Msuber einen¨

”Kick-Out“-Mechanismus auf interstitielle Gitterpl¨atze bef¨ordern kann:

Ms+ Sii →Mi+ Sis (3.8)

Interstitielle Verunreinigungen besitzen eine h¨ohere Diffusivit¨at, so dass sie in die Getterregion diffundieren und dort eingefangen werden k¨onnen [107, 55, 61].

Hinsichtlich einer m¨oglichst einfachen und st¨orungsfreien Prozessf¨uhrung und mit Blick auf die sp¨ateren Herstellungskosten w¨are es w¨unschenswert, wenn Gettervor-g¨ange in solche Prozessschritte integriert werden k¨onnten, die bereits Bestandteil des Standardprozesses bzw. eines g¨angigen Zellherstellungsverfahrens sind. M¨oglichkeiten bieten hier die Verfahren des P- oder Al-Getterns, die im Folgenden behandelt werden.

3.3.1 P-Gettern

Die P-Emitterdiffusion ist bereits Bestandteil des Zellprozesses. W¨ahrend dieses Pro-zessschritts stellt sich ein Gettereffekt ein, von dem noch nicht endg¨ultig gekl¨art zu sein scheint, wie er zustandekommt. In [61] wird als Erkl¨arung das segregationsindu-zierte Gettern von P-Ionenpaaren oder P-Metallkomplexen vorgeschlagen.Schr¨oter und Mitarbeiter hingegen favorisieren einen injektionsinduzierten Gettereffekt. Sie ge-hen davon aus, dass an der Grenzfl¨ache zwiscge-hen Silizium und dem w¨ahrend der

Im Dokument Vertikal gezogene multikristalline Si-Folien f¨ur die Photovoltaik (Seite 47-70)