PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69334075T2 31.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000656149
Titel VERBESSERTE RÜCKSEITEN-HYDRIERUNGSTECHNIK FÜR FEHLERPASSIVIERUNG IN SILIZIUM-SONNENZELLEN.
Anmelder Midwest Research Institute, Kansas City, Mo., US
Erfinder SOPORI, L., Bhushan, Denver, CO 80235, US
Vertreter MÜLLER FOTTNER STEINECKE Rechtsanwälte Patentanwälte, 80335 München
DE-Aktenzeichen 69334075
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.08.1993
EP-Aktenzeichen 939211835
WO-Anmeldetag 24.08.1993
PCT-Aktenzeichen PCT/US93/07938
WO-Veröffentlichungsnummer 1994005036
WO-Veröffentlichungsdatum 03.03.1994
EP-Offenlegungsdatum 07.06.1995
EP date of grant 18.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/26(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01L 31/18(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Bereich der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft Hydrierung von Siliziumsubstraten im Allgemeinen und im Besonderen ein verbessertes Hydrierungsverfahren zum Passivieren von Fehlern in Silizium-Sonnenzellen.

Stand der Technik

Eine typische Silizium-Sonnenzelle enthält in einem Siliziumsubstrat einen Leitfähigkeitsbereich vom p-Typ und einen vom n-Typ und erzeugt Elektrizität, wenn auftreffende Strahlung Elektronen-Loch-Paare erzeugt, die zu den jeweiligen Leitfähigkeitsbereichen vom p-Typ und n-Typ wandern. Bedauerlicherweise können bestimmte Unreinheiten in dem Siliziumsubstrat, sowie Fehler in der Kristallstruktur selbst die Leistungsfähigkeit der Sonnenzelle auf unterhalb von das reduzieren, was ansonsten erzielt werden könnte, wenn das Siliziumsubstrat perfekt und fehlerfrei wäre. Folglich haben Forscher nach Wegen gesucht, die Auswirkungen von derartigen Fehlern und Unreinheiten zu minimieren, um so die Gesamtleistungsfähigkeit der Zelle zu erhöhen.

Ein Verfahren zum Minimieren der Auswirkungen der Fehler und Unreinheiten ist, die Zelle durch Implantieren von Wasserstoff in das Siliziumsubstrat zu hydrieren. Obwohl die exakte Wirkung, die Wasserstoff auf das Substrat hat, noch nicht vollständig verstanden wird, ist bekannt, dass der Wasserstoff die Fehler und Unreinheiten in dem Substrat minimiert oder "passiviert". Zum Beispiel können in vielen der Elementarzellen in der Kristallstruktur ein oder mehrere Siliziumatome fehlen, was Leerstellen erzeugt oder Bereiche, an denen sich Siliziumatome befinden sollten, jedoch nicht vorhanden sind. Hydrierung des Substrats ermöglicht Wasserstoffatomen, jene Leerstellen in den Elementarzellen zu füllen, wodurch die nachteiligen Auswirkungen jener Leerstellen oder Fehler reduziert werden. Tatsächlich ist nunmehr gut bekannt, dass die Leistungsfähigkeit von Sonnenzellen, wie auch vieler anderer elektronischer Vorrichtungen, die auf p- und n-dotierten Siliziumsubstraten gebaut werden, wie zum Beispiel integrierte Schaltungen, durch eine solche Wasserstoffpassivierung verbessert werden können. In Bezug auf Sonnenzellen verbessert Wasserstoffpassivierung die Leistungsfähigkeit der Zelle durch Verringerung von Minoritäts-Ladungsträger-Rekombinationsverlusten an Korngrenzen, Fehlordnungen und anderen Fehlern in dem Kristallgitter. Obwohl die verbesserte Leistungsfähigkeit, die von Wasserstoffpassivierung herrührt, im Labor nachgewiesen wurde, ist es bedauerlicherweise schwierig gewesen, Wasserstoffpassivierungstechniken kommerziell anzuwenden, da die präzisen Auswirkungen von Hydrierung auf das Siliziumsubstrat noch nicht gut verstanden sind.

In der Vergangenheit wurden Sonnenzellen durch Einführen von Wasserstoff in das Siliziumsubstrat von der Grenzfläche oder Vorderseite der Zelle durch Verwenden eines RF-Plasmas oder durch Ionenimplantation hydriert. Vorderseitenhydrierung ist jedoch nicht ohne Nachteile. Zum Beispiel müssen alle Zellverfahren, die Temperaturen oberhalb von 300°C erfordern, vor Hydrierung ausgeführt werden, da Temperaturen oberhalb von etwa 300°C den vorher implantierten Wasserstoff aus dem Substrat austreiben. Darüber hinaus muss, da Wasserstoffionen nicht leicht durch die Antireflexionsbeschichtungen (AR = Antireflexions) hindurchtreten, die üblicherweise auf der Vorderseite der Zelle angeordnet sind, Vorderseiten-Hydrierung auch vor der Abscheidung der Antireflexionsbeschichtung (AR-Beschichtung) durchgeführt werden. Daher muss das nachfolgende AR-Beschichtungsverfahren bei einer Temperatur unterhalb von 300°C durchgeführt werden, was bedauerlicherweise die Verwendung von teureren Beschichtungen und Verfahren erfordert. Auch machen es solche Beschichtungen und Verfahren schwieriger, gute AR-Beschichtungen über große Flächen zu erzielen. Ein weiterer mit dem Vorderseiten-Hydrierungsverfahren verbundener signifikanter Nachteil ist, dass es eine beschädigte Oberflächenschicht auf der Vorderseite des Substrats erzeugt. Obwohl die tatsächliche Dicke der beschädigten Oberflächenschicht im Vergleich zu der Gesamtdicke des Substrats relativ klein ist, reduziert die beschädigte Oberflächenschicht dennoch die Leistungsfähigkeit der Zelle.

Nach Erkennen der Nachteile, die mit Vorderseiten-Hydrierung verbunden sind, haben Forscher verschiedene Verfahren entwickelt, um das Substrat von der Rückseite her zu hydrieren. Ein primärer Vorteil von Rückseiten-Hydrierung ist, dass die beschädigte Oberflächenschicht auf die Rückseite des Substrats erzeugt wird und darauf beschränkt ist, weg von der Grenzflächenseite der Zelle, wodurch ihre nachteilige Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit der Zelle minimiert ist. Ein weiterer mit Rückseiten-Hydrierung verbundener Vorteil ist, dass sie nach dem Abscheiden der Vorderseiten-AR-Beschichtung durchgeführt werden kann, da die Wasserstoffionen von der Rückseite der Zelle implantiert werden. Bedauerlicherweise ist Rückseiten-Hydrierung jedoch nicht ohne Nachteile. Zum Beispiel erfordert Rückseiten-Hydrierung entweder einen vollständig offenen oder einen teilweise offenen Rückseitenkontakt, damit der Wasserstoff in das Substrat implantiert werden kann. Ein weiterer Nachteil ist, dass es noch notwendig ist, sicher zu stellen, dass die nachfolgenden Bearbeitungsschritte, wie zum Beispiel Tempern oder Legieren, bei Temperaturen unterhalb von 300°C ausgeführt werden, um zu verhindern, dass Wasserstoff aus dem Substrat entweicht.

Ein Weg zum Umgehen der oben beschriebenen Temperaturbeschränkung ist, die Rückseite der Zelle mit einem Wasserstoff-Abdichtmaterial zu beschichten, um das Entweichen des implantierten Wasserstoffs während nachfolgender Bearbeitung bei einer hohen Temperatur zu vermeiden. In meiner Veröffentlichung mit dem Titel A Backside Hydrogenation Technique for Defect Passivation in Silicon Solar Cells, J. Appl. Phys. 64, 15. November 1988, Seiten 5264–5266, beschrieb ich ein Verfahren zum Einschließen des Wasserstoffs in dem Siliziumsubstrat während dem nachfolgenden Rückseitenkontakt-Legierungsverfahren. Im Wesentlichen erfordert jenes Verfahren die Abscheidung einer Aluminiumschicht mit einer Dicke von etwa 200 nm (2000 Å) auf der Rückseite der Zelle, um den Wasserstoff daran zu hindern, während nachfolgender Bearbeitung bei einer hohen Temperatur zu entweichen. Obwohl das oben erwähnte Verfahren versuchte, die damals erkannten Vorteile von Substrathydrierung zu maximieren, stellte das Aluminiumbeschichtungsverfahren einen zusätzlichen Schritt dar, der nicht direkt zur Leistungsfähigkeit der Zelle beitrug. Auch war zu jener Zeit nicht allgemein erkannt worden, dass das Hydrierungsverfahren, obwohl es Minoritäts-Ladungsträger-Rekombinationsverluste wirksam verringerte, seine eigenen, Leistungsfähigkeit vermindernden Auswirkungen bei der Sonnenzelle einführte, wobei diese Fehler minimiert werden sollten, um die Leistungsfähigkeit der Zelle zu maximieren.

Daher gibt es ein Bedürfnis nach einem verbesserten Wasserstoffpassivierungsverfahren, das die Auswirkungen der Passivierung auf Fehler und Unreinheiten in dem Siliziumsubstrat maximiert, während es gleichzeitig die mit Hydrierung verbundenen nachteiligen Wirkungen selbst minimiert. Idealerweise sollte ein solches Verfahren in der Lage sein, bei fertig gestellten Sonnenzellen durchgeführt zu werden und mit einer minimalen Anzahl an Schritten, um die Kosten für die Herstellung von Zellen zu minimieren. Bis zu dieser Erfindung existierte kein solches Verfahren.

Offenbarung der Erfindung

Folglich ist es eine allgemeine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Hydrierungsverfahren bereit zu stellen, das die Passivierung von Fehlern und Unreinheiten in dem Siliziumsubstrat maximiert und die nachteiligen Auswirkungen minimiert, die durch das Hydrierungsverfahren selbst eingeführt werden.

Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Hydrierungsverfahren bereit zu stellen, das nicht die Abscheidung einer Beschichtung zum Einschließen von Wasserstoff erfordert.

Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Hydrierungsverfahren zur Verfügung zu stellen, das bei einer fertig gestellten Sonnenzelle durchgeführt werden kann.

Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Rückseiten-Hydrierungsverfahren zur Verfügung zu stellen, das epitaktisches Nachwachsen der beschädigten Oberflächensicht erzeugen kann.

Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, Deaktivierung von Bor in der Substratmasse umzukehren.

Diese Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Zusätzliche Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale dieser Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden teilweise Fachleuten nach Prüfung des Nachfolgenden offensichtlich werden oder können durch die Ausführung der Erfindung erfahren werden. Diese Aufgaben und die Vorteile der Erfindung können durch die Mittel und in Kombinationen realisiert und erzielt werden, die insbesondere in den beigefügten Ansprüchen dargelegt sind.

Um die oben erwähnten und weitere Aufgaben zu lösen und in Übereinstimmung mit den Zielen der vorliegenden Erfindung, wie sie hier verkörpert und breit beschrieben sind, umfasst das verbesserte erfindungsgemäße Rückseiten-Hydrierungsverfahren die Schritte von zuerst Beschießen der Rückseite des Siliziumsubstrats mit Wasserstoffionen mit Intensitäten und Dauer, die ausreichend sind, um eine Menge an Wasserstoffatomen in das Siliziumsubstrat zu implantieren, die ausreichend ist, um potenziell im Wesentlichen alle der Fehler und Unreinheiten in dem Siliziumsubstrat zu passivieren, und dann Bestrahlen des Siliziumsubstrats mit elektromagnetischer Strahlung, um den implantierten Wasserstoff zu aktivieren, so dass er die Fehler und Unreinheiten in dem Substrat passivieren kann. Der Bestrahlungsschritt behebt auch die Wasserstoff-induzierten Fehler. Im Wesentlichen wird der Bestrahlungsschritt gemäß einem zweistufigen Bestrahlungsplan ausgeführt. Die erste oder leistungsschwache Bestrahlungsstufe setzt das Substrat elektromagnetischer Strahlung aus, die eine ausreichende Intensität aufweist, um die implantierten Wasserstoffatome zu aktivieren, sie jedoch nicht aus dem Substrat auszutreiben. Die zweite oder Hochleistungs-Bestrahlungsstufe setzt das Substrat elektromagnetischer Strahlung mit höherer Intensität aus, die ausreichend ist, die Wasserstoff-induzierten Fehler zu beseitigen und die Metallkontakte zu sintern/legieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beigefügten Zeichnungen, die hier aufgenommen sind und einen Teil der Beschreibung bilden, veranschaulichen die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen:

1 ist eine Seitenansicht einer typischen Sonnenzelle, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hydriert wird;

2 ist eine Seitenansicht der hydrierten Sonnenzelle, die gemäß dem erfindungsgemäßen Bestrahlungsplan bestrahlt wird; und

3 ist ein Graph, der den zweistufigen erfindungsgemäßen Bestrahlungsplan als eine Funktion der optischen Energie pro Flächeneinheit gegen die Zeit zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Das verbesserte erfindungsgemäße Rückseiten-Hydrierungsverfahren ist am besten in 1 und 2 zu sehen, wo es dazu verwendet wird, eine vorgefertigte polykristalline photovoltaische Sonnenzelle 10 des Typs zu hydrieren, der im Stand der Technik gut bekannt ist. Das erfindungsgemäße Hydrierungsverfahren ist ein zweistufiges Verfahren. In diesem Verfahren implantiert der erste Schritt Wasserstoffatome in das Substrat 12 von Zelle 10, indem die Rückseite 24 einem Wasserstoffionenstrahl 30 ausgesetzt wird, der durch eine herkömmliche (nicht gezeigte) Kaufman-Ionenquelle erzeugt wird. Die implantierten Wasserstoffatome diffundieren dann rasch durch das Substrat 12, mittels eines Mechanismus, der nachfolgend detaillierter erläutert wird. Nachdem der Wasserstoff implantiert worden ist, wird dann die Vorderseite 16 der Zelle 10 gemäß einem zweistufigen Bestrahlungsplan 34 (3) mit einem Lichtstrahl 26 angestrahlt. Im Wesentlichen setzt der zweistufige Bestrahlungsplan 34 die hydrierte Zelle Lichtstrahlung mit speziellen Wellenlängenbanden und speziellen Intensitätsvariationen im Zeitablauf aus. Kurz ausgedrückt aktiviert die erste oder leistungsschwache Stufe 38 des Bestrahlungsplans 34 die implantierten Wasserstoffatome, so dass sie frei sind, sich in dem Gitter zu bewegen und Fehler und Unreinheiten in dem Substrat zu passivieren. Die zweite oder Hochleistungsstufe 40 des Bestrahlungsplans 34 behebt die Wasserstoff-induzierten Fehler und ermöglicht, sofern anwendbar, gleichzeitiges Sintern/Legieren der metallischen Beschichtungen, dies alles während der implantierte Wasserstoff daran gehindert wird, aus dem Substrat ausgetrieben zu werden.

Ein signifikanter Vorteil, der mit dem verbesserten erfindungsgemäßen Hydrierungsverfahren verbunden ist, ist, dass es bei fertig gestellten Zellen durchgeführt werden kann und nicht die Abscheidung einer separaten Wasserstoff-einschließenden Beschichtung erfordert. Das Hydrierungsverfahren maximiert dadurch Leistungsfähigkeit und Effizienz der Zelle, während es die Extraausgaben und Bearbeitungsschritte minimiert, die typischerweise mit Hydrierungsverfahren nach dem Stand der Technik verbunden sind. Noch wichtiger ist, dass es nicht die Materialien oder die Arten der Bearbeitungsschritte beschränkt, die zum Herstellen der Zellen verwendet werden können, da das Hydrierungsverfahren bei fertig gestellten Zellen durchgeführt werden kann. Ein weiterer signifikanter Vorteil des Hydrierungsverfahrens ist, dass es aufgrund der Passivierungswirkung des Wasserstoffs nicht nur eine erhöhte Leistungsfähigkeit der Zelle zur Verfügung stellt, sondern auch dass es eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Zelle nicht durch die zusätzlichen Fehler gefährdet, die typischerweise durch Hydrierung eingeführt werden, wie beispielsweise die Erzeugung von Fehlern tief in dem Substrat oder die Erzeugung einer beschädigten Oberflächenschicht. Die zweite oder Hochleistungsstufe 40 des Bestrahlungsplans 34 behebt nicht nur die durch Wasserstoff induzierten Fehler, sondern erzeugt auch ein epitaktisches Nachwachsen der beschädigten Rückseitenschicht, wodurch die Leistungsfähigkeit der Zelle weiter verbessert wird. Als ein weiterer Vorteil kehrt das Bestrahlungsverfahren auch Bor-Deaktivierung innerhalb des Substrats um.

Unter Bezugnahme auf 1 wird nun das verbesserte erfindungsgemäße Rückseitenhydrierungsverfahren detailliert beschrieben, wie es bei einer herkömmlichen Sonnenzelle 10 angewandt wird, die ein p-leitendes polykristallines Siliziumsubstrat 12 aufweist. Gemäß der üblichen Praxis wird ein n-leitender Leitfähigkeitsbereich 14 auf der Vorderseite 16 von Substrat 12 erzeugt und wird von dem p-leitenden Substrat 12 durch eine Grenzfläche 18 getrennt. Eine Mehrzahl an metallischen Vorderseitenkontakten 20 wird auf der Vorderseite 16 angeordnet und sowohl die Vorderseite 16 als auch die metallischen Kontakte 20 werden durch eine Antireflexionsbeschichtung 22 bedeckt (AR = Antireflexions). Auf ähnliche Weise wird eine Mehrzahl an Rückseitenkontakten 28 auf der Rückseite 24 von Substrat 12 angeordnet. Rückseitenkontakte 28 können bereits an die Rückseite 24 von Substrat 12 gesintert oder legiert sein, obwohl dies nicht erforderlich ist. Die metallischen Rückseitenkontakte 28 können während des Bestrahlungsverfahrens gesintert oder legiert werden, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird.

Der erste Schritt bei dem verbesserten Hydrierungsverfahren dient dazu, Wasserstoffatome in das Substrat 12 zu implantieren, so dass sie gegebenenfalls Fehler und Unreinheiten in dem Siliziumkristallgitter passivieren und Minoritäts-Ladungsträger-Verluste an Korngrenzen, Fehlordnungen und anderen Fehlern in dem Substrat reduzieren können. Die Wasserstoffatome werden in das Substrat 12 implantiert, indem man die Rückseite 24 einem Wasserstoffstrahl 30 mit einer relativ niedrigen Energie aussetzt, der durch eine (nicht gezeigte) herkömmliche Kaufman-Ionenquelle erzeugt wird. Für eine effektive Implantierung sollten die Wasserstoffionen 30 Energien im Bereich von 500 eV bis 2 keV aufweisen und das Substrat sollte bei einer Temperatur unterhalb von etwa 300°C gehalten werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Wasserstoff bei 1,5 keV mit einem Strahlstrom von etwa 0,5 mA/cm2 für 15 Minuten implantiert und das Substrat bei einer Temperatur von etwa 250°C gehaltert. Natürlich können kleinere Strahlstromdichten verwendet werden, wenn die Bestrahlungsdauer entsprechend verlängert wird. Wenn zum Beispiel die Strahlstromdichte auf etwa 0,2 mA/cm2 verkleinert wird, sollte die Bestrahlungsdauer auf etwa 30 Minuten verlängert werden.

Wie bekannt ist, erzeugt der Wasserstoffionenstrahl 30 eine beschädigte Oberflächenschicht 32. Obwohl die exakte Natur der beschädigten Oberflächenschicht, die durch die Implantierung von Wasserstoffionen erzeugt wird, nicht bekannt ist, wird angenommen, dass sie ein beschädigter Bereich ist, in dem die Kristallstruktur durch die einfallenden Wasserstoffionen etwas unterbrochen wurde. Auf jeden Fall ist es bekannt, dass die beschädigte Oberflächenschicht die Leistungsfähigkeit der Sonnenzelle beeinträchtigt, insbesondere wenn sie sich auf der Grenzfläche oder Vorderseite 16 der Zelle 10 befindet. Daher ermöglicht Rückseitenhydrierung, dass die beschädigte Oberfläche von der Grenzflächenseite fern gehalten wird, um die Leistungsfähigkeit mindernde Wirkung zu reduzieren, die sie auf die Zelle ausübt.

Bis vor kurzem wurde angenommen, dass die beschädigte Oberflächenschicht 32 der einzige Bereich ist, der durch den implantierten Wasserstoff beschädigt wird. Jedoch ist inzwischen entdeckt worden, dass die durch das Hydrierungsverfahren eingeführten Fehler nicht auf die beschädigte Oberflächenschicht beschränkt sind, sondern sich tief in das Substrat selbst hinein erstrecken. Obwohl noch weniger über die exakte Natur der tiefen Wasserstofffehler bekannt ist, als über die Natur der beschädigten Oberflächenschicht, ist bekannt, dass jene Fehler teilweise die Vorteile aufheben, die durch Wasserstoffpassivierung erzielt werden. Folglich umfasst der optische Bearbeitungsschritt der vorliegenden Erfindung einen zweistufigen Bestrahlungsplan, der einen substantiellen Prozentsatz der tiefen, durch Wasserstoff induzierten Fehler behebt.

Der optische Bearbeitungsschritt und sein damit zusammenhängender Bestrahlungsplan 34 werden am besten unter gleichzeitigem Bezug auf 2 und 3 gesehen. Wie oben erwähnt ist, ist der Bestrahlungsplan 34 wichtig, da er für viele der Verbesserungen verantwortlich ist, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden sind. Jedoch ist es einfacher, den in 3 gezeigten Bestrahlungsplan 34 zu verstehen und anzuwenden, nachdem zuerst kurz der Mechanismus beschrieben wird, von dem angenommen wird, dass er die Wasserstoffdiffusion und das Passivierungsverfahren steuert.

Da Sonnenzellen Minoritäts-Ladungsträger-Vorrichtungen sind, sollte der implantierte Wasserstoff für eine effektive Passivierung durch das gesamte Substrat diffundiert werden, das typischerweise etwa 300 &mgr;m dick ist. Obwohl über das Diffusionsvermögen von Wasserstoff in Silizium und seine Abhängigkeit von Materialparametern, oder über den Mechanismus der Unreinheit/Fehler-Passivierung selbst wenig bekannt ist, habe ich ein Modell für den Wasserstoffdiffusionsvorgang entwickelt, das eine gute Übereinstimmung mit den bisher erzielten experimentellen Ergebnissen aufweist. Nach jenem Modell kombinieren sich die implantierten Wasserstoffionen mit Leerstellen in dem Substrat, um Wasserstoff-Leerstelle-Komplexe (H-V = Wasserstoff-Leerstelle) auszubilden, die nahezu so mobil sind wie die einzelnen Leerstellen selbst. Diese Wasserstoff-Leerstelle-Komplexe (H-V-Komplexe) tragen die Wasserstoffatome rasch durch das gesamte Substrat, was zu viel höheren Diffusionskoeffizienten führt, als bei Czochralski- und Schmelzzonenwafern beobachtet wurden, von denen bisher angenommen wurde, dass sie die höchsten Wasserstoff-Diffusionskoeffizienten ermöglichen. Obwohl das von den H-V-Komplexen herrührende hohe Wasserstoffdiffusionsvermögen beim Verteilen der verfügbaren Wasserstoffatome durch das Gitter von Vorteil ist, müssen die Wasserstoffatome von den H-V-Komplexen getrennt werden, bevor sie zu den großen Fehlern in dem Gitter wandern und sie passivieren können. Der erfindungsgemäße optische Bearbeitungsschritt aktiviert die inaktiven Wasserstoffatome optisch und elektrisch, und trennt sie von den H-V-Komplexen.

Bezug nehmend auf 2 wird der optische Bearbeitungsschritt durch Bestrahlen der Vorderseite 16 der Sonnenzelle mit Strahlung hoher Intensität 26 gemäß dem in 3 gezeigten zweistufigen Bestrahlungsplan 34 ausgeführt. Die erste oder leistungsschwache Stufe 38 bricht die H-V-Komplexe auf, während die zweite oder Hochleistungsstufe 40 die durch Wasserstoff induzierten Fehler behebt und die Metallkontakte an die Zelle sintert/legiert. Die Hochleistungsstufe 40 unterstützt auch epitaktisches Nachwachsen der vorher beschädigten Oberflächenschicht 32. Obwohl der zweistufige Bestrahlungsplan 34 die Zelle annähernd der gleichen maximalen Energie pro Flächeneinheit wie der konventionelle Bestrahlungsplan 36, aussetzt, der typischerweise mit herkömmlichen Rückseitenhydrierungstechniken verbunden ist, ermöglicht das Vorhandensein der leistungsschwachen Stufe 38, dass der optische Bearbeitungsschritt Ergebnisse erzielt, die mit Bestrahlungsplänen nach dem Stand der Technik nicht möglich waren. In vorteilhafter Weise bricht die erste oder leistungsschwache Stufe 38 die H-V-Komplexe auf oder dissoziiert sie, setzt den Wasserstoff frei, um große Fehler und Unreinheiten zu passivieren, ohne den Wasserstoff aus dem Substrat auszutreiben. Dann wird die optische Leistung auf die zweite oder Hochleistungsstufe 40 angehoben, um die durch Wasserstoff induzierten Fehler durch optische und thermische Dissoziation zu heilen. Die zweite Leistungsstufe 40 überführt auch ausreichende Energie zu der Zelle, um die Metallkontakte 28 an die Rückseite 24 des Substrats 12 zu sintern/legieren, sofern ein solches Sintern/Legieren nicht bereits bei der fertig gestellten Sonnenzelle 10 durchgeführt worden war.

Die bei dem erfindungsgemäßen Bestrahlungsschritt verwendete elektromagnetische Strahlung sollte Wellenlängen in dem Bereich von etwa 400 nm (4000 Å) bis 1500 nm (15000 Å) aufweisen. Die Intensität der leistungsschwachen Stufe 38 sollte in dem Bereich von etwa 1,5 bis 3 Watt/cm2 betragen und die Intensität der Hochleistungsstufe 40 in dem Bereich von etwa 2 bis 4 Watt/cm2. Die jeweilige Dauer von sowohl der leistungsschwachen wie auch der Hochleistungsstufe sollte im Bereich von 10 bis 20 Sekunden betragen, was eine Gesamtbestrahlungsdauer in dem Bereich von 30 bis 60 Sekunden ergibt. In der bevorzugten Ausführungsform wird die optische Leistung (Bestrahlungsintensität) über einen Zeitraum von etwa 15 Sekunden zu dem ersten oder leistungsschwachen Niveau 38 linear vergrößert oder "rampenförmig angehoben", das bei einer Intensität von etwa 1,5 Watt/cm2 für etwa 10 Sekunden beibehalten wird. Die Bestrahlungsintensität wird dann über einen Zeitraum von etwa 5 Sekunden auf das zweite oder Hochleistungsniveau 40 angehoben, das bei einer Intensität von etwa 2 Watt/cm2 auch für etwa 10 Sekunden beibehalten wird. Die Bestrahlungsintensität wird dann über einen Zeitraum von etwa 5 Sekunden linear auf Null verringert, was eine Gesamtbestrahlungsdauer von etwa 45 Sekunden ergibt.

Es ist zu beachten, dass das in dem vorerwähnten Beispiel beschriebene "rampenförmige Anheben" oder gleichmäßige Vergrößern der optischen Leistung kein Erfordernis des Bestrahlungsplans 34 ist, sondern vielmehr durch die spezielle optische Vorrichtung bedingt ist, die zum Bestrahlen der Zelle verwendet wird. Das einzige Erfordernis des erfindungsgemäßen Bestrahlungsplans 34 ist, dass er eine leistungsschwache Stufe 38 umfasst, um die H-V-Komplexe zu dissoziieren, ohne den Wasserstoff aus dem Substrat auszutreiben, und eine zweite, Hochleistungsstufe 40, um die durch Wasserstoff bedingten Fehler zu heilen. Obwohl der hier gezeigte und beschriebenen spezielle Bestrahlungsplan 34 wirksam ist zum Passivieren von preiswerten polykristallinen Sonnenzellen, sind auch andere Bestrahlungspläne in Abhängigkeit von den Eigenschaften des jeweiligen zu passivierenden Substrats wie auch von dem Grad an erwünschter Passivierung möglich. Da derartige alternative Bestrahlungspläne für Fachleute naheliegen, nachdem sie mit den Details der vorliegenden Erfindung sowie mit den durch den Bestrahlungsschritt zu erreichenden Zielen vertraut sind, soll die vorliegende Erfindung nicht als auf den hier gezeigten und beschriebenen speziellen Bestrahlungsplan 34 beschränkt angesehen werden.

Das oben geschilderte dient nur der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung, wohingegen die Erfindung durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.


Anspruch[de]
Verfahren zur Hydrierung eines Siliziumsubstrats (12), wobei das Siliziumsubstrat (12) eine Vorderseite (16) und eine Rückseite (24) aufweist und eine Vielzahl von Fehlern und Unreinheiten beinhaltet, umfassend die Schritte:

Beschießen der Rückseite (24) des Siliziumsubstrats (12) mit Wasserstoffionen (30) mit ausreichender Intensität und über eine ausreichende Dauer, um eine Menge an Wasserstoffatomen in das Siliziumsubstrat (12) zu implantieren, die ausreichend ist, um potenziell im Wesentlichen alle der Fehler und Unreinheiten in dem Siliziumsubstrat zu passivieren, wobei eine beschädigte Oberflächenschicht (32) ausgebildet wird; und darauffolgend

Bestrahlen des Siliziumsubstrats in einer leistungsschwachen Stufe mit elektromagnetischer Strahlung leistungsschwacher Intensität für eine ausreichende Dauer, um die Wasserstoffatome in dem Substrat (12) zu aktivieren und im Wesentlichen alle der Fehler und Unreinheiten in dem Substrat zu passivieren, ohne die Wasserstoffatome aus dem Substrat (12) hinauszutreiben, und dann Bestrahlen des Siliziumsubstrats (12) in einer Hochleistungsstufe, die eine höhere Leistungsintensität aufweist und für eine Dauer, die ausreichend sind, um im Wesentlichen alle Wasserstoff-induzierten Fehler zu beheben.
Verfahren zur Hydrierung des Siliziumsubstrats (12) nach Anspruch 1, wobei die leistungsschwache Intensität im Bereich von 1,5 bis 3 Watt/cm2 ist und die höhere Leistungsintensität im Bereich von 2 bis 4 Watt/cm2 ist. Verfahren zur Hydrierung des Siliziumsubstrats (12) nach Anspruch 2, wobei die elektromagnetische Strahlung in der leistungsschwachen Stufe für eine Dauer im Bereich von 10 bis 20 Sekunden verbleibt und wobei die elektromagnetische Strahlung in der Hochleistungsstufe für eine Dauer im Bereich von 10 bis 20 Sekunden verbleibt. Verfahren zur Hydrierung des Siliziumsubstrats (12) nach Anspruch 3, wobei die elektromagnetische Strahlung Wellenlängen in dem Bereich von 400 nm (4000 Å) bis 1500 nm (15000 Å) aufweist. Verfahren zur Hydrierung des Siliziumsubstrats (12) nach Anspruch 4, wobei das Substrat (12) für eine Gesamtdauer in dem Bereich von 30 bis 60 Sekunden bestrahlt wird. Verfahren zur Hydrierung des Siliziumsubstrats (12) nach Anspruch 5, wobei die implantierten Wasserstoffionen Energien im Bereich von 500 eV bis 2 keV aufweisen. Verfahren zur Hydrierung des Siliziumsubstrats (12) nach Anspruch 6, wobei der Hydrierungs-Implantierungsschritt durchgeführt wird, wenn das Substrat eine Temperatur in dem Bereich von 100°C bis 300°C aufweist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com