NO333757B1 - Solceller - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelse vedrører multikrystallinske p-type silisiumwafere med høy levetid. Silisiumwaferne inneholder 0,2-2,8 ppma bor og 0,06-2,8 ppma fosfor og/eller arsen og er underkastet fosfordiffusjon og fosforgettering ved en temperatur over 92511C. Oppfinnelsen vedrører videre en fremgangsmåte for fremstilling av slike multikrystallinske silisiumwafere samt solceller sammensatt av slike silisiumwafere.

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører multikrystallinske silisiumwafere med øket levetid og med innleirede kontakter samt en fremgangsmåte for fremstilling av slike multikrystallinske silisiumwafere. Oppfinnelsen vedrører også solceller fremstilt fra multikrystallinske silisiumwafere.

Teknisk bakgrunn

Ved fremstilling av solceller basert på multikrystallinsk silisium gjennomgår silisiumwaferne flere varmebehandlingstrinn før de blir til ferdige solceller. Ett av disse varmebehandlingstrinnene er en diffusjon-/getteringprosess som består av en diffusjonsprosess der en pålagt fosforkilde blir drevet noen mikrometer inn i overflaten av waferen ved diffusjon for å danne en pn-overgang i waferoverflaten. Fosforkilden kan være gassformig POCI3, eller P2O5oppløst i et organisk løsningsmiddel med tilsatser av f.eks.Si02- Etter at eventuelle løsningsmidler er drevet av utføres selve diffusjonen av fosfor inn i waferoverflaten ved varmebehandling. Diffusjonen er relativ rask og kan finne sted typisk ved 900°C i løpet av noen minutter. Temperatur og tid velges i henhold til hvilke elektriske egenskaper man ønsker å oppnå i waferoverflaten. Deretter følger selve fosforgetteringen hvor uønskede oppløste og mobile metalliske forurensninger transporteres til og fanges i det inndiffunderte fosforlaget ved typisk 600-850°C i løpet av 1-2 timer. Denne bulkpassiveringen omtales som fosforgettering eller P-gettering.

Levetiden til ladningsbærere i en wafer defineres som den tiden det tar fra et elektron og et hull blir generert fra sollyset til disse blir rekombinert igjen. Levetiden måles vanligvis i mikrosekunder. Dersom levetiden for ladningsbærerne er for kort til at disse ikke rekker å bevege seg til waferens pn-overgang, vil de ikke bidra til produksjon av strøm i solcellen. Levetiden reduseres blant annet av oppløste metallforurensninger så som eksempelvis Fe, Zn, Ni og Cu i waferen. Det er derfor viktig for solcellens evne til å generere elektrisk strøm at mengden av oppløste metallforurensninger kan reduseres. Det er antatt at f.eks Fe i konvensjonelle multikrystallinske silisiumwafere foreligger både som oppløst Fe og som FeSi2-faser som ved varmebehandling løses opp og medfører et økt innhold av oppløst Fe i waferen med påfølgende reduksjon av levetid. Getteringprosessen har til hensikt å fjerne en del av det oppløste jernet og andre metalliske elementer, men dersom getteringhastigheten for oppløst Fe er lavere enn oppløsningshastigheten av FeSi2så vil netto konsentrasjon av oppløst jern øke og levetiden av solcellene vil reduseres.

Når diffusjon/fosforgettering ved høyere temperaturer (>900°C) utføres på konvensjonelle multikrystallinske wafere har det vist seg at dette fører til en reduksjon av ladningsbærernes levetid i waferen og dermed økt produksjonskost. Av denne grunn fremstilles idag konvensjonelle multikrystallinske solceller ved bruk av moderate temperaturer i området 600 til 850°C slik at mengden av oppløste metaller ikke blir for stor. For konvensjonelle multikrystallinske wafere er det derfor normalt ikke mulig å dra nytte av høytemperaturdiffusjon og fosforgettering ved f.eks. 950°C og fremstilling av solceller med innleirede kontakter (buried contacts). Et av trinnene i fremstillingen av solceller med innleirede kontakter omfatter høytemperaturdiffusjon i de områdene der de innleirede kontaktene skal dannes. Fosfor pålegges i spor i waferen og diffunderes inn i overflaten ved typisk 950°C i løpet av 30 minutter. Med innleirede kontakter forstås elektriske kontakter innleiret i spor i waferen, som har den store fordel at dette øker den andel av waferarealet som er tilgjengelig for energiproduksjon i forhold til waferne hvor kontaktene ligger på waferoverflaten.

Monokrystallinske wafere har høyere renhet enn multikrystallinske wafere og fravær av korngrenser slik at nevnte varmebehandlingstrinn ikke påvirker monokrystallinske waferene i samme grad som for konvensjonelle multikrystallinske wafere, noe som muliggjør anvendelse av nye og mer effektive solcellekonsepter som eksempelvis fremstilling av innleirede kontakter, som krever varmebehandlinger ved høyere temperaturer enn det som er typisk for multikrystallinske wafere. Monokrystallinske wafere er imidlertid betydelig dyrere enn multikrystallinske wafere.

Konvensjonelle multikrystallinske wafere fremstilles av silisium av elektronikkvalitet (EG-Si) samt skrap og avkutt fra elektronikkindustrien. Denne kvalitetet av silisium har en meget høy renhet, særlig når det gjelder innhold av fosfor og bor. Når wafere fremstilles av dette materialet blir det fremstilt en ingot ved rettet størkning som deretter kuttes til wafere. Ved ingotfremstillingen dopes silisiumet enten med bor eller fosfor for å fremstille enten p-type materiale eller n-type materiale. Ved dopingen med et av dopemidlene antas det at innholdet av det andre dopemiddelet er neglisjerbart. Med noen få unntagelser blir multikrystallinske solceller i dag fremstilt fra bordopet materiale.

Fra Joos W. et al.,"Large area burid contact solar cell on multikrystalline Silicon with mechanical surface texturation and bulk passivation", Proceedings of the 16th European photovoltaic solar energy conference, 1-5. Mai 2000, s.1169-1172, XP002189488, er det angitt at den høyeste bulkdiffusjonslengde ved fosforgettering ved 950°C var henholdsvis 180 um og 195 pm for to forskjellige silisiumkvaliteter, mens standard multkrystalline wafers har en levetid for minoritetsladningsbærerne på opptil 400 um etter fosforgetting ved 900°C. Levetiden for minoritetsladningsbærerne beskrevet i Joos.et.al er således meget lav og ikke vesentlig høyere enn i ubehandlede Silicon wafers.

JP 2004-119867 gjelder amorf silisiumfilm og ikke multikrystallinske silisium wafere. Det tilsettes en katalysator for promotering av krystallisasjon på den amorfe silisiumfilmen og det utføres varmebehandling i to trinn, ved 550-630°C og 640-950°C. Dette vedrører ikke fosforgettering av silisium wafers inneholdende både bor og fosfor.

Det er derfor et behov for å fremskaffe multikrystallinske silisiumwafere hvor varmebehandling kan utføres ved forhøyede temperaturer i forhold til hva som er vanlig for konvensjonelle multikrystallinske wafere uten at dette går utover levetiden som følge av metallforurensninger og som i tillegg muliggjør fremstilling av innleirede kontakter og andre metoder for høytemperaturbehandling av wafere så som eksempelvis fremstilling av halvlederkontakter (semiconductor fingers).

Beskrivelse av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse vedrører således multikrystallinske p-type silisiumwafere med høy levetid, fremstilt av silisium som inneholder bor og fosfor og/eller arsen, hvilke silisiumwafere inneholder 0,2-2,8 ppma bor og 0,06-2,8 ppma fosfor og/eller arsen og er underkastet fosfordiffusjon og fosforgettering ved en temperatur over 925°C.

Ifølge en foretrukket utførelsesform er silisiumwaferne underkastet fosfordiffusjon og fosforgettering ved en temperatur over 950°C.

Ifølge en annen foretrukket utførelsesform inneholder de multikrystallinske silisiumwaferne 0,3-0,75 ppma bor og 0,1-0,75 ppma fosfor. For best resultat er det foretrukket at forholdet mellom ppma fosfor og ppma bor er mellom 0,2 og 1.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører videre en fremgangsmåte for fosfordiffusjon og fosforgettering i p-type multikrystallinske silisium wafere fremstilt av silisium som inneholder bor og fosfor og/eller arsen, hvilken fremgangsmåte er kjennetegnet ved at p-type silisiumwafere inneholdende 0,2-2,8 ppma bor og 0,06-2,8 ppma fosfor og/eller 0,06-2,8 ppma arsen underkastes fosfordiffusjon og fosforgettering ved en temperatur over 925°C.

Ifølge en foretrukket utførelsesform underkastes silisiumwaferne fosfordiffusjon og fosforgettering ved en temperatur over 950°C.

Fortrinnsvis inneholder de multikrystallinske waferne 0,30-0,75 ppma bor og 0,1 til 0,75 ppma fosfor. Ifølge en særlig foretrukket utførelsesform er forholdet mellom ppma fosfor og ppma bor mellom 0,2 og 1.

Endelig vedrører den foreliggende oppfinnelse solcellepaneler fremstilt av silisium som inneholder bor og fosfor og/eller arsen hvilke paneler er sammensatt av p-type multikrystallinske silisiumwafere med høy levetid hvor silisiumwaferne inneholder 0,2-2,8 ppma bor og 0,06-2,8 ppma fosfor og/eller arsen og er underkastet fosfordiffusjon og fosforgettering ved en temperatur over 925°C.

Fortrinnsvis er solcellene sammensatt av p-type multikrystallinske silisiumwafere som er underkastet fosfordiffusjon og fosforgettering ved en temperatur over 950°C.

Det er overraskende blitt funnet at ved høytemperaturdiffusjon og gettering ved over 925°C av wafere som inneholder både bor og fosfor og/eller arsen i de ovennevnte mengder ikke bare unngår man en reduksjon i levetiden, men levetiden blir totalt sett forbedret. Det er også blitt funnet at den såkalte kanteffekten for silisiuimwaferne ifølge oppfinnelsen elimineres eller sterkt reduseres. I tillegg gjør denne fremgangsmåten det mulig å fremstille multikrystallinske wafere med innleirede kontakter uten at kvaliteten av waferne reduseres. Oppfinnelsen muliggjør også at fosfordiffusjon og P-getteringprosesser kan utføres i løpet av betydelig kortere tider ved forhøyede temperaturer på multikrystallinske wafere uten at kvaliteten reduseres. Denne økningen i prosesseringshastighet vil medføre en betydelig reduksjon av kostnader for fremstilling av solceller.

Det er ikke klart hva som er årsaken til at man observerer denne overraskende effekten på levetiden ved høytemperaturbehandling av silisiumwafere som både inneholder bor og fosfor og/eller arsen, men det antas at én av årsakene er at jern og andre metalliske elementer i disse silisiumwaferne ikke foreligger som lett oppløselig FeSi2eller tilsvarende lett oppløselige forbindelser slik som i konvensjonelle multikrystallinske silisium-wafere som i praksis bare inneholder bor, men at Fe i silisiumwafere som inneholder bor samt fosfor og/eller arsen i det vesentlige foreligger som Fe-P faser og eller Fe-As faser og andre metall-P eller metall-As forbindelser som er mer stabile ved høye temperaturer enn FeSi2og andre metallsilisider. Ved fosfordiffusjon og fosforgettering selv ved meget høye temperaturer vil derfor jern og andre metalliske elementer som foreligger som metall-P forbindelser eller metall-As forbindelser ikke, eller kun i mindre grad, oppløses slik at netto innhold av oppløste metalliske elementer hurtig vil bli fjernet under fosforgetteringsprosessen.

Eksempel 1

Teknikkens stilling

Høytemperaturprosessering (buried contacts) av kommersielle standard p-type bordopet multikrystallinsk wafer inneholdende 1-5<*>10<14>Fe atomer per cm<3>. ;Fosfor ble ved POCI3-diffusjon drevet inn i en kommersiell p-type wafer til sheet motstand var 100 ohm cm<2.>Waferen inneholdt i hovedsak ikke fosfor. Et antirefleksjonslag ble lagt på toppen av waferen ved silisiumnitrid CVD deposition. Spor for innleirede kontakter ble laget i waferoverflaten og fosfor ble ved POCI3-diffusjon drevet inn i disse ved 950°C i noen minutter. Etter diffusjonen var sheet motstanden på 10 ohm cm<2>. Bakkontakt av Al ble legert inn på undersiden av waferen. Hydrogenpassivering ved MIRHP ble utført og metalliske frontkontakter ble avsatt i sporene på waferens overside ved bruk av Ni/Cu plettering Levetiden i waferen ble målt etter hver av disse prosess-stegene. I forhold til utgangswaferen (ubehandlet) ble levetiden øket etter den første diffusjonen og pålegging av silisiumnitrid. Men etter diffusjonen ved 950°C sank levetiden igjen til et ikke målbart nivå. Dette er som forventet i konvensjonelle wafere. De etterfølgende prosesstrinnene resulterte i en liten økning av levetiden, men det ble ikke oppnådd levetider som er typiske for konvensjonelle multikrystallinske solceller prosessert etter den normale screen-printing prosessen som kun omfatter temperaturbehandlinger med lave eller moderate temperaturer. ;Eksempel 2 ;Ifølge oppfinnelsen ;Høytemperaturprosessering (buried contacts) av silisiumwafer inneholdende relativt høyt fosfor nivå. ;Fosfor ble ved POCI3-diffusjon drevet inn i en p-type wafer inneholdende 1 ppma B og 0.8 ppma P og 1-5<*>10<14>Fe atomer percm<3>til sheet motstand var 100 ohm cm<2>. Et antirefleksjonslag ble lagt på toppen av waferen ved silisiumnitrid CVD deposition. Spor for innleirede kontakter ble laget i waferoverflaten og fosfor ble ved POCI3-diffusjon drevet inn i disse ved 950°C i noen minutter. Etter diffusjonen var sheet motstanden på 10 ohm cm<2>. Bakkontakt av Al ble legert inn på undersiden av waferen. Hydrogen passivering ved MIRHP ble utført og metalliske frontkontakter ble avsatt i sporene på waferens overside ved bruk av Ni/Cu plettering. Levetiden i waferen ble målt etter hver av disse prosess-stegene. I forhold til utgangswaferen (ubehandlet) ble levetiden øket etter den første diffusjonen og pålegging av silisiumnitrid. Etter diffusjonen ved 950°C var levetiden øket til nivå langt bedre enn utgangswaferen. Dette er i motsetning til hva som ble observert for konvensjonelle multikrystallinske wafer i eksempel 1. De etterfølgende prosesstrinnene resulterte i en ytterligere liten økning av levetiden, og det til slutt oppnådd levetider i mikrosekunder som er mer enn 3 ganger bedre enn for konvensjonelle multikrystallinske solceller prosessert etter den normale screen-printing prosessen som kun omfatter temperaturbehandlinger med lave eller moderate temperaturer.

Resultat viser at de multikrystallinske waferne ifølge oppfinnelsen som er underkastet fosfordiffusjon og fosforgettering ved høy temperatur oppviser en overraskende høy levetid sammenlignet med konvensjonelle multikrystallinske wafere behandlet ved lavere temperaturer, mens resultatet fra eksempel 1 viser at når konvensjonelle multikrystalline wafere utsettes for høytemperaturbehandling ødelegges levetiden.

Claims (10)

1. Multikrystallinske p-type silisiumwafere med høy levetid fremstilt av silisium som innholder bor og fosfor og/eller arsen,karakterisert vedat silisiumwaferne inneholder 0,2-2,8 ppma bor og 0,06-2,8 ppma fosfor og/eller arsen og er underkastet fosfordiffusjon og fosforgettering ved en temperatur over 925°C.

2. Multikrystallinske silisiumwafere i henhold til krav 1,karakterisert vedat silisiumwaferne er underkastet fosfordiffusjon og fosforgettering ved en temperatur over 950°C.

3. Multikrystallinske silisiumwafere i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedat silisiumwaferne inneholder 0,3-0,75 ppma bor og 0,1-0,75 ppma fosfor.

4. Multikrystallinske silisiumwafere i henhold til krav 1-3,karakterisert vedat forholdet mellom ppma fosfor og ppma bor er mellom 0,2 og 1.

5. Fremgangsmåte for fosfordiffusjon og fosforgettering i p-type multikrystallinske silisiumwafere, fremstilt av silisium som inneholder bor og fosfor og/eller arsen,karakterisert vedat silisiumwafere inneholdende 0,2-2,8 ppma bor, 0,06-2,8 ppma fosfor og/eller 0,06-2,8 ppma arsen underkastes fosfordiffusjon og fosforgettering ved en temperatur over 925°C.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5,karakterisert vedat fosfordiffusjon, fosforgettering utføres ved en temperatur over 950°C.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5-6,karakterisert vedat silisiumwaferne inneholder 0,3-0,75 ppma bor og 0,1-0,75 ppma fosfor.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 5-7,karakterisert vedat forholdet mellom ppma fosfor og ppma bor er mellom 0,2 og 1.

9. Solcellepaneler med høy levetid fremstilt av silisium som inneholder bor og fosfor og/eller arsen,karakterisert vedat panelene er sammensatt av p-type multikrystallinske silisiumwafere med høy levetid hvor silisiumwaferne inneholder 0,2-2,8 ppma bor og 0,06-2,8 ppma fosfor og/eller arsen og er underkastet fosfordiffusjon og fosforgettering ved en temperatur over 925°C.

10. Solcellepanerer ifølge krav 9,karakterisert vedat panelene er sammensatt av p-type multikrystallinske silisiumwafere som er underkastet fosfordiffusjon og fosforgettering ved en temperatur over 950°C.