Bei n-Typ-Solarzellen wird ein Beitrag der Basis zur Querleitfähigkeit erwartet, da sie die gleiche Polarität besitzt. Dies wird im ersten Abschnitt dieses Kapitels überprüft. Im zwei-ten Abschnitt wird untersucht welche Auswirkungen die Hochtemperaturprozessschritte auf Basiswiderstand Rbase und effektive Basislebensdauer τeff haben.
3.2.1 Beitrag der Basis zur Querleitfähigkeit
In Abschnitt 2.5 wurde bereits der effektive Schichtwiderstand betrachtet. Die dabei ange-sprochene Parallelschaltung von Front Surface Field und Basis in Gleichung (2.2) als erste Näherung zur Beschreibung des effektiven Schichtwiderstands soll nun untersucht werden.
Um diese Näherung zu überprüfen, werden in einem Experiment die auf Proben gemes-senen mit den aus einer Parallelschaltung berechneten Schichtwiderstände verglichen. Bei den hierbei hergestellten Proben gibt es vier Gruppen, die in Tabelle 3.5 dargestellt sind.
Gruppe gemessener Schichtwiderstand
A p-Typ, Emitter beidseitig Emitter (FSF) B n-Typ, FSF beidseitig abätzen Basis
C n-Typ, FSF einseitig Basis und FSF D n-Typ, FSF beidseitig Basis und 2×FSF
Tabelle 3.5: Gruppen im Experiment zum Vergleich gemessener und berechneter Schicht-widerstände.
Probenpräparation
Die 156×156 mm² großen n- und p-Typ-Cz-Silizium-Wafer werden zuerst in 80℃ heißer NaOH blankgeätzt und anschließend mit einem Laser in 5×5 cm² große Proben getrennt und beschriftet. Nach einem HCl/HF-Reinigungsschritt erfolgt die Emitter- beziehungs-weise FSF-Diffusion mit einem Zielschichtwiderstand von 30Ω/. Danach wird wiederum Basiswiderstand und Schichtwiderstand gemessen, bevor ein Zurückätzen auf 100Ω/ er-folgt. Dabei entstehendes poröses Silizium wird in einer 0,1%igen KOH-Lösung entfernt.
Nun wird bei Gruppe C, das FSF in einem Inkjet-Drucker mit Wachs einseitig maskiert.
Mit einer chemischen Politurlösung wird dann bei Gruppe C und B das FSF abgeätzt, bevor die Maske wieder entfernt wird. Abschließend wird auf allen Gruppen der jeweilige Schichtwiderstand mittels Vierpunktmessung bestimmt.
Ergebnisse
Der auf n-Typ gemessene Basiswiderstand beträgt 7,3±0,3Ωcm, und mit Gleichung (2.1) in einen Schichtwiderstand umgerechnet, 407±17Ω/. Der auf den p-Typ-Proben gemes-sene Emitter (dient als Äquivalent zum FSF der n-Typ-Proben) hat einen Schichtwider-stand von 99,3±1Ω/und ist in Abbildung 3.16 durch den linken roten Balken dargestellt.
Werden die 99,3Ω/ des FSF mit den 407Ω/ der Basis in einer Parallelschaltung ver-rechnet, ergibt dies einen Gesamtschichtwiderstand von 79,8±3,4Ω/ (siehe mittleren blauen Balken). Bei der Messung des Schichtwiderstands von Basis und FSF auf Gruppe C, was den Gegebenheiten auf einer Solarzelle entspricht, erhält man jedoch einen deutlich höheren Wert von 92,6±4,8Ω/. Der Schichtwiderstand wird dabei auf beiden Seiten gemessen, was jeweils dasselbe Ergebnis ergibt. Auch bei Gruppe D (siehe rechte beide Balken) ist das Resultat eine vergleichbare Abweichung von Messung und Berechnung des Schichtwiderstands.
Abbildung 3.16: Vergleich gemessener und berechneter Schichtwiderstände der verschie-denen Probengruppen.
Dieses Ergebnis zeigt, dass der Einfluss der Basis geringer ist als dies aus der Berech-nung durch eine Parallelschaltung erwartet wird. Der Grund hierfür ist, dass die beiden Schichten in Realität über die gesamte Fläche kontaktiert sind und nicht als zwei parallele Widerstände nebeneinander, die nur vorne und hinten kontaktiert sind, betrachtet werden können.
3.2.2 Einfluss der Hochtemperaturprozessschritte auf Basiswiderstand und Basislebensdauer
Da für n-Typ-Solarzellen eine hohe Basislebensdauer nötig ist, um hohe Wirkungsgrade zu erreichen, wird in diesem Kapitel der Einfluss der Hochtemperaturprozessschritte auf den BasiswiderstandRbase und die effektive Basislebensdauerτeff, was auch in [Edl10] betrach-tet wurde, untersucht. In n-Typ-Silizium ist die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger generell viel höher als in p-Typ-Silizium, weil dieses kein Bor enthält und dadurch keine lichtinduzierte Degradation (LID) auftritt.
0 , 1 1 1 0 1 0 0
1 6 , 5 1 7 , 0 1 7 , 5 1 8 , 0 1 8 , 5 1 9 , 0 1 9 , 5
Solarzellenwirkungsgrad [%abs]
B a s is le b e n s d a u e r τb u lk [ m s ]
Z e lld ic k e 1 7 5 µ m B a s is w id e r s t a n d 1 1 Ωc m F r o n t S R V 3 0 0 0 0 c m / s R ü c k S R V 1 x 1 0 c m / s
V o r d e r s e it e n r e f le x io n a u s S R - M e s s u n g e n D o t ie r p r o f ile a u s E C V - M e s s u n g e n
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Abbildung 3.17:PC1D Simulation des Solarzellenwirkungsgrades in Abhängigkeit der Le-bensdauer der Minoritätsladungsträger in der Basis für eine n-Typ-Solarzelle mit rückseiti-gem Aluminium-Emitter [Book11b].
Mittels einer PC1D-Simulation wurde festgestellt, dass eine Lebensdauer der Minoritäts-ladungsträger in der Basis von etwa 4 ms für eine 175 µm dicke n-Typ-Solarzelle mit rück-seitigem Aluminium-Emitter nötig ist, damit der Verlust im Solarzellenwirkungsgrad, auf-grund von Rekombination in der Basis, weniger als 0,1%abs beträgt (siehe Abbildung 3.17).
Um den Einfluss jedes Hochtemperaturprozessschrittes auf Widerstand und Lebensdau-er dLebensdau-er Basis zu Lebensdau-ermitteln, wLebensdau-erden drei Gruppen von LebensdauLebensdau-erproben prozessiLebensdau-ert und aus dem Prozess genommen [Book11b]:
• as cut (alkalische Textur)
• nach der POCl3-Diffusion (alkalische Textur, HCl/HF-Reinigung, 30Ω/-Diffusion)
• nach der Nitridabscheidung (alkalische Textur, HCl/HF-Reinigung, 30Ω/-Diffusion, PECVD-SiNx:H, Feuern, Entfernung des SiNx:H)
Es werden wiederum die drei verschiedenen n-Typ-Substrate (A-C) untersucht.
Probenpräparation
Es werden symmetrische Proben mit einer Passivierschicht aus intrinsischem, amorphem Silizium (a-Six:H) hergestellt [Book11b]. Nach den entsprechenden Prozessschritten, wer-den die Proben aus dem Prozess genommen und in chemischer Politur geätzt, um die Oberfläche zu entfernen (9 µm/Seite), und sie werden in Piranha-Lösung gereinigt.
Anschließend werden die Proben beidseitig mit einer etwa 30 nm dicken intrinsischen, amorphen Silizium (a-Six:H)-Schicht pro Seite passiviert. Dieses wird in einem PECVD-Direktplasmareaktor bei einer eingestellten Temperatur von 225℃ abgeschieden. Danach werden die Proben bei einer eingestellten Temperatur von 320℃ für 16 Minuten in Stick-stoff (N2)-Umgebung getempert, um die Oberlächenpassivierung zu aktivieren.
Die Lebensdauer der Proben wird durch PCD-Messungen mit einem Lebensdauertester (Sinton WCT-120) bestimmt. Die Auswertung erfolgt dabei bei einer Minoritätsladungs-trägerdichte ∆n von 1·1015cm−3. Die Ergebnisse für die effektive Lebensdauer und den Basiswiderstand sind in Abbildung 3.18 dargestellt.
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Effektive Lebensdauer τ eff [ms]
a s c u t
Abbildung 3.18:Links: Mittels PCD-Methode gemessene effektive Lebensdauer bei∆n = 1·1015cm−3, die Buchstaben zeigen die Lebensdauerwerte der Proben aus Abbildung 3.19;
Rechts: Mittels PCD-Methode gemessener Basiswiderstand [Book11b].
Bei allen drei Substraten kann ein starker Anstieg der Basislebensdauer nach der Dif-fusion beobachtet werden. Der Basiswiderstand steigt ebenfalls an. Der Effekt auf den Basiswiderstand kann durch die Dissoziation von thermischen Donatoren in der Basis er-klärt werden, welche sich wie Doppel-Donatoren verhalten (vergleiche [Ful57], [Kai58] und [Wag89]). Das Verhalten der Lebensdauer wird auch durch den Gettereffekt der Diffu-sion beeinflusst. Die gemessenen, sehr hohen Lebensdauern nach dem Prozess können als untere Grenze für die Basislebensdauer von Solarzellen betrachtet werden. Die großen Schwankungen in der effektiven Lebensdauer bei gleich prozessierten Proben erschwert es weitere Folgerungen aus diesen Daten zu ziehen [Book11b]. Die SiNx:H-Abscheidung hat kaum Einfluss auf die Lebensdauer und den Widerstand der Basis.
Photolumineszenz-Aufnahmen der Proben lassen erkennen, dass die Schwankungen durch starke, räumliche Inhomogenitäten verursacht werden (siehe Abbildung 3.19 oben). Um herauszufinden, ob die Inhomogenitäten der PL-Aufnahmen von der Passivierqualität oder der Basislebensdauer rühren, wird die Passivierschicht und die Siliziumoberfläche (etwa 3 µm) bei zwei Proben aus Substrat C in 23%iger KOH-Lösung bei 80℃ entfernt und sie werden erneut mit einer a-Six:H-Schicht passiviert (siehe Abbildung 3.19 unten). Die PL-Aufnahmen der neu passivierten Proben zeigen keine Ähnlichkeit mit jenen zuvor. Dies lässt folgern, dass die Inhomogenitäten durch die a-Six:H-Schicht verursacht werden und nicht von der Basislebensdauer des Siliziums herrühren. Die gemessenen Lebensdauern nach er-neuter Passivierung sind in Abbildung 3.18 links durch leere grüne Symbole dargestellt.
Abbildung 3.19: PL-Aufnahmen zweier gleich prozessierter Proben aus Substrat C nach der Diffusion mit der höchsten (oben links) und niedrigsten (oben rechts) gemessenen Minoritätsladungsträgerlebensdauer, die nach Ätzen der Oberfläche erneut mit einer a-Six:H Schicht passiviert werden [Book11b].
In einem weiteren Experiment werden aus Substrat A erneut Lebensdauer-Proben herge-stellt, um den Einfluss der trockenen thermischen Oxidation auf die effektive Lebensdauer τeff zu untersuchen [Book11b].
Probenpräparation
Zuerst wird bei den Proben eine 30Ω/-Diffusion durchgeführt, die dann auf einen Schicht-widerstand von etwa 100Ω/zurückgeätzt werden. Ein Teil der Proben wird in Piranha-Lösung gereinigt und anschließend einer trockenen, thermischen Oxidation bei 900℃ für 5 Minuten ausgesetzt. Diejenigen Proben, die keine Oxidation erhalten, dienen als Refe-renz. Alle Proben werden dann mittels chemischer Politur geätzt und mit einer a-Six :H-Schicht passiviert.
02 46 1 08 1 21 4 1 6
Lebensdauer τ eff [ms]
D if f . + E B + t h e r m . O x id a t io n D if f . + E B
Abbildung 3.20:Messungen der effektiven Lebensdauer vor und nach der thermischen Oxi-dation, ausgewertet bei einer Minoritätsladungsträgerdichte von 1·1015cm−3 [Book11b].
Die gemessene Lebensdauer ist in Abbildung 3.20 dargestellt. Trotz einer leichten Verringe-rung der mittleren Lebensdauer, lässt dieses Ergebnis darauf schließen, dass die thermische Oxidation die Qualität des Basismaterials nicht bedeutend verändert.
In diesem Abschnitt wurden die Effekte der Hochtemperaturprozessschritte während der Fertigung von Solarzellen mit rückseitigem Aluminium-Emitter untersucht, durch Messung der effektiven Lebensdauer und des Basiswiderstands auf symmetrischen Proben, die mit intrinsischem, amorphem Silizium (a-Six:H) passiviert wurden. Dabei konnte ein starker Anstieg der Basislebensdauer und des Basiswiderstands beobachtet werden, was von der Vernichtung von thermischen Donatoren während des Diffusionsschritts herrührt. Dieser Effekt muss bei der Herstellung von Solarzellen mit rückseitigem Aluminium-Emitter be-achtet werden.