DE10046170A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Metallkontaktes durch eine dielektrische Schicht - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Metallkontaktes durch eine dielektrische Schicht

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Ralf Luedemann
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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung einer, mit wenigstens einer passivierenden, dielektrischen Schicht (12) überzogenen Halbleiteroberfläche (13). DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Metallschicht (11) auf die dielektrische Schicht (12) aufgebracht wird und mittels einer Strahlungsquelle (9) diese Metallschicht (11) kurzzeitig lokal punkt- oder linienförmig erhitzt wird, so dass sich eine Schmelzmischung aus Metallschicht (11), dielektrischer Schicht (12) und dem Halbleiter (13) bildet, die nach dem Erstarren einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Halbleiter (13) und der Metallschicht (11) bildet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung einer mit wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen, elektrisch zu kontaktierenden Halbleiteroberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der p-leitenden Basisschicht einer Solarzelle, die mit einer dielektrischen Passivierungsschicht überzogen ist.
Stand der Technik
Die industrielle Fertigung von Solarzellen unterliegt bereits rein aus Wettbewerbsgründen den Bestrebungen Solarzellen mit möglichst hohem Wirkungsgrad, d. h. einer möglichst hohen elektrischen Stromausbeute aus dem auf die Solarzelle eintreffenden solaren Energiefluß, herzustellen und zugleich den Fertigungsaufwand und damit eng verbunden die Herstellungskosten gering zu halten.
Zum näheren Verständnis der bei einer optimierten Fertigung von Solarzellen zu beachtenden Maßnahmen sollen die nachstehenden Ausführungen dienen:
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln.
Üblicherweise bestehen sie aus einem Halbleitermaterial - meist werden Solarzellen aus Silizium gefertigt -, das n- bzw. p-leitende Halbleiterbereiche aufweist. Die Halbleiterbereiche werden in an sich bekannter Weise als Emitter bzw. Basis bezeichnet. Durch auf die Solarzelle einfallendes Licht werden innerhalb der Solarzelle positive und negative Ladungsträger erzeugt, die an der Grenzfläche zwischen dem n- (Emitter) und p-dotierten (Basis) Halbleiterbereich, am sogenannten pn-Übergang räumlich voneinander getrennt werden. Mittels metallischer Kontakte, die mit dem Emitter und mit der Basis verbunden sind, können diese voneinander getrennten Ladungsträger abgeführt werden.
In der einfachsten Form bestehen Solarzellen aus ganzflächigen Basis- 2 und Emitterbereichen 3, wobei der Emitter 3 auf der dem Licht zugewandten Seite, der Vorderseite der Solarzelle liegt. Zur Veranschaulichung sei an dieser Stelle auf Fig. 1 verwiesen, die eine bekannte Solarzelle 1 zeigt.
Zur elektrischen Kontaktierung der Basis 2 wird für gewöhnlich die Rückseite der Solarzelle 1 mit einer ganzflächigen Metallschicht 4 versehen, auf die geeignete Rückseitenkontaktleiterbahnen 5, bspw. aus AlAg aufgebracht sind. Der Emitterbereich 3 wird mit einem Metall-Grid 6 kontaktiert mit dem Ziel, möglichst wenig Licht durch Reflexion am Metallkontakt für die Solarzelle zu verlieren, d. h. das Metall-Grid 6 weist eine Fingerstruktur auf, um möglichst wenig Solarzellenfläche zu verdecken. Zur Optimierung der Leistungsausbeute der Solarzelle 1 wird zudem versucht die optischen Verluste auf Grund von Reflexion möglichst klein zu halten.
Erreicht wird dies durch die Abscheidung sogenannter Antireflexionsschichten 7 (ARC) auf der Vorderseitenoberfläche der Solarzelle 1. Die Schichtdicke der Antireflexionsschichten 7 ist so gewählt, daß sich im energetisch wichtigsten Spektralbereich gerade destruktive Interferenz des reflektierten Lichtes ergibt. Verwendete Antireflexmaterialien sind z. B. Titandioxid, Siliciumnitrid und Siliciumdioxid. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Reflexionsminderung durch Herstellung einer geeigneten Oberflächentextur mittels einem Ätz- oder mechanischen Bearbeitungsverfahren erzielt werden, wie es auch aus der in Fig. 2 dargestellten Solarzelle hervorgeht. Hier ist der Emitterbereich 3 sowie auch die auf dem Emitter aufgebrachte Antireflexionsschicht 7 derart strukturiert ausgebildet, daß das auf die strukturierte Oberfläche der Solarzelle 1 einfallende Licht an den pyramidenartig ausgebildeten Strukturen eine erhöhte Einkopplungswahrscheinlichkeit hat. Auch im Falle der Solarzelle gemäß der Fig. 2 erfolgt die elektrische Kontaktierung des Emitters 3 mit einem möglichst feingliedrigen Metall-Grid 6, von dem lediglich ein schmaler Kontaktfinger in Fig. 2 dargestellt ist. Die Antireflexionsschicht 7 kann überdies auch als Passivierungsschicht dienen, die zum einen für einen mechanischen Oberflächenschutz sorgt aber zudem auch intrinsische Wirkungen besitzt hinsichtlich der Reduzierung von Oberflächenrekombinationsprozessen, auf die im weiteren genauer eingegangen wird.
Bei der elektrischen Kontaktierung einer Solarzelle ist zwischen der Vorder- und Rückseite zu unterscheiden. Während auf der Rückseite der Solarzelle versucht wird, einen Kontakt herzustellen, der sich hauptsächlich durch einen niedrigen Kontakt- und Leitungswiderstand auszeichnet, muß auf der Vorderseite zusätzlich möglichst viel Licht in die Solarzeile eingekoppelt werden. Deshalb wird auf der Vorderseite normalerweise eine Kammstruktur, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, erzeugt, um sowohl die Widerstands- als auch die Abschattungsverluste klein zu halten. Auf der Rückseite der Solarzelle kommen für gewöhnlich sowohl ganzflächige als auch strukturierte z. B. gitterartige Kontakte zum Einsatz.
Die Oberflächen von Solarzellen hoher Wirkungsgrade zeichnen sich neben guten elektrischen Kontaktierungen zusätzlich durch eine niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit aus, d. h. die Wahrscheinlichkeit, daß Minoritätsladungsträger an die Oberfläche der Solarzelle gelangen und dort rekombinieren und somit nicht zur Energieerzeugung beitragen, wodurch es zu einer erheblichen Wirkungsgradreduktion kommt, ist gering.
Realisiert werden kann dies entweder dadurch, daß a) wenige Minoritätsladungsträger an die Oberfläche gelangen, oder daß b) sie an der Oberfläche nur mit geringer Wahrscheinlichkeit rekombinieren.
Die Methode a) kann dadurch realisiert werden, indem im Bereich der Oberfläche eine hohe Dotierung an Fremdatomen erzeugt wird oder daß an der Oberfläche feste Ladungen in der Grenzschicht eingebaut werden. Eine hohe Dotierung ist durch die Emitterdotierung auf der Vorderseite in verschieden starker Ausprägung realisiert, auf der Rückseite kann hierzu unterstützend ein sogenanntes Rückseitenfeld, ein sogenanntes "Back Surface Field" eingebaut werden.
Eine hohe Dotierung ist jedoch stets mit dem Nachteil verbunden, daß zwar die Rekombinationswahrscheinlichkeit an den Oberflächen der Solarzelle reduziert werden kann, dafür erhöht sich jedoch die Rekombinationswahrscheinlichkeit innerhalb der Solarzellenschicht. Ladungen können z. B. auch durch eine Schicht aus Siliciumnitrid, die besonders gut als Antireflexionsschicht dient, eingebaut werden.
Die Methode b) kann dadurch realisiert werden, daß die Oberflächenrekombinationszustände verringert werden, z. B. dadurch, daß an der Oberfläche aufgebrochene und somit nicht abgesättigte Siliziumbindungen durch eine Schicht aus Siliziumnitrid oder Silizumdioxid abgesättigt werden die, wie oben beschrieben, an der Vorderseite auch als Antireflexschicht verwendet werden können. Diese Passivierung kann sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite angewendet werden und ist eines der wichtigsten Merkmale hocheffizienter Solarzellen.
Ein weiteres Merkmal derartiger hocheffizienter Solarzellen sind schmale (<40 µm) und hohe Vorderseitenkontakte (<10 µm) mit niedrigem Kontakt- und Leitungswiderstand. Die als Grid-Finger ausgebildeten Oberflächenkontakte sollen möglichst wenig Solarzellenfläche abdecken, also müssen sie möglichst schmal ausgebildet sein, sollen überdies für die Abführung der in der Solarzelle getrennten Ladungsträger einen möglichst geringen Leitungswiderstand aufweisen, also sollte ihr Leitungsquerschnitt möglichst groß sein.
Die wichtigsten bekannten Metallisierungstechnologien für die Rückseitenkontakte einer Solarzelle sind:
A. Siebdruckverfahren
Per Siebdruck wird eine eine Aluminiumpaste ganzflächig auf die Oberfläche gedruckt. Anschließend wird bei einem Hochtemperaturschritt für ca. 10-30 Sekunden eine Temperatur von ca. 700-800°C gehalten. Hierdurch wird ein guter elektrischer Kontakt realisiert und es bildet sich eine Aluminiumsiliciumlegierung, das "Back Surface Field" aus. Dies ist der in der Industrie am weitesten verbreitete Prozeß zur Rückseitenkontaktierung.
B) Ganzflächiges Aufdampfen
Die Metallschicht wird durch ganzflächiges Aufdampfen aufgebracht.
C) Photolithographie und Aufdampfen
Zuerst wird eine meist passivierende, dielektrische Schicht z. B. Siliciumdioxid aufgebracht. Durch Belichtung, Entwicklung und Auswaschen eines photosensiblen Filmes, dem sogenannten Ätzresist wird die gewünschte Struktur bis zur vorher aufgebrachten dielektrischen Schicht freigelegt. Durch anschließendes Ätzen wird letztere bis zum Siliziumwafer geöffnet. Auf der Rückseite der Solarzelle kann die Metallisierung sofort nach der Schichtöffnung und dem Entfernen des photosensiblen Ätzresist erfolgen. Der Rückseitenkontakt kann dann ganzflächig, bspw. durch Aufdampfen, aufgebracht werden.
Mit den bekannten photolithographischen Verfahren können Strukturgrößen bis unter 1 µm hergestellt werden. Die Photolithographie ist aber ein verhältnismäßig kostenaufwendiges Verfahren und wird deshalb kaum im industriellen Bereich der Solarzellenfertigung angewendet. Die meisten Prozesse mit denen bisher Solarzellen mit einem Wirkungsgrad über 20% hergestellt werden enthalten mehrere photolithographische Prozeßschritte. Die bereits unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebene Solarzelle ist mit den beiden vorstehend beschriebenen Photolithographieschritten hergestellt worden.
D) Photolithographie, lokale Hochdotierung und Aufdampfen
Eine Variante dieses Verfahrens ist die Verwendung einer lokalen Hochdotierung unter den Kontakten, wodurch insbesondere die Kontakteigenschaften verbessert werden. Die bekannte Realisierung der lokalen Hochdotierung wird durch Diffusion eines vor der Diffusion aufzubringenden und anschließend evtl. wieder zu entfernenden Dotierstoffes erreicht. Schliesslich erfolgt die Kontaktierung wie oben, unter (C) beschrieben.
Unter Anwendung dieses Verfahren sind die höchsten bisher auf Silicium erreichten Wirkungsgrade von ca. 24% realisiert worden. Die Prozessfolge ist aber äußerst aufwendig und komplex und wird deshalb nicht für die Herstellung von Solarzellen in industriellem Maßstab in Betracht gezogen.
E) Ein Verfahren, mit dem auf einer teilweise der Photolithographie ähnlichen Weise der Vorderseitenkontakt einer Solarzelle hergestellt werden kann, ist in US Patent Nr. 5,011,565 "Dotted contact solar cell and method of making same" von Dube et al. dargestellt worden. Das Patent beschreibt einen Solarzellentyp und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Vorderseite der Solarzelle ist dabei mit einer dielektrischen Schicht versehen die mit einem Laser, insbesondere einem YAG-Laser mit in Linien angeordneten Punkten geöffnet wird. Die Punkte sind mit einem gewissen Abstand angebracht. Die eigentliche Kontaktformierung geschieht dann durch eine Abscheidung von Nickel und Kupfer in einem chemischen Bad. Dabei werden die Abstände zwischen den Punktkontakten überbrückt.
F) Eine ähnliche Kontaktierungsmethode ist in US Patent Nr. 4,626,613 beschrieben. Hier werden zur Kontaktierung durch eine passivierende, dielektrische Schicht hindurch Gräben in die Solarzellenoberfläche eingebracht, die anschließend mit einem Kontaktmetall gefüllt werden. Der Graben wird durch mechanische Strukturierung oder vorzugsweise durch Laserablation hergestellt. Das Verfahren wird industriell zur Kontaktierung der Zelivorderseite eingesetzt.
G) Ein weiteres ähnliches Verfahren ist zur Kontaktierung der Rückseite aus "R. Preu, S. W.Glunz, S. Schäfer, R. Lüdemann, W. Wettling, W. Pfleging, Laser Ablation - A New Low-Cost Approach for Passivated Rear Contact Formation in Crystalline Silicon Solar Cell Technology', Proceedings of the 16th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Glasgow, UK (2000)" bekannt. Hier wird die Rückseite einer Solarzelle kontaktiert, in dem zuerst eine ganzflächige, passivierende dielektrische Schicht aufgebracht wird und diese anschließend mit einem kurzpulsigen Laser lokal geöffnet wird. Anschliessend wird ganzflächig eine Schicht aus Aluminium aufgebracht. Ein guter elektrischer Kontakt wird durch das Erhitzen der Scheibe auf 400°C oder darüber hergestellt.
H) Ausserdem ist ein Verfahren bekannt, bei dem ganzflächig eine dielektrische Schicht aufgebracht wird und anschliessend lokal eine Paste - z. B. im Siebdruckverfahren - aufgebracht wird, die neben metallischen Bestandteile unter anderem auch ätzende Bestandteile enthält. Bei Erhöhung der Temperatur wird dieser Ätzvorgang in Gang gesetzt oder beschleunigt, so dass die dielektrische Schicht lokal geöffnet wird und sich ein guter elektrischer Kontakt zwischen metallhaltiger Paste und dem Substrat ausbilden kann.
Die heute industriell mit den vorstehend kurz umrissenen Technologien des ganzflächigen Siebdruckes einer Aluminiumpaste (A), sowie des ganzflächigen Aufdampfens (B) hergestellten Solarzellen weisen einen Wirkungsgrad auf, der deutlich unter dem, der mit der Technologie der Photolithographie hergestellten Solarzellen liegt. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet aber einen deutlichen Mehrwert der Solarzelle. Die Anwendung der mittels Photolithographie durchgeführte Technologie (C) und (D) ist jedoch im Augenblick so aufwendig, daß sie trotz der hohen erzielbaren Wirkungsgrade nicht realisiert wird.
Bei den in US 5,011,565 und US 4,626,613 beschriebenen Verfahren wird während der Entfernung der dielektrischen Schicht, das darunterliegende Silicium so beschädigt, dass in der Praxis eine Teil des Siliciummaterials mit einem zusätzlichen Ätzschritt abgetragen werden muß.
Außerdem tritt bei der Laserablation häufig das Problem auf, dass sich das vom Laserstrahl ablatierte Material auf der zu bearbeitenden Oberfläche absetzt sowie sich auf gegebenenfalls im Lichtstrahl vorhandene optische Abbildungseinheiten, wie Sammellinsen, absetzt, wodurch der Abtrageprozess erheblich in Mitleidenschaft gezogen wird. Unterbrechungen des Abtrageprozesses sind die Folge, um notwendige Reinigungsarbeiten durchführen zu können.
Schließlich muß zur Erzielung sehr guter Widerstandswerte bei dem Laserablationsverfahren (G) nach dem Aufbringen der Metallschicht im allgemeinen der Kontakt bei Temperaturen über 300°C nachbehandelt werden, was einen zusätzlichen Prozessschritt bedeutet, der zudem die Wahl der Passivierungsschichten einschränkt.
Das lokale Aufbringen der Metall- und ätzhaltigen Paste entsprechend Verfahren (H) hat den Nachteil, dass die Herstellung der Paste aufwendig ist und deshalb deutlich höhere Kosten verursacht als die Verwendung reinen Metalls wie es z. B. beim Aufdampfen verwendet werden kann. Außerdem ist vor der Metallisierung eine Reinigung der Oberfläche notwendig. Darüber hinaus wird bei dem Kontaktformierungsprozeß die Rückseite ganzflächig hohen Temperaturen ausgesetzt, was die Wahl der möglichen Passivierungsmaterialien einschränkt, bzw. eine Verschlechterung der Passivierungsschicht zur Folge haben kann.
Außerdem ist bei nur lokaler Metallisierung der Rückseite z. B. in Form eines Gitters, die Reflektivität der Rückseite im Vergleich zu einer ganzflächigen Metallisierung heruntergesetzt. Deshalb wird Licht mit einer Wellenlänge, die nur geringfügig im, photovoltaisch aktiven Material absorbiert wird, wesentlich schlechter reflektiert als bei einer ganzflächigen metallischen Rückseite.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines mit wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen, elektrisch zu kontaktierenden Oberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der . Basisschicht einer Solarzelle, die mit einer dielektrischen Passivierungsschicht überzogen ist, derart weiterzubilden, daß die vorstehend dargelegten, beim Stand der Technik auftretenden Nachteile umgangen werden können. Insbesondere sollte eine Fertigung leistungsfähiger Solarzellen im industriellen Maßstab möglich sein, die zum einen den hohen Ansprüchen der Erzielung guter Wirkungsgrade gerecht wird, als auch eine möglichst preisgünstige Produktion der Solarzellen begünstigt. Überhitzungen der zu bearbeitenden Materialoberflächen sowie auftretende Verunreinigungen während des Aufschmelzens sollten vermieden werden.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines mit wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen, elektrisch zu kontaktierenden Oberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der Basisschicht einer Solarzelle, die mit einer dielektrischen Passivierungsschicht überzogen ist, derart weitergebildet, dass die Passivierungsschicht ganzflächig mit einer Metallschicht - vorzugsweise Aluminiumn - bedeckt wird und der Kontakt durch kurzzeitiges lokales Aufschmelzen der Metallschicht, der dielektrischen Schicht sowie der, vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial bestehenden, zu kontaktierenden Oberfläche mit einer Strahlungsquelle hergestellt wird. Durch den Aufschmelzvorgang bildet sich zwischen den einzelnen Schichten eine Schmelzmischung aus, die nach dem Erstarren einen elektrischen Kontakt zwischen der Halbleiteroberfläche und der Metallschicht bildet. Hierbei wird der Schichtverbund nur in der nächsten Umgebung des Kontaktes derart modifiziert, dass auf diese Weise ein hinreichend niedriger spezifischer Kontaktwiderstand für die Herstellung hocheffizienter Solarzellen gewonnen werden kann. Insbesondere kommt es also darauf an, daß der Energieeintrag derart erfolgt, daß an dem lokalen Kontakt ein hinreichend niedriger spezifischer Kontaktwiderstand erreicht wird, wobei darauf zu achten ist, daß in der Umgebung des lokalen Kontaktes der Schichtverbund in seinen Eigenschaften möglichst nicht beeinflußt wird.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde durch die Passivierungsschicht hindurch, ein bestimmtes Muster oder eine bestimmte Anordnung von Kontaktöffnungen zu schaffen, an denen die zu kontaktierende Materialoberfläche, vorzugsweise die Emitter und Basisschicht der Solarzelle, vollständig lokal freigelegt ist. Die lokale Erhitzung der Halbleiter-, Passivierungs- und Aluminiumschicht erfolgt vorzugsweise durch Laserbestrahlung, d. h. durch unmittelbare Laserlichteinwirkung auf die Oberfläche des Aluminiums wird dieses lokal so stark erhitzt, daß ein Schmelzgemisch aus dem Aluminium, der dielektrischen Schicht und des darunterliegenden Siliciummaterials, woraus bevorzugt die Halbleiterschicht besteht, gebildet wird.
Als Lichtquelle, wird wie bereist erwähnt vorzugsweise ein Laser eingesetzt, der vorzugsweise gepulst betrieben wird. Besonders eignen sich Lichtpulse mit einer Pulsdauer, die zwischen einer und 500 Nanosekunden liegt, um die thermische Belastung der angrenzenden Materialschichten möglichst gering zu halten, aber gleichzeitig die thermische Einwirkung lang genug aufrechtzuerhalten, um das Aufschmelzen des Siliciums bis in eine Tiefe von einigen 100 nm bis einigen µm zu gewährleisten, um hierdurch einen sehr guten elektrischen Kontakt entstehen zu lassen. Das lokale Erstarren der Schmelzmischung kann dabei so erfolgen, daß sich zuerst eine Schicht aus aluminiumdotierten Silicium bildet und darauf der eigentlich Aluminiumkontakt entsteht. Die lokale Dotierung hat den Vorteil, daß dadurch der spezifische Kontaktwiderstand reduziert wird und durch das, durch die Dotierung erzeugte, elektrische Feld die Rekombinationsrate an der Metall-Silicium- Grenzfläche herabgesenkt wird.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Solarzelle nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 optimierte Solarzelle mit Passivierungsschicht nach dem Stand der Technik und
Fig. 3 Lokales Aufschmelzen der Metallschicht, der darunterliegenden Passivierungs- und Siliciumschicht.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In den Fig. 1 und 2 sind jeweils bekannte Solarzellen dargestellt, die in der Beschreibungseinleitung zur Würdigung des Standes der Technik beschrieben worden sind. Insbesondere die in Fig. 2 dargestellte Solarzelle, die aus Gründen der Optimierung auf der Rückseite eine Passivierungsschicht sowie intrinsische Effekte zur Vermeidung von Oberflächenrekombinationen von Ladungsträgern vorsieht, gilt es bevorzugt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf eine möglichst kostengünstige und sichere Weise herzustellen.
Zunächst wird auf der Solarzellenrückseite eine passivierende Schicht aus siliciumreichem Siliziumnitrid mit typischer Weise einer Dicke von etwa 60 nm aufgebracht. Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 ist dies die Schicht 7, die sowohl als Antireflexions- als auch als Passivierungsschicht dient. Das Siliciumnitrid wird anschließend bei ca. 400°C in einer Formiergas-Atmosphäre verdichtet, um die Passivierungseigenschaften zu verbessern und zu konservieren.
Als nächster Schritt wird auf die Passivierungsschicht eine typischerweise 2 µm starke ganzflächige Metallschicht aus Aluminium aufgebracht. Einen derartigen Schichtaufbau zeigt das obere Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, das einen Teil einer Solarzellenrückseite zeigt mit der Si-Halbleiterschicht 13, der darauf befindlichen Passivierungsschicht 12 sowie schließlich einer auf der Passivierungsschicht 12 befindlichen Aluminiumschicht 11.
Die derart beschichtete Solarzellenrückseite wird unter die in Fig. 3 schematisch dargestellte Lichtquelle 9 gebracht, die Lichtpulse 10 mit kurzer Pulslänge im ns- Bereich zu erzeugen vermag. Auf diese Weise kann der Energieeintrag in der Umgebung der Lichtdeposition klein sowie auch die Materialbeanspruchung klein gehalten werden. Dennoch können die dielektrische Schicht 12 sowie und die Si- Halbleiterschicht 13 unter dem Kontakt bis zu einer Tiefe von einigen 100 nm bis einigen µm aufgeschmolzen werden (siehe Fig. 3 untere Darstellung). So wird bei der lokalen Deponierung von Lichtenergie an der Kontaktstelle 14 das Aluminium 11 in Art eines Metallbades aufgeschmolzen, das sich am unteren Bereich des sich ausbildenden Schmelztiegels mit dem Silizium 13 sowie Teilen der Passivierungsschicht 12 zu eine Legierung 15 verschmilzt. Bei ersten Versuchen der auf diese Weise hergestellten Solarzellen wurde bereits ein hoher Wirkungsgrad von 19,3% bei ausgezeichnetem Kontaktverhalten erzielt.
Das Verfahren weist also gegenüber dem nach dem Stand der Technik mehrere Vorteile auf:
Zum einen kann eine Schichtstruktur verwendet werden, die nach heutigem Stand eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit der Solarzelle ermöglicht als unter (A) und (B) realisiert. Im Vergleich zu den photolithographischen Verfahren (C) und (D) ist der Herstellungsprozeß deutlich vereinfacht und kann kostengünstiger realisiert werden.
Im Vergleich zu den Verfahren (E)-(G) kann die Materialbeschädigung durch das vergleichsweise schonende Einlegieren des Aluminiums reduziert werden. Auch sind für das reine Aufschmelzen geringere Energien notwendig als für das Abtragen, so daß bei gleicher eingesetzter Gesamtenergie die Prozeßzeit reduziert werden kann. Auch stehen für das Aufschmelzen einer metallischen Oberfläche wesentlich mehr und u. a. effektivere Lasersysteme als für das Abtragen von dielektrischen Schichten zur Verfügung. Da bereits durch das Aufschmelzen der Kontakt gebildet wird, kann eine Verschmutzung der Umgebung des lokalen Kontaktes durch ablatiertes Material vermieden werden. Das Einlegieren des Aluminiums bildet darüber hinaus die Möglichkeit sehr gute Kontaktwerte zu erreichen und gleichzeitig die Rekombination am Kontakt zu reduzieren. Im Vergleich zu dem Verfahren (H) kann, anstelle der Verwendung kompliziert aufgebauter Pasten, elementares Metall für die Kontaktierung benützt werden. Erfindungsgemäß bietet auch die einfache Prozeßfolge ein hohes Potential zur kostengünstigeren Herstellung. Das nur lokale Erhitzen gibt dazu zusätzliche Möglichkeiten für die Verwendung von thermisch sensiblen Materialien deren Passivierungswirkung durch eine Temperaturerhöhung, wie in Verfahren (H) vorgesehen, nachläßt. Bei Verfahren (H) wird ausserdem für die Realisation eines Rückseitenspiegels ein zusätzlicher Prozeßschritt notwendig.
Zusammengefaßt kann also erfindungsgemäß mit einem vergleichsweise einfachen Herstellungsverfahren ein Rückseitenkontakt realisiert werden, der ein sehr hohes Wirkungsgradpotential aufweist und damit einen deutlichen Vorteil im Vergleich zu den bisher bekannten Varianten realisiert.
Bezugszeichenliste
1
Solarzelle
2
Basis-Bereich
3
Emitter-Bereich
4
Kontaktelektroden
5
Rückseitenkontaktfläche
6
Metall-Grid
7
Antireflexionsschicht, Passivierungsschicht
8
Rückseitenkontakte
9
Lichtquelle, Laser
10
Laserpuls
11
Metallfläche
12
Passivierungsschicht
13
Halbleiter
14
Kontakt
15
Legierung

Claims (14)

1. Verfahren zur elektrischen Kontaktierung einer, mit wenigstens einer passivierenden, dielektrischen Schicht (12) überzogenen Halbleiteroberfläche (13), dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallschicht (11) auf die dielektrische Schicht (12) aufgebracht wird und mittels einer Strahlungsquelle (9) diese Metallschicht (11) kurzzeitig lokal punkt- oder linienförmig erhitzt wird, so dass sich eine lokale Schmelzmischung aus Metallschicht (11), dielektrischer Schicht (12) und dem Halbleiter (13) bildet, die nach dem Erstarren einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Halbleiter (13) und der Metallschicht (11) bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kombination mehrerer kontaktierter Punkte oder Linien eine Fläche kontaktiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Kontaktwiderstand unter den kontaktierten Punkten und Linien kleiner als 0,02 Ωcm2 ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die dielektrische Schicht Siliciumnitrid und/oder Siliciumdioxid verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Schichten reich an Silicium sind, d. h. ihr Siliciumgehalt höher als bei einer stöchiometrischen Zusammensetzung ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die passivierende, dielektrische Schicht eine Dicke zwischen 10 und 500 nm aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen der Metallschicht Aluminium verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht zwischen 0,5 und 10 µm stark ausgebildet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht durch Aufdampfen oder Sputtern hergestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zuvor lokal aufgeschmolzene Siliciumschicht nach dem Erstarren eine lokale Dotierung aufweist, durch deren eingebautes Feld die Rekombinationsrate an der Grenzfläche Halbleiter/Legierung herabgesetzt wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter Silicium verwendet wird.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter p-dotiertes Silicium mit einem spezifischen Widerstand größer als 0,1 Ωcm2 verwendet wird.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Lichtquelle ein Laser ist und dieser eine Pulslänge im Bereich 1-500 ns aufweist.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieeintrag derart erfolgt, daß die Erhitzung der Metallschicht an der herzustellenden Kontaktfläche derart lokal erfolgt, daß die unmittelbar an den Kontakt angrenzenden Schichtbereiche unbeschadet in ihren Eigenschaften bleiben.
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