Das ALU plus Zellkonzept

n-Typ Czochralski (Cz) Silicium hat wesentliche Vorteile gegenüber p-Typ Cz Silicium-Material. Es hat eine deutlich höhere Ladungsträgerlebensdauer als auch eine erheblich bessere Lebensdauerstabilität unter Beleuchtung. Solarzellen, die auf n-Typ Silicium-Material hergestellt werden, benötigen jedoch einen p⁺-Emitter, um den pn-Übergang zu erzeugen. Dieser p⁺-dotierte Bereich kann entweder über eine Hochtemperatur-Bordiffusion oder potentiell Kostengünstiger über einen Siebdruckprozess erzeugt werden, bei dem eine Aluminium-Siebdruckpaste auf den Siliciumwafer gedruckt wird und der Al-p⁺ Emitter anschließend in einem Durchlauf-Feuerofen einlegiert wird. Die Hochtemperatur-Bordiffusion ist technologisch anspruchsvoller und neigt dazu kristallographische Defekte im Volumen zu erzeugen, welche die Ladungsträgerlebensdauer herabsetzen. Aus diesem Grund ist die Bordiffusion heute nicht verbreitet in der industriellen Fertigung von Solarzellen und wurde bisher hauptsächlich nur für die Herstellung von hocheffizienten Solarzellen im Labor eingesetzt. Dem gegenüber gestellt gibt es den kostengünstigen und technologisch einfachen Siebdruckprozess zur Herstellung des p+-Gebiets, welcher bei heutigen industriell gefertigten kristallinen p-Typ Silizium-Solarzellen hauptsächlich zum Herstellen des Rückseitenfeldes („back surface field“, BSF) eingesetzt wird und am ISFH in kristallinen n-Typ Silicium-Solarzellen bereits als Al-p+ Emitter verwendet wird.

Die ganzflächige Metallisierung des siebgedruckten Al-p⁺ Emitters hat jedoch eine relativ hohe Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zur Folge, welche den Wirkungsgrad der Solarzelle limitiert. Um diesen limitierenden Faktor zu umgehen, basiert unsere ALU⁺ Solarzelle auf einem siebgedruckten Al-p⁺ Emitter, dessen Oberfläche passiviert ist.

Um eine Emitteroberfläche zu passivieren, muss diese sauber und frei von Metallen sein. Zu diesem Zweck haben wir die Oberfläche des siebgedruckten Al-p⁺ Emitters im Detail untersucht und eine Prozesssequenz entwickelt, welche es ermöglicht, die mittels Siebdrucktechnik hergestellte Al-p⁺ Emitteroberfläche effektiv zu passivieren.

Abbildung 30 (a) zeigt eine rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme des Al-p⁺ Emitters im Querschnitt unmittelbar nach dem Feuerschritt in einem Durchlauf-Feuerofen. Der Al-dotierte p⁺-Bereich erscheint in diesem Bild auf Grund des Potentialkontrastes deutlich heller als der hochohmige Substrat-Siliziumwafer.

Abbildung 30 (b) zeigt eine Draufsicht-REM-Aufnahme einer gekippten Al-p⁺ Oberfläche nachdem die verbleibende Al-Siebdruckpaste und das Al-Si Eutektikum in einer Salzsäurelösung (HCl) entfernt wurden. Charakteristische Oberflächeninseln erscheinen als helle Kontraste auf der dunklen Al-p⁺ Oberfläche. Typische Abmessungen dieser Oberflächeninseln liegen im Bereich von 1 bis 3 µm. Abbildung 30 (c) hingegen zeigt eine transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Aufnahme einer einzelnen mittels Ionendünnung präparierten Oberflächeninsel im Querschnitt. Unter Zuhilfenahme der energiedispersiven Röntgenmikroanalyse (EDX) haben wir sowohl Elementverteilungen als auch Linienanalysen an der Oberflächeninsel aus Abbildung 30 (c) durchgeführt, welche ein erhöhtes Al Signal unterhalb eines Si Signals an den in der Abbildung mit Pfeilen markierten Positionen zeigen.

Aus diesem Befund schließen wir, dass an diesen Positionen Al-reiches Material von einer dünnen Si-Schicht bedeckt ist und demnach von der HCl-Lösung nicht entfernt werden kann. Da die Al-reichen Oberflächeninseln eine effektive Passivierung der Al-p⁺ Emitteroberfläche verhindern, haben wir am ISFH eine Passiviermethode entwickelt, bei der die verbleibende Al-Siebdruckpaste sowie ein oberflächennaher Teil des siebgedruckten Al-p⁺ Emitters nasschemisch entfernt werden, bevor die Oberfläche mit einer 20 nm dicken Schicht amorphen Siliziums (a-Si) passiviert wird.

Dieser neu entwickelte passivierte Al-p⁺ Emitter wurde in eine n⁺np⁺ Solarzellenstruktur implementiert, die ALU⁺-Solarzelle. Abbildung 31 zeigt zwei Möglichkeiten der Umsetzung einer ALU⁺-Solarzelle mit ober-
flächenpassivierten siebgedruckten Al-p⁺ Emitter auf der Zellrückseite5.Die a-Si Passivierung ist auf der Rückseite der Solarzelle aufgebracht mit entweder lokal durch eine Schattenmaske aufgedampften Al-Fingern [Abb. 31 (a)], oder mit lokal geöffneten Kontaktpunkten und ganzflächig aufgedampfter Al-Metallisierung [Abb. 31 (b)]. Als Basismaterial verwenden wir phosphordotiertes n-Typ Cz Silicium-Material mit einem spezifischen Widerstand von ~3 Ωcm. Die Vorderseite der Zellen wurde mit zwei verschiedenen optimierten Phosphordiffusionen versehen, die Schichtwiderstände von 120 Ω/sq. und 250 Ω/sq. aufweisen mit einer gut zu passivierenden Oberflächendotierkonzentration von 7×10¹⁹ cm^-3 und 3×10¹⁹ cm^-3.

Der siebgedruckte Al-p⁺ Emitter befindet sich auf der Rückseite unserer Zellen, wo die verbleibende Al-Siebdruckpaste von der Emitteroberfläche in einer HCl-Lösung entfernt und der Al-p⁺ Emitter in einer KOH-Lösung um 2-3 µm rückgeätzt wird. Anschließend wird auf die saubere Al-p⁺ Emitteroberfläche bei 225°C mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) eine 20 nm dicke a-Si-Passivierschicht abgeschieden. Zuletzt dampfen wir durch eine Schattenmaske die Kontaktfinger auf die Zellrückseite [Abb. 31 (a)]. Bei dem zweiten Zelltyp wird die mit dem a-Si versehene Emitteroberfläche mit einer 200 nm dicken PECVD-SiO_x Schicht bedeckt, in welcher dann Kontaktpunkte photolithographisch geöffnet werden.

Nach dem lokalen Öffnen der Kontaktpunkte wird ganzflächig eine Al-Schicht auf die Zellrückseite aufgedampft [Abb. 31 (b)]. Bei beiden Zelltypen werden auf der texturierten Zellvorderseite die Kontaktfinger durch eine Schattenmaske mit einem Metallisierungsanteil von ~3% aufgedampft und abschließend mit einer passivierenden Siliziumnitrid (SiN_x) Antireflexschicht beschichtet. Während der SiN_x-Abscheidung bei 400°C wird zudem das a-Si unter den Al-Kontakten auf der Rückseite aufgelöst und das aufgedampfte Al kontaktiert den Al-p⁺ Emitter.

Die bei einer Intensität von einer Sonne gemessenen Leistungsdaten der ALU+ n-Typ Solarzellen mit a-Si passiviertem Al-p⁺ Emitter sind in Tabelle 1 gezeigt. Zellen P01 und P02 sind mit aufgedampften Fingern auf der Zellrückseite versehen und haben ein n⁺ Vorderseitenfeld („front surface field“, FSF) von 120 Ω/sq. bzw. von 250 Ω/sq. [Abb. 31 (a)]. Die Zelle P03 entspricht einer ganzflächigen rückseitigen Metallisierung mit lokalen Punktkontakten und einem n⁺ FSF von 250 Ω/sq. [Abb. 31 (b)]. Mit der am ISFH entwickelten ALU⁺ Solarzelle erreichen wir Leerlaufspannugen V_oc von bis zu 649 mV, was eine hervorragende Emitterqualität sowie eine effektive Oberflächenpassivierung des Al-p⁺ Emitters belegt. Dieser V_oc Wert ist deutlich oberhalb der bisher in der Literatur geschätzten (~641 mV) oder in unserem Labor erreichten Leerlaufspannungen von 627 mV für einen ganzflächig metallisierten Al-p⁺ Emitter. Die hohe Kurzschlussstromdichte unserer ALU⁺ Zellen liegt im Bereich von J_sc = 39,1 – 39,9 mA/cm², was eine sehr effektive Diffusion der Minoritäts-
ladungsträger zum pn-Übergang auf der Zellrückseite bestätigt. Für unsere beste Zelle (siehe Tabelle 1, Zelle P02) konnten wir einen Wirkungsgrad von 20% erzielen.

Das ist der höchste bisher erreichte Wirkungsgrad einer Solarzelle basierend auf n-Typ Cz Silicium mit einem siebgedruckten Al-p⁺ Emitter. Die Solarzelle mit lokalen Punktkontakten und einer ganzflächigen Metallisierung auf der Emitteroberfläche erreicht ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad von 19,7% (siehe Tabelle 1, Zelle P03) und eine sehr hohe Kurzschlusstromdichte von 39,9 mA/cm² durch eine verbesserte Reflexion der Zellrückseite.

Mit unserer ALU⁺ Solarzelle mit passiviertem und siebgedrucktem Al-p⁺ Emitter haben wir ein maximales V_oc von 649 mV und einen Zellwirkungsgrad von 20% erreicht. Diese vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass der kostengünstige und technologisch einfach herzustellende siebgedruckte Al-p⁺ Emitter von sehr hoher elektronischer Qualität ist und sich als Alternative zur komplexen Bordiffusion für die Herstellung hocheffizienter n-Typ Silicium-Solarzellen anbietet.