DE102012213793B3

DE102012213793B3 - Untersuchung eines Siliziumsubstrats für eine Solarzelle

Info

Publication number: DE102012213793B3
Application number: DE201210213793
Authority: DE
Inventors: Alexander Fülle; Andreas Krause; Lamine Sylla
Original assignee: SolarWorld Innovations GmbH
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-08-04
Also published as: CN103575688A; CN103575688B; US20140038316A1; US9165844B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen eines drahtgesägten Siliziumsubstrats (110) für eine Solarzelle (100). Das Verfahren umfasst ein Bestrahlen des Siliziumsubstrats (110) mit einer Infrarotstrahlung (190), ein Erfassen der durch das Siliziumsubstrat (110) transmittierten Infrarotstrahlung (190), und ein Auswerten der erfassten Infrarotstrahlung (190) zum Charakterisieren einer Kristallorientierung des Siliziumsubstrats (110). Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung (170) zum Durchführen eines solchen Verfahrens, und ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle (100).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen eines drahtgesägten Siliziumsubstrats für eine Solarzelle. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens, und ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle.
Solarzellen werden dazu eingesetzt, um elektromagnetische Strahlungsenergie, insbesondere Sonnenlicht, in elektrische Energie umzuwandeln. Übliche Solarzellen sind aus dem Grundmaterial Silizium hergestellt. Dabei wird ein Block (oder auch Stab) aus Silizium erzeugt, welcher in scheibenförmige Siliziumsubstrate, auch als Wafer bezeichnet, zerteilt wird. Hierbei kommt in der Regel ein Drahtsägeprozess zur Anwendung. Die auf diese Weise erzeugten Substrate werden weiteren Prozessen unterzogen, in welchen unter anderem eine Oberflächentextur, ein p-n-Übergang, eine Antireflexionsschicht, und Kontaktstrukturen ausgebildet werden. Die Oberflächentextur dient dazu, eine verbesserte Strahlungseinkopplung in ein Substrat einer Solarzelle zu ermöglichen.
Solarzellen können mit polykristallinen oder monokristallinen Siliziumsubstraten ausgebildet werden. Monokristalline Zellen besitzen einen hohen Wirkungsgrad und können eine durch ein alkalisches Ätzverfahren hergestellte Oberflächentextur mit Pyramidenstrukturen aufweisen. Eine solche Textur, welche sich durch eine geringe Reflektivität und hohe Einkoppeleffizienz auszeichnet, kann bei Vorliegen einer Oberfläche mit einer 100-Kristallorientierung erzeugt werden.
Zur Herstellung eines Siliziumblocks für Substrate mit hohem monokristallinem Anteil mit 100-Orientierung hat in den letzten Jahren das Durchführen eines Gießverfahrens zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei werden ein oder mehrere einkristalline Keime am Boden einer Kokille vorgelegt und mit Silizium-Rohstoff überschichtet. Der Rohstoff wird soweit von oben geschmolzen, dass der oder die Keime lediglich leicht angeschmolzen werden. Die anschließende gerichtete Erstarrung erfolgt auf der noch ungeschmolzenen Keimvorlage. Durch Keimstöße (Aneinandergrenzen von Keimen) und eine parasitäre Kristallisation an der Kokillenwand kann das Einwachsen von Multikristallen mit abweichender Kristallorientierung auftreten. Die aus einem gegossenen Siliziumblock gesägten Substrate weisen daher in der Regel einen multikristallinen Anteil an einer Oberfläche auf. Ein Durchführen eines alkalischen Prozesses hat hierbei zur Folge, dass multikristalline Bereiche nicht texturiert werden und die Substrate ein fleckiges Erscheinungsbild besitzen können. Zwar ist es möglich, satt des alkalischen ein saures Texturieren durchzuführen, wodurch auch Bereiche mit einer abweichenden Kristallorientierung texturiert werden können. Die auf diese Weise erzeugte Textur bietet jedoch eine geringere Einkoppeleffizienz.
Aus diesem Grund ist man bestrebt, die Kristallorientierung eines Siliziumsubstrats zu charakterisieren. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, für monokristalline Substrate einen Anteil der 100-Kristallorientierung vorzugeben, ab welchem ein Texturieren alkalisch oder sauer durchgeführt wird. Eine bekannte Vorgehensweise besteht darin, ein Siliziumsubstrat mit sichtbarem Licht zu bestrahlen und ein Auflichtbild zu erzeugen. In dem Auflichtbild wird die größte Fläche mit einer gleichmäßigen Helligkeit ermittelt und ausgemessen. Diese Fläche wird mit einem Korn mit der 100-Kristallorientierung gleichgesetzt, dessen Anteil in Bezug auf die gesamte Substratoberfläche ermittelt wird. Der Anteil des größten Korns ist jedoch nicht (allein) entscheidend für den Wirkungsgrad einer Solarzelle. Es können weitere kleinere Körner mit der 100-Kristallorientierung vorliegen, welche ebenfalls alkalisch texturierbar sind. Auch ist es möglich, dass ein Korn mit einer anderen Kristallorientierung als größtes Korn identifiziert wird, wodurch ein falscher Anteil der 100-Kristallorientierung ermittelt wird. Dieser Fall kann zum Beispiel bei Substraten auftreten, welche aus einem Randbereich eines Siliziumblocks hervorgehen. Ferner kann es vorkommen, dass ein Siliziumsubstrat aufgrund von Keimstößen oder Zwillingswachstum zwei getrennte, relativ große Körner mit 100-Kristallorientierung aufweist. Hierbei wird nur eines dieser Körner berücksichtigt, wodurch ein viel zu kleiner Anteil der 100-Orientierung ermittelt wird.
Die DE 11 2005 000 410 T5 beschreibt Verfahren, bei welchem eine Identifizierung durchgeführt wird, welche Solarzelle aus welchem zugrundeliegenden Wafer hergestellt ist. Bei dem Verfahren werden Bilder der Wafer und der Solarzellen bereitgestellt. Anhand eines Bildvergleichs wird eine Solarzelle einem Wafer zugeordnet. Die Zuordnung basiert darauf, dass die kristallographische Struktur der Wafer einzigartig ist, und in den Bildern erkannt werden kann.
Die US 2011/0045612 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erkennen hochdotierter und niedrigdotierter Substratbereiche eines Siliziumsubstrats. Dies dient dazu, eine zum Aufbringen auf die hochdotierten Bereiche vorgesehene Metallstruktur genau auszurichten. Bei dem Verfahren wird das Substrat mit einer Infrarotstrahlung durchstrahlt, und wird die transmittierte Strahlung bzw. deren Absorption erfasst. Die verschieden dotierten Bereiche besitzen ein unterschiedliches Absorptionsvermögen, und können daher voneinander unterschieden werden.
Die DE 20 2009 017 691 U1 beschreibt ein Verfahren zum Detektieren von Defekten in einem Siliziumsubstrat. Hierfür wird das Substrat mit Infrarotstrahlung beleuchtet, und wird eine Strahlungserfassung im Auflichtverfahren oder im Durchlichtverfahren durchgeführt. Es werden im Wesentlichen mehrfach gestreute Strahlungsanteile erfasst, um die Kristallstruktur des Siliziumsubstrats auszublenden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Lösung für eine verbesserte Untersuchung eines Siliziumsubstrats für eine Solarzelle anzugeben. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle anzugeben, in dessen Rahmen eine solche Untersuchung durchgeführt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Untersuchen eines drahtgesägten Siliziumsubstrats für eine Solarzelle vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Bestrahlen des Siliziumsubstrats mit einer Infrarotstrahlung, ein Erfassen der durch das Siliziumsubstrat transmittierten Infrarotstrahlung, und ein Auswerten der erfassten Infrarotstrahlung zum Charakterisieren einer bestimmten Kristallorientierung des Siliziumsubstrats.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Untersuchungsmethoden, in welchen zum Beispiel Auflichtbilder oder auch mittels Photolumineszenz gewonnene Bilder verwendet werden, erfolgt die Untersuchung des Siliziumsubstrats bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren durch Durchstrahlen des Substrats mit Infrarotstrahlung und Erfassen der transmittierten Strahlung. Hierbei kann die Strahlung, insbesondere eine Intensität der Strahlung, ortsaufgelöst erfasst werden. Das Charakterisieren basiert darauf, dass die Infrarotstrahlung beim Durchtreten des Substrats in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Kristallorientierung eine unterschiedliche Abschwächung bzw. Absorption erfährt. Das unterschiedliche Abschwächungs- bzw. Absorptionsvermögen beruht darauf, dass aufgrund des vor der Untersuchung erfolgten Drahtsägens das Siliziumsubstrat einen unterschiedlichen, von der jeweiligen Kristallorientierung abhängigen Sägeschaden aufweist. Dieser Effekt wird dazu ausgenutzt, um eine bestimmte, an einer Oberfläche (bzw. an den Hauptflächen) des Siliziumsubstrats vorliegende Kristallorientierung zu charakterisieren. Die Kristallorientierung kann insbesondere von anderen Kristallorientierungen unterschieden werden, wodurch Informationen über die betreffende Kristallorientierung gewonnen werden können, und eine zuverlässige und genaue Beurteilung möglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform bezieht sich das Auswerten darauf, einen Anteil einer Fläche des Siliziumsubstrats mit der zu charakterisierenden Kristallorientierung zu ermitteln. Dabei wird der gesamte Flächenanteil der Kristallorientierung, und nicht nur der Anteil eines größten Korns, ermittelt. Der Flächenanteil kann zum Beispiel dahingehend berücksichtigt werden, um die weitere Prozessierung des drahtgesägten Substrats festzulegen. Möglich ist es ferner, beispielsweise ein fehlerhaftes Bereitstellen des drahtgesägten Siliziumsubstrats zu erkennen.
Bei dem Verfahren kommt vorzugsweise Strahlung des nahen Infrarotbereichs zum Einsatz. In Betracht kommt zum Beispiel die Verwendung von Infrarotstrahlung mit Wellenlängen im Bereich von 800 nm bis 1200 nm. Auf diese Weise kann erzielt werden, dass Unterschiede in der Strahlungsabsorption bzw. Abschwächung, hervorgerufen durch den kristallorientierungsabhängigen Sägeschaden, relativ groß sind. Hierdurch kann eine genaue Untersuchung begünstigt werden.
Die unterschiedliche, von den jeweiligen Kristallorientierungen abhängige Absorption bzw. Abschwächung der Infrarotstrahlung hat zur Folge, dass bei dem Erfassen der transmittierten Infrarotstrahlung unterschiedliche Strahlungsintensitäten gemessen werden können. In dieser Hinsicht ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, eine auf eine Fläche des Siliziumsubstrats bezogene Häufigkeitsverteilung von unterschiedlichen Intensitäten (bzw. Helligkeiten) der erfassten Infrarotstrahlung zu bilden. Basierend auf der Häufigkeitsverteilung kann das Charakterisieren, insbesondere das Ermitteln des Anteils einer bestimmten Kristallorientierung an der Substratfläche, mit einer hohen Schnelligkeit und Genauigkeit durchgeführt werden. Im Rahmen der Auswertung kann die Häufigkeitsverteilung in Form eines Histogramms dargestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, in welcher insbesondere die vorstehend genannte Häufigkeitsverteilung zur Anwendung kommen kann, wird eine auf eine Fläche des Siliziumsubstrats bezogene Gesamthäufigkeit von unterschiedlichen Intensitäten der erfassten Infrarotstrahlung ermittelt. Die Gesamthäufigkeit kann sich auf sämtliche mögliche Kristallorientierungen des Siliziumsubstrats beziehen. Ferner wird eine weitere Häufigkeit von Intensitäten der erfassten Infrarotstrahlung ermittelt, welche (lediglich) Bereichen des Siliziumsubstrats mit der zu charakterisierenden Kristallorientierung zugeordnet sind. Darüber hinaus wird das Verhältnis aus der weiteren Häufigkeit und der Gesamthäufigkeit gebildet. Dieses Verhältnis entspricht dem gesamten Anteil der Fläche des Siliziumsubstrats mit der zu charakterisierenden Kristallorientierung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, in welcher die sägenschadenabhängige und dadurch kristallorientierungsabhängige Strahlungsabsorption bzw. Abschwächung ausgenutzt wird, erfolgt ein Zuordnen zwischen der zu charakterisierenden Kristallorientierung und Intensitäten der erfassten Infrarotstrahlung. Auf diese Weise können gemessene Strahlungsintensitäten mit Bereichen des Siliziumsubstrats mit der betreffenden Kristallorientierung verknüpft werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Zuordnen mit Hilfe der oben genannten Häufigkeitsverteilung von unterschiedlichen Intensitäten der erfassten Infrarotstrahlung. Dabei ist vorgesehen, das Zuordnen auf der Grundlage eines Scheitelwerts bzw. Peaks in der Häufigkeitsverteilung durchzuführen. Es kann zum Beispiel ausgenutzt werden, dass ein mit der Kristallorientierung zusammenhängender Peak jeweils an derselben (zumindest relativen) Stelle, bzw. im Bereich der gleichen oder übereinstimmenden Intensitäten der Häufigkeitsverteilung zu liegen kommt.
Diese Eigenschaft kann insbesondere auch dahingehend verwendet werden, um die oben genannte weitere Häufigkeit von Strahlungsintensitäten, welche lediglich Bereichen des Siliziumsubstrats mit der zu charakterisierenden Kristallorientierung zugeordnet sind, zu ermitteln. Durch Durchführen einer Peaksuche um den betreffenden Intensitätsbereich der Häufigkeitsverteilung, einer Peakentfaltung zum Separieren des Peaks, und Integrieren der Häufigkeiten des separierten Peaks kann die gesuchte Häufigkeit ermittelt werden. Die sich auf sämtliche Kristallorientierungen beziehende Gesamthäufigkeit kann durch Aufsummieren sämtlicher Häufigkeiten der Häufigkeitsverteilung bzw. durch Integrieren der gesamten Häufigkeitsverteilung ermittelt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Zuordnen zwischen der Kristallorientierung und erfassten Strahlungsintensitäten auf der Grundlage einer Kalibrierungsmessung durchgeführt. In der Kalibrierungsmessung kann zum Beispiel ein einkristallines drahtgesägtes Referenzsubstrat oder ein Teil eines solchen Substrats gemessen werden, bei dem das Vorliegen der betreffenden Kristallorientierung bekannt ist oder angenommen werden kann. Die Messung erfolgt in der oben beschriebenen Weise, d. h. durch Bestrahlen des Referenzsubstrats mit Infrarotstrahlung und Erfassen der transmittierten Infrarotstrahlung. Hierdurch kann die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Auswertung begünstigt werden.
Gegebenenfalls kann in Betracht kommen, beide Zuordnungsmethoden gemeinsam anzuwenden, um eine höhere Zuverlässigkeit zu erzielen. Beispielsweise kann das oben beschriebene Ermitteln der weiteren Häufigkeit begünstigt werden, indem die Peaksuche basierend auf der Kalibrierungsmessung durchgeführt oder verifiziert wird.
Im Rahmen der Auswertung kann aus der erfassten Infrarotstrahlung auch ein Transmissionsbild des untersuchten Siliziumsubstrats erzeugt und dargestellt werden. In dem Transmissionsbild können unterschiedliche erfasste Strahlungsintensitäten mit unterschiedlichen Farben oder Helligkeiten ortsaufgelöst dargestellt sein. Es ist zum Beispiel möglich, die oben genannte Häufigkeitsverteilung auf der Grundlage des Transmissionsbildes zu erstellen.
Neben einem Flächenanteil der zu charakterisierenden Kristallorientierung kann sich die Auswertung auch auf andere Eigenschaften beziehen. In dieser Hinsicht ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, eine örtliche Verteilung der Kristallorientierung über eine Fläche des Siliziumsubstrats zu ermitteln. Auch hierauf basierend kann zum Beispiel die weitere Prozessierung des drahtgesägten Substrats vorgegeben werden, oder kann zum Beispiel ein fehlerhaftes Bereitstellen des Substrats erkannt werden.
Die örtliche Verteilung kann zum Beispiel in Form eines modifizierten Transmissionsbildes dargestellt werden. Dabei können Strahlungsintensitäten, welche mit der betreffenden Kristallorientierung verknüpft sind bzw. in der oben beschriebenen Weise verknüpft werden (d. h. Auswerten eines Scheitelwerts und/oder Kalibrierungsmessung), gegenüber anderen Strahlungsintensitäten hervorgehoben sein. Beispielsweise können die mit der Kristallorientierung verknüpften Strahlungsintensitäten mit einer ersten Helligkeit (beispielsweise weiß) und andere Strahlungsintensitäten mit einer zweiten Helligkeit (beispielsweise schwarz) dargestellt werden. Möglich ist auch eine Darstellung in unterschiedlichen Farben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Untersuchung eines Siliziumsubstrats eingesetzt, welches eine monokristalline Kristallstruktur aufweist. Bei der zu charakterisierenden Kristallorientierung handelt es sich hierbei um eine 100-Kristallorientierung. In dieser Hinsicht kann es sich bei dem Siliziumsubstrat um ein aus einem gegossenen Siliziumblock durch Zerteilen bzw. Drahtsägen hervorgegangenes Siliziumsubstrat handeln. Der Siliziumblock kann durch ein Gießverfahren unter Verwendung von einem oder mehreren monokristallinen Keimen erzeugt sein.
In Bezug auf eine hier genannte Kristallorientierung wird darauf hingewiesen, dass hierbei sämtliche kristallographisch äquivalenten Orientierungen mit umfasst sind (also für die 100-Kristallorientierung auch zum Beispiel die 010- und die 001-Kristallorientierung).
Es ist ferner möglich, anstelle eines monokristallinen Substrats ein polykristallines Siliziumsubstrat zu untersuchen und/oder andere, sowie gegebenenfalls auch mehrere Kristallorientierungen zu charakterisieren. Zum Bereitstellen eines polykristallinen Siliziumsubstrats für eine Solarzelle kann ein zugrundeliegender Siliziumblock durch ein gerichtetes Erstarren von geschmolzenem Silizium ohne Keimvorgabe erzeugt werden, welcher zerteilt bzw. drahtgesägt wird. Für ein polykristalline Siliziumsubstrat kann zum Beispiel in Betracht kommen, eine 111-Kristallorientierung zu charakterisieren, um hierauf basierend das Gießverfahren zu bewerten.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens bzw. einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet ist. Die Vorrichtung weist eine Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen eines drahtgesägten Siliziumsubstrats für eine Solarzelle mit einer Infrarotstrahlung auf. Die Vorrichtung weist ferner eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der durch das Siliziumsubstrat transmittierten Infrarotstrahlung (insbesondere Nahinfrarotstrahlung), und eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der erfassten Infrarotstrahlung auf, um eine bestimmte Kristallorientierung des Siliziumsubstrats zu charakterisieren. Bei der Vorrichtung wird die sägenschadenabhängige Beeinflussung der Infrarotstrahlung ausgenutzt, um die Kristallorientierung des Substrats auf zuverlässige und genaue Weise zu charakterisieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, eine auf eine Fläche des Siliziumsubstrats bezogene Häufigkeitsverteilung von unterschiedlichen Intensitäten der erfassten Infrarotstrahlung zu bilden, und auf der Grundlage der Häufigkeitsverteilung einen Anteil einer Fläche des Siliziumsubstrats mit der Kristallorientierung zu ermitteln. Aufgrund der Berücksichtigung der Häufigkeitsverteilung kann die Ermittlung des Flächenanteils mit einer hohen Schnelligkeit und Genauigkeit erfolgen.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird ein drahtgesägtes Siliziumsubstrat bereitgestellt. Das bereitgestellte Siliziumsubstrat wird durch Durchführen des oben beschriebenen Untersuchungsverfahrens oder einer der beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens untersucht. In Abhängigkeit der Untersuchung des Siliziumsubstrats wird eine Oberflächentextur des Siliziumsubstrats durch Durchführen eines alkalischen Ätzprozesses oder durch Durchführen eines sauren Ätzprozesses ausgebildet. Es ist zum Beispiel möglich, einen Flächenanteil der 100-Kristallorientierung zu ermitteln und diesen mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen. In Abhängigkeit des Vergleichs kann das Substrat einem alkalischen oder sauren Ätzprozess unterzogen werden. Der hierbei berücksichtigte Grenzwert kann zum Beispiel ein Flächenanteil von 80% sein. Abhängig von dem Ergebnis der Untersuchung bzw. zum Beispiel durch einen Vergleich mit einem weiteren (kleinen) Grenzwert kann ferner in Betracht kommen, das betreffende Siliziumsubstrat auszusortieren, und daher nicht weiter zu prozessieren.
Die vorstehend erläuterten Merkmale und/oder die in den Unteransprüchen wiedergegebenen Aus- und Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Untersuchen eines drahtgesägten Siliziumsubstrats für eine Solarzelle;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Untersuchen eines drahtgesägten Siliziumsubstrats für eine Solarzelle;
3 ein Transmissionsbild, erzeugt durch Durchstrahlen eines drahtgesägten Siliziumsubstrats mit einer Infrarotstrahlung;
4 ein Histogramm, welches Häufigkeiten von Strahlungsintensitäten des Transmissionsbildes von 3 veranschaulicht;
5 ein 3 entsprechendes Bild des Substrats, in welchem Bereiche mit einer 100-Kristallorientierung hervorgehoben sind;
6 ein Transmissionsbild, erzeugt durch Durchstrahlen eines weiteren drahtgesägten Siliziumsubstrats mit der Infrarotstrahlung;
7 ein Histogramm, welches Häufigkeiten von Strahlungsintensitäten des Transmissionsbildes von 6 veranschaulicht;
8 ein 6 entsprechendes Bild des weiteren Substrats, in welchem Bereiche mit der 100-Kristallorientierung hervorgehoben sind;
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Solarzelle; und
10 eine schematische seitliche Darstellung einer Solarzelle.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 170, mit deren Hilfe ein drahtgesägtes Siliziumsubstrat 110 im Rahmen einer Solarzellen-Herstellung untersucht werden kann. Die Vorrichtung 170 ist dazu ausgebildet, um eine Kristallorientierung des Siliziumsubstrats 110 zu charakterisieren. Schritte eines mit Hilfe der Vorrichtung 170 durchführbaren Untersuchungsverfahrens, welche gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden können, sind ergänzend in dem Ablaufdiagramm von 2 zusammengefasst. Das Siliziumsubstrat 110 kann eine einkristalline Kristallstruktur aufweisen, wobei an den Hauptflächen (d. h. an der Vorderseite 111 und an der Rückseite 112, vgl. 10) eine 100-Kristallorientierung vorliegen kann.
Ein solcher Wafer 110 kann aus einem durch Gießen erzeugten und eine (überwiegend) monokristalline Struktur aufweisenden Siliziumblock hervorgehen (nicht dargestellt). Das Gießverfahren umfasst die Kristallisation von geschmolzenem Silizium in einer Kokille unter Verwendung von einem oder mehreren einkristallinen Keimen am Boden der Kokille, wobei der oder die Keime beim Schmelzen des Siliziums nicht vollständig aufgeschmolzen werden. Gegenüber dem sonst üblichen Czochralski-Ziehverfahren bietet das Gießverfahren, welches auch als Quasi-Mono-Verfahren bezeichnet wird, Vorteile wie zum Beispiel einen geringeren Aufwand und geringere Kosten.
Der auf diese Weise gewachsene und eine (überwiegend) einkristalline Struktur aufweisende Siliziumblock wird durch eine Band- oder Drahtsäge in kleinere säulenförmige Blöcke geschnitten. Diese Blöcke werden von einer Drahtsäge in separate Substrate 110 zerteilt. Bei dem Drahtsägen kann eine als Slurry bezeichnete Suspension aus einem flüssigen Trägermittel und Sägepartikeln, und ein Draht zur Anwendung kommen. Der Draht kann in Form eines Drahtfelds aufgespannt sein. Beim Drahtsägen wird der Draht bewegt, wodurch das Silizium über die abrasiv wirkenden Sägepartikel gesägt werden kann.
Bei dem auf diese Weise erzeugten, und mittels der Vorrichtung 170 zu untersuchenden Siliziumsubstrat 110 kann es sich ferner um einen sogenannten Vertikalwafer handeln. Hierbei wird der gegossene Siliziumblock senkrecht zu einer Aufwachsrichtung, welche bei dem Gießverfahren vorliegt, in sogenannte liegende Säulen unterteilt. Die Säulen werden, erneut senkrecht zur Aufwachsrichtung, in die Substrate 110 gesägt. Das Gießen bzw. Aufwachsen des Siliziumblocks kann hierbei auf einer Keimfläche mit 110-Orientierung erfolgen.
Das zu untersuchende Siliziumsubstrat 110 kann wie oben beschrieben mit der 100-Kristallorientierung an den Hauptflächen ausgebildet sein. Darüber hinaus kann auch ein Anteil mit anderen Kristallorientierungen bzw. ein multikristalliner Anteil vorliegen. Dies wird durch Störungen des Kristallwachstums beim Gießverfahren hervorgerufen. Mögliche Ursachen sind zum Beispiel Keimstöße (Aneinandergrenzen von Keimen), eine parasitäre Kristallisation an der Kokillenwand, und ein Zwillingswachstum.
Im Rahmen der Weiterverarbeitung des drahtgesägten Siliziumsubstrats 110 zu einer Solarzelle 100 wird üblicherweise eine Oberflächentextur hergestellt (vgl. 10 mit der texturierten Vorderseite 111). Auf diese Weise kann eine verbesserte Strahlungseinkopplung im Betrieb der Solarzelle 100 erzielt werden. Das Texturieren kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen.
Eine Oberfläche mit 100-Kristallorientierung kann durch ein aklkalisches Ätzverfahren unter Verwendung einer Lauge strukturiert werden, wobei Pyramidenstrukturen erzeugt werden. Eine solche Textur zeichnet sich durch eine geringe Reflektivität und dadurch hohe Einkoppeleffizienz aus. Von Nachteil ist jedoch, dass Bereiche mit einer anderen Kristallorientierung alkalisch nicht strukturiert werden. Abhängig von dem Anteil anders orientierter bzw. multikristalliner Bereiche kann dies zu einer Verkleinerung des Wirkungsgrads der Solarzelle 100 führen. Auch kann die Solarzelle 100 ein fleckiges Erscheinungsbild besitzen.
Um das Substrat 110 möglichst einheitlich zu texturieren, kann zwar auch ein Ätzprozess unter Verwendung einer Säure durchgeführt werden. Dadurch erhalten auch Bereiche mit anderen Kristallorientierungen eine Textur. Die sauer erzeugte Textur weist allerdings eine geringere Effizienz auf als die alkalisch erzeugte Textur.
Aus diesem Grund ist man bestrebt, bei dem durch Gießen und Sägen erzeugten Substrat 110 die 100-Kristallorientierung genau zu charakterisieren, um hierauf basierend die Weiterverarbeitung des Substrats 110 festzulegen. In Betracht kommt zum Beispiel das Ermitteln eines Anteils bzw. Flächenanteils des Siliziumsubstrats 110 mit der 100-Kristallorientierung. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, weitere Informationen, beispielsweise über die örtliche Verteilung der 100-Kristallorientierung, zu gewinnen.
Die zu diesem Zweck einsetzbare Vorrichtung 170 ist dahingehend ausgebildet, eine Untersuchung des drahtgesägten Siliziumsubstrats 110 im Durchlichtverfahren mit Infrarotstrahlung 190 des nahen Infrarotbereichs durchzuführen. Für die Infrarotstrahlung 190 können zum Beispiel Wellenlängen im Bereich von 800 nm bis 1200 nm in Betracht kommen. Bei der Vorrichtung 170 und dem mit der Vorrichtung 170 durchführbaren Verfahren wird ausgenutzt, dass die verwendete Infrarotstrahlung 190 beim Durchgang durch das Substrat 110 abhängig von den vorliegenden Kristallorientierungen unterschiedlich stark abgeschwächt bzw. absorbiert wird. Die unterschiedliche Abschwächung beruht darauf, dass das Substrat 110 infolge des Drahtsägens Sägeschäden an den Hauptseiten (Vorderseite 111, Rückseite 112) aufweist, wobei die Sägeschäden abhängig von der Kristallorientierung unterschiedlich ausgeprägt sind. Die unterschiedlichen, kristallorientierungsabhängigen Sägeschäden bewirken eine unterschiedliche Abschwächung der durchtretenden Infrarotstrahlung 190, was insbesondere bei dem nahen Infrarotbereich relativ deutlich ausgeprägt ist. Dadurch ist es möglich, eine bestimmte Kristallorientierung des sägeschadenbehafteten Substrats 110, vorliegend die 100-Orientierung, von anderen Kristallorientierungen zu unterscheiden, so dass die betreffende Kristallorientierung auf zuverlässige und genaue Weise charakterisiert werden kann.
Die Vorrichtung 170 weist wie in 1 gezeigt eine Bestrahlungseinrichtung 171 auf, mit deren Hilfe das Siliziumsubstrat 110 bzw. eine Hauptfläche desselben mit der Infrarotstrahlung 190 bestrahlt werden kann (Schritt 201 in 2). Des Weiteren weist die Vorrichtung 170 eine Erfassungseinrichtung 172 auf, mit deren Hilfe der Anteil der durch das Substrat 110 transmittierten und an der anderen bzw. entgegen gesetzten Hauptfläche austretenden Infrarotstrahlung 190 ortsaufgelöst erfasst werden kann (Schritt 202 in 2). Über die Erfassungseinrichtung 172 kann eine Strahlungsintensität der transmittierten Strahlung 190 gemessen werden. Dabei kann jeweils die das Substrat 110 direkt passierende Infrarotstrahlung 190 gemessen werden (Hellfeldbelichtung).
Die Bestrahlungseinrichtung 171 kann zum Beispiel ausgebildet sein, das Siliziumsubstrat 110 über dessen gesamte Fläche zu bestrahlen. In gleicher Weise kann die Erfassungseinrichtung 172 zum flächigen Erfassen der das gesamte Substrat 110 durchtretenden Infrarotstrahlung 190 ausgebildet sein. Möglich ist es jedoch auch, dass die Bestrahlungseinrichtung 171 für ein abschnittsweises, insbesondere zeilenweises Bestrahlen des Siliziumsubstrats 110 ausgebildet ist. In gleicher Weise kann die Erfassungseinrichtung 172 dazu vorgesehen sein, die transmittierte Strahlung 190 abschnitts- bzw. zeilenweise zu erfassen. Um auch bei einem abschnittsweisen Bestrahlen und/oder Erfassen ein Durchstrahlen der gesamten Substratfläche und Erfassen der die gesamte Substratfläche passierenden Infrarotstrahlung 190 zu ermöglichen, ist bei solchen Ausgestaltungen vorgesehen, das Substrat 110, eine der beiden Einrichtungen 171, 172 und/oder beide Einrichtungen 171, 172 entsprechend zu bewegen. Beispielsweise können die beiden Einrichtungen 171, 172 ortsfest sein, und kann das Substrat 110 mit Hilfe einer geeigneten Halteeinrichtung lateral bewegt werden.
Die Bestrahlungseinrichtung 171 kann zum Beispiel eine oder mehrere, zum Aussenden der Infrarotstrahlung 190 ausgebildete Halogenlampen umfassen. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann die Bestrahlungseinrichtung 171 zum Beispiel eine Anordnung aus Infrarotstrahlung 190 emittierenden Leuchtdioden umfassen. Die dazugehörige Erfassungseinrichtung 172 kann zum Beispiel in Form einer geeigneten Kamera bzw. in Form einer entsprechenden Detektoranordnung ausgebildet sein. Des Weiteren kann die Erfassungseinrichtung 172 einen optischen Filter umfassen, um lediglich Strahlung 190 aus dem vorgesehenen (Nah-)Infrarotbereich zu erfassen.
Die Vorrichtung 170 weist darüber hinaus, wie in 1 gezeigt ist, eine Auswerteeinrichtung 173 auf, mit deren Hilfe die erfasste transmittierte Infrarotstrahlung 190 ausgewertet werden kann (Schritt 203 in 2). Im Rahmen der Auswertung ist vorgesehen, eine bestimmte Kristallorientierung des drahtgesägten Siliziumsubstrats 110, vorliegend die 100-Kristallorientierung, zu charakterisieren.
Eine solche, mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 173 im Rahmen des Schritts 203 durchführbare Charakterisierung wird im Folgenden anhand von zwei untersuchten Siliziumsubstraten 110 näher erläutert. Die Bereitstellung dieser Substrate 110 erfolgte in der oben beschriebenen Weise (d. h. durch Gießen, gefolgt von Zerteilen bzw. Drahtsägen), so dass die Hauptflächen die 100-Kristallorientierung aufweisen.
Anhand der 3 bis 5 wird zunächst die Untersuchung bzw. Auswertung für ein erstes Siliziumsubstrat 110 beschrieben. Dabei kann, wie in 3 gezeigt ist, die durch das Substrat 110 transmittierte und ortsaufgelöst gemessene Infrarotstrahlung 190 in ein Transmissionsbild 210 umgesetzt werden. Das Transmissionsbild 210 kann auf einer Anzeigeeinrichtung dargestellt werden, welche der Auswerteeinrichtung 173 zugeordnet ist oder welche mit dieser verbunden ist (nicht dargestellt). Das Transmissionsbild 210 zeigt unterschiedliche gemessene Strahlungsintensitäten der Strahlung 190 in Form von unterschiedlichen Helligkeiten. Die Helligkeiten können in Form von Grauwerten veranschaulicht sein, was in 3 in binärer Form mit gepunkteten Bereichen angedeutet ist. Die unterschiedlichen Strahlungsintensitäten in dem Transmissionsbild 210 rühren von einer unterschiedlichen Abschwächung bzw. Absorption der Infrarotstrahlung 190 an den Hauptflächen des gemessenen Substrats 110 her, und hängen daher mit den jeweils vorliegenden Kristallorientierungen zusammen.
Für die Auswertung kann des Weiteren eine auf die durchstrahlte Fläche des Substrats 110 bezogene Häufigkeitsverteilung der unterschiedlichen Strahlungsintensitäten gebildet werden, wie in 4 anhand eines dazugehörigen Histogramms 220 veranschaulicht ist. Das Histogramm 220 kann ebenfalls auf der oben erwähnten Anzeigeeinrichtung der Vorrichtung 170 dargestellt werden. In dem Histogramm 220 ist die Häufigkeit bzw. Anzahl A der unterschiedlichen, ortsaufgelöst erfassten Intensitäten gezeigt, wobei die Intensitäten als Grauwerte G dargestellt sind. Hierbei wurde eine Grauwertskala von 0 bis 255 zugrunde gelegt. Das Histogramm 220 weist einen ersten Peak 221, und einen zweiten kleineren Peak 222 auf.
Durch Auswerten der Häufigkeitsverteilung bzw. des entsprechenden Histogramms 220 ist es möglich, den auf die Substratfläche bezogenen Anteil der 100-Kristallorientierung mit einer hohen Schnelligkeit und Genauigkeit zu ermitteln. Dadurch wird eine „Inline”-Verwendung des Verfahrens begünstigt.
In dem gesamten Histogramm 220 sind die Häufigkeiten sämtlicher unterschiedlicher Strahlungsintensitäten, und damit sämtlicher Kristallorientierungen, enthalten. Diese Häufigkeit, welche im Folgenden als Gesamthäufigkeit bezeichnet wird, kann durch Aufsummieren sämtlicher Häufigkeiten A des Histogramms 220, also durch Integrieren der gesamten Häufigkeitsverteilung, ermittelt werden.
Basierend auf dem Histogramm 220 kann ferner die Häufigkeit von Strahlungsintensitäten ermittelt werden, welche lediglich Substratbereichen mit der 100-Kristallorientierung zugeordnet sind. Diese Häufigkeit wird im Folgenden als Teilhäufigkeit bezeichnet. Der Flächenanteil des untersuchten Substrats 110 mit der 100-Kristallorientierung kann daher durch Bilden des Verhältnisses aus der Teilhäufigkeit und der Gesamthäufigkeit ermittelt werden. Dies setzt voraus, bestimmte, mit der 100-Kristallorientierung in Beziehung stehende Strahlungsintensitäten zu identifizieren, um die Teilhäufigkeit bestimmen zu können.
Für das Zuordnen von Strahlungsintensitäten zu Substratbereichen mit der 100-Kristallorientierung können unterschiedliche Methoden angewendet werden. Eine mögliche zuverlässige Vorgehensweise ist das Durchführen einer Kalibrierungsmessung. In der Kalibrierungsmessung kann ein einkristallines drahtgesägtes Referenzsubstrat oder ein Teil eines solchen Substrats gemessen werden, bei dem das Vorliegen der zu kalibrierenden Kristallorientierung, also vorliegend der 100-Orientierung, an den Hauptflächen bekannt ist oder angenommen werden kann. Die Messung erfolgt in der oben beschriebenen Weise mit Hilfe der Vorrichtung 170, indem das Referenzsubstrat mit Hilfe der Bestrahlungseinrichtung 171 mit Infrarotstrahlung 190 bestrahlt wird, und die transmittierte Infrarotstrahlung 190 mit Hilfe der Erfassungseinrichtung 172 erfasst wird. Hierauf basierend können gemessene Intensitäten mit der betreffenden Kristallorientierung verknüpft werden. Auf der Grundlage des Histogramms 220 können die Häufigkeiten dieser Strahlungsintensitäten aufsummiert bzw. integriert werden, um die Teilhäufigkeit zu ermitteln.
Die Kalibrierungsmessung kann zum Beispiel bei jedem zu untersuchenden Substrat 110, insbesondere gleichzeitig mit dem jeweils zu untersuchenden Substrat 110 erfolgen. Möglich ist es auch, die Kalibrierungsmessung nur zeitweise bzw. punktuell, und daher nicht bei jedem zu untersuchenden Substrat 110 durchzuführen.
Eine weitere Möglichkeit, gemessene Intensitäten der Infrarotstrahlung 190 Bereichen des Substrats 110 mit der 100-Kristallorientierung zuzuordnen, und hierauf basierend die gesuchte Teilhäufigkeit zu ermitteln, kann anhand der Häufigkeitsverteilung bzw. anhand des Histogramms 220 selbst erfolgen, indem die hier vorliegenden Scheitelwerte bzw. Peaks berücksichtigt werden. Es kann zum Beispiel zugrunde gelegt werden, dass ein mit der gesuchten Kristallorientierung zusammenhängender Peak jeweils an der gleichen Stelle des Histogramms 220 abgebildet wird. Dies gilt zumindest in relativer Hinsicht, also in Bezug auf die Form des Histogramms 220 oder in Bezug auf einen oder mehrere andere Peaks. Hinsichtlich der 100-Kristallorientierung ist dies ein Peak bei den niedrigsten Grauwerten G, also vorliegend der Peak 221. Bereiche mit der 100-Kristallorientierung führen demnach zur größten Abschwächung bzw. Absorption der Infrarotstrahlung 190.
Sofern die Messung unterschiedlicher Substrate 110 jeweils mit übereinstimmenden Messbedingungen (insbesondere gleiche Intensität der von der Bestrahlungseinrichtung 171 abgegebenen Infrarotstrahlung 190) durchgeführt wird, kann der betreffende Peak 221 jeweils bei denselben Grauwerten G zu liegen kommen. Bei dem Histogramm 220 von 4 sind dies Grauwerte G im Bereich von 120 bzw. 125. Dies ist ebenfalls der Fall bei dem weiter unten beschriebenen, in 7 gezeigten Histogramm 260 eines anderen untersuchten Substrats 110.
Durch Durchführen einer Peaksuche, insbesondere um den betreffenden Intensitäts- bzw. Grauwertbereich, einer Peakentfaltung zum Separieren des Peaks 221, und Integrieren des separierten Peaks 221 kann auf diese Weise die gesuchte Teilhäufigkeit ermittelt werden. Der Flächenanteil des betreffenden Substrats 110 mit der 100-Kristallorientierung kann durch Berechnung des (prozentualen) Anteils der Teilhäufigkeit an der Gesamthäufigkeit bzw. durch Bilden des Verhältnisses aus der Teilhäufigkeit und der Gesamthäufigkeit ermittelt werden.
Bei dem vorliegend untersuchten Substrat 110 mit dem Transmissionsbild 210 von 3 wurde das Ermitteln der Teilhäufigkeit mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Peaksuche, Peakentfaltung, und Integration des separierten Peaks 221 durchgeführt. Hierauf basierend wurde als prozentualer Anteil der 100-Kristallorientierung der Wert 77,2% ermittelt.
Es kann ferner in Betracht kommen, die oben beschriebene Kalibrierung gemeinsam mit dem peakbasierten Ermitteln der Teilhäufigkeit durchzuführen. Beispielsweise kann die Kalibrierung zur Verbesserung oder Verifizierung der Peaksuche herangezogen werden.
Neben dem Ermitteln des Flächenanteils kann die Auswertung der erfassten Infrarotstrahlung 190 auch dahingehend durchgeführt werden, dass zusätzlich oder alternativ eine örtliche Verteilung der 100-Kristallorientierung über die Fläche des untersuchten Siliziumsubstrats 110 ermittelt wird. In Bezug auf das vorliegend untersuchte Substrat 110 mit dem Transmissionsbild 210 von 3 ist eine solche örtliche Verteilung anhand des modifizierten Transmissionsbilds 230 von 5 veranschaulicht. Hierbei sind Substratbereiche mit der 100-Kristallorientierung weiß dargestellt, wohingegen Substratbereiche mit anderen Kristallorientierungen (und ein Bereich um das Substrat 110 herum) schwarz dargestellt sind.
Das ebenfalls auf der Anzeigeeinrichtung der Vorrichtung 170 darstellbare Transmissionsbild 230 von 5 ist auf der Grundlage des Transmissionsbilds 210 von 3 erstellt, wobei Substratbereiche mit der 100-Kristallorientierung – basierend auf der oben beschriebenen Zuordnung bzw. Verknüpfung von Strahlungsintensitäten – gegenüber anders orientierten Substratbereichen hervorgehoben sind. Anhand der dargestellten Verteilung kann bereits im Vorfeld erkannt werden, welche Bereiche des Substrats 110 für den Fall eines Durchführens eines alkalischen Ätzprozesses texturiert werden, d. h. vorliegend die weiß dargestellten, 100-orientierten Bereiche.
Das mit der Vorrichtung 170 von 1 durchführbare Verfahren bietet die Möglichkeit, die 100-Kristallorientierung mit einer hohen Genauigkeit zu charakterisieren. Insbesondere kann der gesamte Anteil der 100-Kristallorientierung einer Substratfläche erfasst werden. Bei einem herkömmlichen Verfahren wird ein zu untersuchendes Substrat mit sichtbarem Licht bestrahlt, ein Auflichtbild erzeugt, und lediglich die größte Fläche mit einer gleichmäßigen Helligkeit als Bereich bzw. Korn mit der 100-Kristallorientierung berücksichtigt und ausgemessen. Der Anteil des größten Korns ist jedoch nicht allein entscheidend für den Wirkungsgrad einer Solarzelle mit alkalisch erzeugter Textur. Wie anhand des Transmissionsbilds 230 des untersuchten Substrats 110 von 5 deutlich wird, können neben einem größten Korn bzw. Substratbereich mit 100-Kristallorientierung noch weitere 100-orientierte Bereiche vorliegen, welche ebenfalls alkalisch texturierbar sind.
Des Weiteren wird bei dem herkömmlichen Ansatz lediglich angenommen, dass das größte Korn eine 100-Kristallorientierung aufweist. Eine direkte Verknüpfung bzw. Zuordnung mit der 100-Orientierung, wie sie bei dem hier beschriebenen Verfahren anhand der Strahlungsintensitäten erfolgt, ist hingegen nicht vorgesehen. Dadurch kann das Problem bestehen, dass gegebenenfalls ein Korn mit einer anderen Kristallorientierung als größtes Korn identifiziert wird, wodurch ein falscher Anteil der 100-Kristallorientierung ermittelt wird. Dieser Fall kann zum Beispiel bei Substraten auftreten, welche aus einem Randbereich eines Siliziumblocks hervorgehen.
Aufgrund der bei dem Untersuchungsverfahren angewendeten Verknüpfung von gemessenen Strahlungsintensitäten mit der 100-Kristallorientierung kann ein solches Problem vermieden werden. Auf diese Weise kann das Verfahren ferner dahingehend verwendet werden, Fehler bei dem Bereitstellen eines drahtgesägten Siliziumsubstrats 110 zuverlässig zu erkennen. Beispielsweise könnte im Hinblick auf die oben beschriebenen Vertikalwafer ein Verdrehen einer Säule vor einem Drahtsägeprozess erkannt werden.
Die 6 bis 8 veranschaulichen die mit der Auswerteeinrichtung 173 durchführbare Auswertung eines zweiten drahtgesägten Siliziumsubstrats 110. Dabei können die gleichen Schritte wie bei der anhand der 3 bis 5 beschriebenen Auswertung durchgeführt werden. In Bezug auf Details, welche sich auf gleichartige oder übereinstimmende Komponenten und Merkmale, mögliche Vorteile usw. beziehen, wird daher auf die obige Beschreibung verwiesen.
6 zeigt ein Transmissionsbild dieses Substrats 110, welches erneut durch Umsetzen der ortsaufgelöst erfassten, transmittierten Infrarotstrahlung 190 gewonnen wurde. Hierbei sind unterschiedliche Strahlungsintensitäten in Form von unterschiedlichen Grauwerten veranschaulicht (in 6 in binärer Form mit gepunkteten Bereichen angedeutet).
7 zeigt ein dazugehöriges Histogramm 260, welches die auf die durchstrahlte Fläche des Substrats 110 bezogene Häufigkeitsverteilung der erfassten unterschiedlichen Strahlungsintensitäten veranschaulicht. Das Histogramm 260 weist erneut einen ersten Peak 221, und einen kleineren zweiten Peak 222 auf.
Die Häufigkeitsverteilung bzw. das Histogramm 260 kann in gleicher Weise dazu verwendet werden, den auf die Fläche des untersuchten Substrats 110 bezogenen Anteil der 100-Kristallorientierung zu ermitteln. Durch Aufsummieren sämtlicher Häufigkeiten A des Histogramms 260, also durch Integrieren der gesamten Häufigkeitsverteilung, kann die sich auf sämtliche Kristallorientierungen beziehende Gesamthäufigkeit ermittelt werden. Durch Ermitteln der Teilhäufigkeit von Strahlungsintensitäten, welche lediglich mit Substratbereichen mit der 100-Kristallorientierung verknüpft sind, und Bilden des Verhältnisses aus der Teilhäufigkeit und der Gesamthäufigkeit, kann der Flächenanteil mit der 100-Kristallorientierung erfasst werden.
Dies kann auf der Grundlage einer Kalibrierungsmessung erfolgen, um gemessene Strahlungsintensitäten mit der 100-Kristallorientierung zu verknüpfen. Durch Integrieren der Häufigkeiten A dieser Strahlungsintensitäten in dem Histogramm 260 kann die Teilhäufigkeit ermittelt werden.
Des Weiteren kann das Ermitteln der Teilhäufigkeit anhand des Histogramms 260 selbst erfolgen, indem der Peak 221 mit den niedrigsten Grauwerten G berücksichtigt wird. Durch Durchführen einer Peaksuche, vorliegend erneut um den Grauwertbereich um 120, einer Peakentfaltung zum Separieren des Peaks 221, und Integrieren des separierten Peaks 221 kann die gesuchte Teilhäufigkeit ermittelt werden.
Bei dem Substrat 110 mit dem Transmissionsbild 210 von 6 wurde das Ermitteln der Teilhäufigkeit mit der vorstehend beschriebenen Methode (Peaksuche, Peakentfaltung, Integration des separierten Peaks 221) durchgeführt. Hierauf basierend wurde als prozentualer Anteil der 100-Kristallorientierung der Wert 95,6% ermittelt.
Auch bei dem zweiten Substrat 110 wurde basierend auf dem Transmissionsbild 250 von 6 und der Zuordnung von Strahlungsintensitäten mit Substratbereichen mit der 100-Kristalllorientierung ein modifiziertes Transmissionsbild 270 erstellt, welches in 8 dargestellt ist. Das Transmissionsbild 270 zeigt die in weiß hervorgehobenen Substratbereiche mit der 100-Kristallorientierung gegenüber anders orientierten Substratbereichen, und damit die Verteilung der 100-Kristallorientierung über die Substratfläche.
Anhand des Transmissionsbildes 270 von 8 wird erneut der Vorteil des hier beschriebenen Untersuchungsverfahrens gegenüber dem herkömmlichen Ansatz (Ausmessen des größten Korns im Auflichtbild) deutlich. Das gezeigte Substrat 110 weist zwei relativ große, voneinander getrennte Substratbereiche bzw. Körner mit 100-Kristallorientierung auf. Dies kann zum Beispiel aufgrund eines Keimstoßes oder Zwillingswachstums verursacht sein. Ein Durchführen des herkömmlichen Verfahrens hätte zur Folge, nur eines dieser Körner zu berücksichtigen, und dadurch einen viel zu kleinen Anteil der 100-Kristallorientierung zu ermitteln.
Das mit der Vorrichtung 170 von 1 durchgeführte Untersuchungsverfahren kann beispielsweise dazu verwendet werden, um drahtgesägte Siliziumsubstrate 110 zu klassifizieren und infolgedessen die Weiterverarbeitung derselben festzulegen. Dies wird im Folgenden anhand des in 9 gezeigten Ablaufdiagramms eines Verfahrens zum Herstellen einer Solarzelle 100 näher beschrieben. Ergänzend ist in 10 ausschnittsweise eine solche Solarzelle 100 veranschaulicht.
Bei dem Herstellungsverfahren wird in einem Schritt 301 ein drahtgesägtes Siliziumsubstrat 110 bereitgestellt. Hierfür können die oben beschriebenen Prozesse, d. h. Durchführen eines Quasi-Mono-Verfahrens zum Erzeugen eines (überwiegend) einkristallinen Siliziumblocks und Zerteilen desselben durch Drahtsägen, durchgeführt werden.
In einem weiteren Schritt 302 wird das drahtgesägte Siliziumsubstrat 110 wie oben beschrieben mit Hilfe der Vorrichtung 170 einer Untersuchung unterzogen. Hierbei können der Anteil der 100-Kristallorientierung und/oder deren örtliche Verteilung über die Substratfläche ermittelt werden. Abhängig von der Untersuchung kann das Substrat 110 klassifiziert und die weitere Prozessierung des Substrats 110 entsprechend festgelegt werden.
Bei dem beispielhaften Ablaufdiagramm von 9 ist eine Einteilung in drei unterschiedliche Klassen vorgesehen. Die Einteilung kann zum Beispiel durch einen Vergleich des erfassten Anteils der 100-Kristallorientierung mit einem oder mehreren Grenzwerten, sowie durch Berücksichtigung der örtlichen Verteilung erfolgen.
Bei einem hohen Anteil der 100-Kristallorientierung über einem ersten vorgegebenen Grenzwert (beispielsweise 80% Flächenanteil) sowie einer als gut eingestuften örtlichen Verteilung kann zum Beispiel ein Zuweisen des Substrats 110 zu einer ersten Klasse erfolgen, in welcher ein aklkalisches Texturieren des Substrats 110 erfolgt (Schritt 311). Bei einem Anteil der 100-Kristallorientierung unterhalb des ersten vorgegebenen Grenzwerts und/oder einem Vorliegen einer als schlecht eingestuften örtlichen Verteilung kann ein Zuweisen des Substrats 110 zu einer zweiten Klasse erfolgen, in welcher ein saures Texturieren des Substrats 110 erfolgt (Schritt 312). Des Weiteren ist es möglich, dass im Rahmen der Untersuchung festgestellt wird, dass der Anteil der 100-Kristallorientierung unterhalb eines zweiten (kleinen) Grenzwerts liegt bzw. dass die örtliche Verteilung als relativ schlecht bewertet wird. Dies führt zu einem Zuordnen des Substrats 110 zu einer dritten Klasse, in welcher das Substrat 110 aussortiert wird (Schritt 313).
Die oben beschriebene Einteilung dient lediglich der beispielhaften Erläuterung und kann daher gegebenenfalls modifiziert werden. Insbesondere ist es denkbar, mehr als drei unterschiedliche Klassen vorzusehen, so dass beispielsweise zum sauren Texturieren vorgesehene Substrate 110 in unterschiedliche Klassen eingeteilt werden. Dies kann in gleicher Weise für zum alkalischen Texturieren vorgesehene Substrate 110 in Betracht kommen.
Nach dem alkalischen oder saueren Texturieren des (nicht aussortierten) Substrats 110, bei dem gleichzeitig ein Sägeschaden entfernt werden kann, werden weitere Prozesse zur Fertigstellung der in 10 ausschnittsweise dargestellten Solarzelle 100 durchgeführt. Diese Prozesse sind in dem Ablaufdiagramm von 9 in einem Schritt 320 zusammengefasst.
Hierzu gehört das Ausbilden eines p-n-Übergangs in dem Siliziumsubstrat 110, wodurch eine Struktur aus einer Basis 116 und einem Emitter 115 vorliegt. Im Rahmen des Schritts 320 wird des Weiteren die (texturierte) Vorderseite 111 des Substrats 110, über welche eine Bestrahlung der Solarzelle 100 erfolgen kann, mit einer Antireflexionsschicht 121 versehen. Darüber hinaus wird die Solarzelle 100 mit Kontaktstrukturen ausgebildet. Hierunter fallen fingerartige Vorderseitenkontakte 131 an der Vorderseite 111, welche sich durch die Antireflexionsschicht 121 zu dem Substrat 110 hin erstrecken. An der entgegen gesetzten Rückseite 112 des Substrats 110 wird ein flächiger Rückseitenkontakt 112 ausgebildet.
Die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen bzw. Kombinationen von Merkmalen umfassen können.
Es ist zum Beispiel möglich, obige Zahlenangaben (zum Beispiel zur Größe der verwendeten Grauwertskala, zu dem Grauwertbereich für den Peak 221, zu einem Grenzwert für die Auswahl eines Texturierungsprozesses, usw.) durch andere Angaben zu ersetzen. Ferner können zum Herstellen einer Solarzelle 100 weitere als die oben beschriebenen Prozesse durchgeführt werden, und kann eine Solarzelle 100 weitere als die oben beschriebenen Strukturen, oder auch einen von 10 abweichenden Aufbau aufweisen.
Des Weiteren kann in Betracht kommen, anhand einer erfassten transmittierten Infrarotstrahlung 190 eine andere Kristallorientierung als die 100-Kristallorientierung eines drahtgesägten Siliziumsubstrats 110 zu charakterisieren. Hierbei kann ebenfalls vorgesehen sein, einen Flächenanteil und/oder eine örtliche Verteilung dieser Kristallorientierung nach den oben aufgezeigten Ansätzen zu ermitteln. Insbesondere kann vorgesehen sein, eine Häufigkeitsverteilung gemessener Strahlungsintensitäten zu erstellen, durch Integrieren der gesamten Häufigkeitsverteilung eine Gesamthäufigkeit zu berechnen, eine mit der betreffenden Kristallorientierung zusammenhängende Teilhäufigkeit von Strahlungsintensitäten zu ermitteln (beispielsweise durch eine Peaksuche, Peakentfaltung und Integrieren der Häufigkeiten des Peaks), und das Verhältnis aus Teilhäufigkeit und Gesamthäufigkeit zu bilden. Basierend auf der Auswertung kann auch hier eine Weiterverarbeitung des Substrats 110 oder ein Aussortieren desselben festgelegt werden.
Möglich ist es ferner, mehrere unterschiedliche Kristallorientierungen gemäß den obigen Ansätzen zu charakterisieren.
Darüber hinaus wird auf die Möglichkeit hingewiesen, das Untersuchen eines drahtgesägten Substrats 110 zu dem Zweck durchzuführen, etwaige Fehler beim Bereitstellen des Substrats 110 zu erkennen. Hierunter fällt das erwähnte Erkennen eines Verdrehens einer Säule bei Vertikalwafern. Möglich ist es ferner, das Untersuchungsverfahren zum Beispiel zum Verbessern eines zugrundeliegenden Kristallisations- bzw. Gießverfahrens einzusetzen.
Dieser Fall kann zum Beispiel für drahtgesägte polykristalline Siliziumsubstrate in Betracht kommen, welche ebenfalls gemäß den obigen Ansätzen untersucht werden können. Hierbei kann in Betracht kommen, die 111-Kristallorientierung zu charakterisieren bzw. deren Anteil an der Substratfläche zu ermitteln. Die 111-Kristallorientierung kann sich zum Beispiel als Peak mit den höchsten Strahlungsintensitäten der erfassten Infrarotstrahlung 190 (Grauwerten) in einer Häufigkeitsverteilung bzw. einem dazugehörigen Histogramm äußern. Hierbei kann in gleicher Weise eine Teilhäufigkeit der 111-Kristallorientierung ermittelt werden (beispielsweise durch Peaksuche, Peakentfaltung, Integration des separierten Peaks), und ins Verhältnis mit der Gesamthäufigkeit (Summe bzw. Integral der Häufigkeiten sämtlicher Strahlungsintensitäten) gesetzt werden, um den Anteil der 111-Kristallorientierung zu ermitteln.
Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass es sich bei der in 1 skizzierten Vorrichtung 170 um eine Vorrichtung handeln kann, welche zum Untersuchen von Defekten eines drahtgesägten Siliziumsubstrats 110 im Durchlichtverfahren mit Infrarotstrahlung 190 einsetzbar ist. Die Auswerteeinrichtung 173 kann hierbei dazu ausgebildet sein, um u. a. Transmissionsbilder untersuchter Substrate 110 zum Veranschaulichen von Kristalldefekten zu erzeugen, Defektdichten zu berechnen, usw. Das hier beschriebene Untersuchungsverfahren zum Charakterisieren einer bestimmten Kristallorientierung kann in dieser Hinsicht als zusätzliche Funktionalität in der Vorrichtung 170 bzw. in deren Auswerteeinrichtung 173 integriert sein.
Bezugszeichenliste

100: Solarzelle
110: Substrat
111: Vorderseite
112: Rückseite
115: Basis
116: Emitter
121: Antireflexionsschicht
131: Vorderseitenkontakt
132: Rückseitenkontakt
170: Vorrichtung
171: Bestrahlungseinrichtung
172: Erfassungseinrichtung
173: Auswerteeinrichtung
190: Infrarotstrahlung
201, 202: Verfahrensschritt
203: Verfahrensschritt
210: Transmissionsbild
220: Histogramm
221, 222: Peak
230: Transmissionsbild
250: Transmissionsbild
260: Histogramm
270: Transmissionsbild
301, 302: Verfahrensschritt
311, 312: Verfahrensschritt
313, 320: Verfahrensschritt
A: Anzahl/Häufigkeit
G: Grauwert

Claims

Verfahren zum Untersuchen eines drahtgesägten Siliziumsubstrats (110) für eine Solarzelle (100), umfassend die Verfahrensschritte: Bestrahlen des Siliziumsubstrats (110) mit einer Infrarotstrahlung (190); Erfassen der durch das Siliziumsubstrat (110) transmittierten Infrarotstrahlung (190); und Auswerten der erfassten Infrarotstrahlung (190), wobei eine bestimmte Kristallorientierung des Siliziumsubstrats (110) charakterisiert wird, welche sich von anderen Kristallorientierungen durch eine unterschiedliche Abschwächung der transmittierten Infrarotstrahlung unterscheidet, wobei die Abschwächung abhängig ist von einem Sägeschaden des Siliziumsubstrats (110), und wobei der Sägeschaden abhängig ist von der Kristallorientierung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Anteil einer Fläche des Siliziumsubstrats (110) mit der bestimmten Kristallorientierung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine auf eine Fläche des Siliziumsubstrats (110) bezogene Häufigkeitsverteilung (220, 260) von unterschiedlichen Intensitäten der erfassten Infrarotstrahlung (190) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine auf eine Fläche des Siliziumsubstrats (110) bezogene Gesamthäufigkeit von unterschiedlichen Intensitäten der erfassten Infrarotstrahlung (190) ermittelt wird, wobei eine weitere Häufigkeit von Intensitäten der erfassten Infrarotstrahlung (190) ermittelt wird, welche Bereichen des Siliziumsubstrats (110) mit der Kristallorientierung zugeordnet sind, und wobei das Verhältnis aus der weiteren Häufigkeit und der Gesamthäufigkeit gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Zuordnen zwischen der bestimmten Kristallorientierung und Intensitäten der erfassten Infrarotstrahlung (190) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Zuordnen auf der Grundlage eines Scheitelwerts (221) in einer Häufigkeitsverteilung (220, 260) von unterschiedlichen Intensitäten der erfassten Infrarotstrahlung (190) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das Zuordnen auf der Grundlage einer Kalibrierungsmessung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine örtliche Verteilung (230, 270) der bestimmten Kristallorientierung über eine Fläche des Siliziumsubstrats (110) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Siliziumsubstrat (110) eine monokristalline Kristallstruktur aufweist, und wobei die bestimmte Kristallorientierung eine 100-Kristallorientierung ist.
Vorrichtung (170) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend: eine Bestrahlungseinrichtung (171) zum Bestrahlen eines drahtgesägten Siliziumsubstrats (110) für eine Solarzelle (100) mit einer Infrarotstrahlung (190); eine Erfassungseinrichtung (172) zum Erfassen der durch das Siliziumsubstrat (110) transmittierten Infrarotstrahlung (190); und eine Auswerteeinrichtung (173) zum Auswerten der erfassten Infrarotstrahlung (190), um eine bestimmte Kristallorientierung des Siliziumsubstrats (110) zu charakterisieren, welche sich von anderen Kristallorientierungen durch eine unterschiedliche Abschwächung der transmittierten Infrarotstrahlung unterscheidet, wobei die Abschwächung abhängig ist von einem Sägeschaden des Siliziumsubstrats (110), und wobei der Sägeschaden abhängig ist von der Kristallorientierung.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Auswerteeinrichtung (173) ausgebildet ist, eine auf eine Fläche des Siliziumsubstrats (110) bezogene Häufigkeitsverteilung (220, 260) von unterschiedlichen Intensitäten der erfassten Infrarotstrahlung (190) zu bilden, und auf der Grundlage der Häufigkeitsverteilung (220, 260) einen Anteil einer Fläche des Siliziumsubstrats (110) mit der bestimmten Kristallorientierung zu ermitteln.
Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle (100), wobei ein drahtgesägtes Siliziumsubstrat (110) bereitgestellt wird, wobei das bereitgestellte Siliziumsubstrat (110) durch Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 untersucht wird, und wobei in Abhängigkeit der Untersuchung des Siliziumsubstrats (110) einer der folgenden Schritte durchgeführt wird: Ausbilden einer Oberflächentextur des Siliziumsubstrats (110) durch Durchführen eines alkalischen Ätzprozesses; Ausbilden einer Oberflächentextur des Siliziumsubstrats (110) durch Durchführen eines sauren Ätzprozesses; oder Aussortieren des Siliziumsubstrats (110).