Dotierung von Solarzellen.

Solarzellen aus kristallinem Silizium (c-Si)

Die meisten heute eingesetzten Solarzellen bestehen aus kristallinem Silicium. Das Silicium kann entweder mono-kristallin oder poly‑kristallin sein. Mono‑kristallines Material wird durch einen Czrochalski‑Ziehprozess hergestellt, während poly‑kristallines Material gewöhnlich durch einen Gießprozess erzeugt wird. Das Material wird in beiden Fällen durch Drahtsägen in Scheiben zerlegt, die dann als Substratmaterial für die Solarzellen dienen.

Solarzelle

Die Solarzelle besteht also im Wesentlichen aus massivem Silicium und wird daher auch Dickschichtzelle genannt, im Gegensatz zu Dünnschichtzellen, bei denen die Halbleiterschichten auf einem Fremdsubstrat abgeschieden werden. Das Silicium ist gewöhnlich leicht p‑dotiert, also leitend für positive Ladungsträger oder Löcher. Auf der Vorderseite muss durch Dotierung nun eine dünne, stark n‑dotierte, also für negative Ladungsträger oder Elektronen leitende, dünne Schicht erzeugt werden. So entsteht ein p/n‑Übergang, der die Ladungsträgerpaare, die bei der Absorption von Sonnenlicht erzeugt werden, auftrennt. Auf der Vorder‑ und Rückseite müssen nun noch metallische Kontakte erzeugt werden, um den Solarstrom abzuleiten. Auf der Rückseite wird eine vollflächige Metallisierung mit Aluminium durchgeführt, während auf der Vorderseite nur silberne Kontaktfinger aufgebracht werden, um das meiste Sonnenlicht durchzulassen. Abschließend wird auf der Vorderseite noch eine Antireflexionsschicht aus Siliziumnitrid aufgebracht, um die Absorption des Sonnenlichts zu erhöhen. Der letzte Produktionsschritt ist dann die Zusammenstellung der Solarzellen zu Solarmodulen.

Die Dotierung der oberen, stark n-leitenden Siliciumschicht erfolgt mit Phosphor als Dotieratom. Dafür gibt es zwei Verfahren für die Diffusionsöfen verwendet werden:

• Dotierung über die Gasphase mit Phosphoroxychlorid POCl₃.
• Dotierung über eine mit Siebdruck aufgebrachte Dotierpaste.

Diffusionsöfen & Rohröfen

Rohröfen für die Dotierung von Solarzellen mit Phosphoroxychlorid.

Horizontalöfen oder Diffusionöfen von JTEKT Thermo Systems (ehemals Koyo Thermo Systems) erlauben eine kostengünstige Dotierung mit hohen Durchsätzen. Die in diesem Modell eingesetzten LGO-Heizelemente sorgen durch ihre niedrige thermische Masse für kurze Prozesszeiten und energiesparenden und somit kostengünstigen Betrieb der Dotieröfen. Alle gängigen Solarzellengrößen können in diesem Diffusionsofen prozessiert werden.

POCl₃ wird als flüssiges Dotiermittel in einem Bubbler bereitgestellt. Stickstoff streicht bei definierter Temperatur durch die Flüssigkeit und wird mit Dotiermittel angereichert. Typische Dotiertemperaturen liegen bei 800 - 900°C.

Inline‑POCl3 Kontinuierliche Dotierung

Die neueste Entwicklung von JTEKT ermöglicht es jetzt, einen Kontinuierlichen Ofen für die Dotierung von Siliciumscheiben mit POCl₃ einzusetzen. Die Wafer werden auf Quarzwägen mit einer Beladung von je 100 Wafern schrittweise durch den Ofen geschoben. Das Design der Wägen ist dabei entscheidend für eine gute Temperaturgleichmäßigkeit über den Wafer und beeinflusst damit stark das Prozessergebnis der Dotierung mit POCl₃. Gasschleusen an beiden Enden des Rohres trennen den Prozessraum von der Umgebung.

Zwei Rohre nebeneinander ermöglichen eine einfache Automatisierung. Durch den Wegfall der Beladestation ergibt sich eine deutlich kleinere Standfläche als beim herkömmlichen Horizontalofen. Da die Beladezeit entfällt wird der Durchsatz erheblich gesteigert. Der Ofen spart Energie, da Aufheiz‑ und Abkühlphasen entfallen. Da kein Transportband installiert ist kommt es auch nicht zu thermischen Verlusten durch das Ausfahren eines heißen Transportbandes. Es wird weniger Gas verbraucht, da keine Spülprozesse nötig sind. Aufgrund des einfacheren Aufbaus, wird der Ofen zudem günstiger.

inline Rohrofen zur Kontinuierlichen POCl3-Dotierung

Vertikalöfen für Forschung und Produktion

Für höhere Ansprüche an die Homogenität des Dotierprofils bzw. für vollautomatische Produktionsstraßen stehen Vertikalöfen zur Verfügung. Insbesondere für Anwendungen in der Solarzellenforschung und in der Entwicklung kann der kleinste Vertikalofen von JTEKT Thermo Systems (ehemals Koyo Thermo Systems) erfolgreich eingesetzt werden. Der Ofen Typ VF1000 ist als Minibatch‑Ofen ausgelegt, besitzt eine manuelle Beladung und ist daher bezgl. der möglichen Probengrößen sehr flexibel. Der Vertikalofen ist mit einem kostensparenden LGO‑Heizelement ausgestattet und die Prozessperformance entspricht der von Vertikalöfen für die Produktion moderner ICs.

Für die Massenproduktion hat JTEKT Thermo Systems einen speziellen Vertikalofen entwickelt, der bessere Prozessergebnisse liefert als ein Horizontalofen, die Herstellungskosten der Solarzellen aber kaum verteuert. Der Zwillingsofen lädt 3‑4 Boote in ein Vertikalrohr und hat somit eine Kapazität von 600 - 800 Solarzellen. Das entspricht der Kapazität eines 4-stöckigen Horizontalofens.

Durchlauföfen für Dotierpaste

Die Dotierung mit Dotierpaste arbeitet mit relativ ungefährlichen Stoffen und ermöglicht den Einsatz von relativ einfachen Durchlauföfen, die sehr gut für die Massenproduktion einsetzbar sind und die Eingliederung in eine automatische Produktionsstraße ermöglichen. Die Dotierstoffe diffundieren im Ofen aus der Dotierpaste in den Siliciumwafer. Temperatur und Temperaturzeit bestimmen somit die Dicke der hergestellten n‑dotierten Schicht. Für den Prozess können beispielsweise JTEKT Durchlauföfen Typ 47‑MT mit einem Kettenzugantrieb eingesetzt werden.

Für die Forschung und Entwicklung kann der kleine JTEKT Durchlaufofen Typ 810 angeboten werden, der den großen Öfen ähnelt und eine Produktionsumgebung simulieren kann.

JTEKT Thermo Systems und Crystec freuen sich darauf, für sie eine kostengünstige Anlage aufzubauen, die Ihren strengsten Anforderungen entspricht.