Durchlauf - Hochratenaufdampfen von Aluminium für Solarzellenkontakte

Das Durchlauf-Hochratenaufdampfen wird in industriellem Maßstab seit vielen Jahren z. B. für die Beschichtung von Metallbändern mit Isolations- und Schutzschichten oder für die Feuchte- und Aromaversiegelung in der Lebensmittelindustrie verwendet. Für die Herstellung von Metallkontakten auf Solarzellen wird das Verdampfen von Aluminium bisher nur im Labormaßstab eingesetzt. In der industriellen Photovoltaik ist das Standardverfahren zur Kontaktherstellung der Siebdruck. Hinsichtlich der Materialkosten, der erreichbaren Wirkungsgrade und der mechanischen Beanspruchung von immer dünner herstellbaren Wafern stößt diese Technologie nunmehr an ihre Grenzen.

Eine Alternative ist das Durchlauf-Hochratenaufdampfen der Metallkontakte, denn es erfolgt berührungslos und das beim Aufdampfen verwendete Metall Aluminium ist im Vergleich zu den Siebdruckpasten kostengünstig. Außerdem sind die zwischen Aluminium und Silicium gebildeten Kontakte qualitativ sehr hochwertig.

Im Rahmen eines vom Bundesumweltministerium (BMU) geförderten Projektes wurde die in Abbildung 35 dargestellte Durchlauf-Hochratenaufdampfanlage in der neuen Technologiehalle am ISFH aufgebaut. Sie besteht aus einem Beladebereich, sieben Vakuumkammern und einem Entnahmebereich. In den bisher am ISFH zu Forschungszwecken verwendeten Aufdampfanlagen mit nur einer Vakuumkammer wurden die Prozessschritte Beladen, Evakuieren, Beschichten, Fluten und Entnehmen der Proben nacheinander stationär auf einem Probenhalter ausgeführt. Im Gegensatz dazu „durchlaufen“ in der neuen Aufdampfanlage beliebig viele Probenhalter nacheinander die einzelnen Stationen der Anlage, also Beladen, Evakuieren in Kammer 1 bis 3, Beschichten in Kammer 4, Fluten in Kammer 5 bis 7 und schließlich Entnehmen.

Dieser kontinuierliche Durchlaufprozess ermöglicht weit schnelleres Beschichten großer Mengen von Solarzellen als bisher. So können in der neuen Forschungsanlage bis zu 720 Wafer der Größe 156 × 156 mm² pro Stunde beschichtet werden. Die zehn separat regelbaren Verdampferschiffchen erlauben dabei eine sehr genaue Prozesssteuerung, so dass die Dicke der Aluminiumschicht nur um ± 3,4% schwankt.

Der in der Verdampferkammer im Vakuum ablaufende Prozess des thermischen Verdampfens von Aluminiumdraht ist in Abbildung 36 dargestellt. Den auf 1200°C bis 1400°C erwärmten Verdampferschiffchen aus Bornitrid wird ständig Aluminiumdraht mit Hilfe von Schrittmotoren zugeführt. Die Spitze des Drahtes verdampft in der Nähe der Schiffchen und dampfförmiges Aluminium füllt den Bereich der Vakuumkammer oberhalb der Schiffchen. Der Probenträger mit seinen Solarzellen passiert diese Metalldampfwolke, so dass Aluminium auf den Solarzellen kondensiert und den metallischen Kontakt bildet. In der Vakuumkammer ist ein leistungsfähiges Kühlsystem zur Vermeidung von Überhitzung mit externer Kühlwasserversorgung installiert.

Die Qualität der neuen Durchlaufanlage ist so gut, dass sie bei über 30-fach höheren Beschichtungsraten im Vergleich mit den weit geringeren Beschichtungsraten in den stationären Beschichtungsanlagen Solarzellen mit ähnlich guten Parametern liefert. Beispielhaft seien dafür die in Abbildung 37 dargestellten Kontaktwiderstandsmessungen an einem eingetriebenen p⁺-Emitter auf Wafern mit einer Basisdotierung von 1,5 Ωcm aufgeführt, die spezifische Kontaktwiderstände von 1,7 mΩcm² liefern. Die spezifischen Kontaktwiderstände der in den stationären Anlagen mit kleinen Aufdampfraten hergestellten Proben werden dagegen erst durch das Aufheizen deutlich verringert und liegen auf gleichem Niveau. Die Proben haben in der Durchlaufanlage bereits bei der Abscheidung der Aluminiumschicht die höheren Temperaturen erfahren und wurden damit bereits während des Beschichtungsprozesses geheizt.

Die für hohe Prozessgeschwindigkeiten erforderlichen hohen Verdampfungsraten verursachen hohe Wärmeeinträge in die Solarzelle. Hauptursache für die hohen Wafertemperaturen ist die Kondensationswärme, die beim Wechsel des Aggregatzustandes des Aluminiums vom Gas zum Festkörper frei wird. Hierbei führen unterschiedlich hohe dynamische Verdampfungsraten zu unterschiedlichen Maximaltemperaturen in den Wafern. In Abbildung 38 sind die auftretenden maximalen Wafertemperaturen bei Aluminiumschichten unterschiedlicher Dicke gezeigt, die mit verschiedenen Beschichtungsprozessen mit unterschiedlichen dynamischen Depositionsraten (Serie 1 bis 3) hergestellt wurden. Dabei wurden durch die Prozessführung mit bis zu vierfachem Überfahren der Aufdampfquelle in der mit nur einer Verdampferkammer ausgestatteten Durchlaufanlage größere Anlagen mit bis zu vier Verdampfern simuliert.

Bei Aluminiumschichtdicken von 2,5 µm, wie sie beispielsweise für die Rückseite von beidseitig kontaktierten Standardindustriesolarzellen verwendet werden können, führt eine Beschichtung aus der Serie 3 zu einer maximalen Wafertemperatur von 320°C, eine Beschichtung aus der Serie 1 zu einer deutlich geringeren Temperatur von 215°C.

Bei Aluminiumschichtdicken von 20 µm, wie sie für einseitig kontaktierte Rückkontaktsolarzellen benötigt werden, liegen die Temperaturen zwischen 350°C und 370°C. Der Temperaturunterschied für die verschiedenen dynamischen Depositionsraten der Serie 1 bis 3 ist hier deutlich kleiner. Die Wafertemperaturen werden somit bestimmt durch die Aluminiumschichtdicke, die verwendete dynamische Depositionsrate und die Anzahl der Verdampfer. Je nach Herstellungsprozess in der Solarzellenfertigung können bei der Aluminiumbeschichtung Temperaturen bis zu 370°C toleriert werden.

Mit dem Ziel den Temperatureintrag zu verringern, werden neben den Experimenten auch 2-dimensionale numerische Simulationsrechnungen mittels der Finiten-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt. In Abbildung 39 ist ein Schema gezeigt, das die bei einer Beschichtung eines Siliciumwafers ein- und austretenden Wärmestromflussdichten wiedergibt. Neben der bereits genannten Kondensationswärme tritt hierbei zusätzlich die Wärmestrahlung der Verdampferschiffchen auf.

Im Wafer findet Wärmeleitung in alle Raumrichtungen statt. Ebenfalls in alle Richtungen strahlt der Wafer Wärme ab, allerdings mit unterschiedlichen Emissivitäten (e) jeweils auf der Ober- und Unterseite. Das liegt daran, dass die Unterseite nach kurzer Zeit mit Aluminium beschichtet ist (e = 0,03), die Oberseite dagegen nicht (e = 0,75). Bei der Simulation muss darüber hinaus die Bewegung des Wafers über die Verdampfungsquelle hinweg und die unterschiedliche Menge an Aluminiumdampf im Beschichtungsbereich (Rand - Mitte - Rand) berücksichtigt werden.

Werden alle diese Parameter in einem 2-dimensionalen Simulationsmodell zusammengefasst, lassen sich in Abhängigkeit von der gewählten Beschichtungsrate die Temperaturausbreitung im Wafer (Abbildung 40), die Temperaturverläufe einer Beschichtung, die Maximaltemperatur und das Abkühlen der Wafer errechnen.