DE102020100353B3 - Process for the production of a back-contacted solar cell and a back-contacted solar cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer rückseitenkontaktierten Solarzelle (10), wobei auf einer Rückseite (16) eines Halbleitersubstrats (12) eine Oberflächenstruktur mit einem Raster aus Spalten und orthogonal dazu verlaufenden Zeilen erzeugt wird, wobei in dem Raster eine Vielzahl von Erhebungen (18) und Vertiefungen (20) vorgesehen ist, welche derart angeordnet sind, dass sich sowohl im Verlauf entlang einer jeden Spalte, als auch im Verlauf entlang einer jeden Zeile jeweils Erhebungen und Vertiefungen abwechseln, wobei die Rückseite des Halbleitersubstrats derart dotiert wird, dass n-Typ-dotierte Bereiche (22) und p-Typ-dotierte Bereiche (24) erzeugt werden, welche sich jeweils entlang von Spalten des Rasters erstrecken, und dass entlang einer jeden Zeile betrachtet zumindest bereichsweise alle Erhebungen entweder ausschließlich n-Typ-dotierte Bereiche oder p-Typ-dotierte Bereiche umfassen, wobei Elektroden (30,32) zur elektrischen Kontaktierung der dotierten Bereiche erzeugt werden, wobei jede Elektrode entweder einem n-Typ-dotierten Bereich oder einem p-Typ-dotierten Bereich zugeordnet ist, und wobei Stromsammelschienen zur elektrischen Verbindung der Elektroden erzeugt werden, wobei die Stromsammelschienen derart ausgebildet sind, dass jede Stromsammelschiene nur Elektroden von Bereichen gleicher Dotierung verbindet. Die Erfindung betrifft außerdem eine rückseitenkontaktierte Solarzelle.The invention relates to a method for producing a rear-side-contacted solar cell (10), a surface structure with a grid of columns and rows running orthogonally being generated on a rear side (16) of a semiconductor substrate (12), a plurality of elevations ( 18) and depressions (20) are provided, which are arranged in such a way that elevations and depressions alternate both in the course along each column and in the course along each row, the rear side of the semiconductor substrate being doped in such a way that n -Type-doped regions (22) and p-type-doped regions (24) are generated, which each extend along columns of the grid, and that viewed along each row, at least in regions, all elevations are either exclusively n-type-doped regions or p-type doped regions, electrodes (30, 32) for making electrical contact with the doped Be rich are generated, each electrode being assigned to either an n-type doped region or a p-type doped region, and where busbars are produced for electrically connecting the electrodes, the busbars being designed such that each busbar only has electrodes Connects areas of the same doping. The invention also relates to a rear-side-contacted solar cell.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer rückseitenkontaktierten Solarzelle, sowie eine rückseitenkontaktierte Solarzelle.The invention relates to a method for producing a rear-side-contacted solar cell, as well as a rear-side-contacted solar cell.
Solarzellen dienen bekanntermaßen als photovoltaische Elemente zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Ladungsträger, die bei der Absorption von Licht in einem Halbleitersubstrat erzeugt werden, werden getrennt und in Bereiche unterschiedlicher Polarität geleitet, z.B. an einem pn-Übergang zwischen einem Emitterbereich, der einen ersten Dotierungstyp, bspw. n-Typ oder p-Typ, (zur Erzeugung einer ersten Polarität) aufweist, und einem Basisbereich, der einen entgegengesetzten Dotierungstyp (zur Erzeugung einer entgegengesetzten Polarität) aufweist. Solarzellen mit hochdotierten Schichten sind z. B. als HJT-Solarzellen (HJT = Hetero Junktion Technology), HIT-Solarzellen (HIT = Heterojunction with Intrinsic Thin layer), TOPCon-Solarzellen (TOPCon = Tunnel Oxide Passivated Contact) oder als POLO-Solarzellen (POLO = Polysilizium auf Oxid) Solarzellen bekannt. Über Emitterkontakte, die den Emitterbereich kontaktieren, und Basiskontakte, welche den Basisbereich kontaktieren, können die derart erzeugten und separierten Ladungsträger einem externen Stromkreis zugeführt werden.Solar cells are known to serve as photovoltaic elements for converting light into electrical energy. Charge carriers that are generated during the absorption of light in a semiconductor substrate are separated and directed into areas of different polarity, e.g. at a pn junction between an emitter area that has a first doping type, e.g. n-type or p-type (for Generation of a first polarity), and a base region, which has an opposite doping type (for generating an opposite polarity). Solar cells with highly doped layers are z. B. as HJT solar cells (HJT = Hetero Junction Technology), HIT solar cells (HIT = Heterojunction with Intrinsic Thin layer), TOPCon solar cells (TOPCon = Tunnel Oxide Passivated Contact) or as POLO solar cells (POLO = polysilicon on oxide) Known solar cells. The charge carriers generated and separated in this way can be fed to an external circuit via emitter contacts which contact the emitter region and base contacts which contact the base region.
Bekannt sind Solarzellen, bei denen Kontakte einer Polarität an der Vorderseite angeordnet sind und Kontakte der entgegengesetzten Polarität an der Rückseite angeordnet sind. Um Verluste, welche aus Abschattung durch die Kontakte an der Vorderseite resultieren, zu minimieren, wurden Rückkontaktsolarzellen entwickelt, bei denen beide Kontakttypen, d.h. die Emitterkontakte und die Basiskontakte, an einer Rückseite des Halbleitersubstrats angeordnet sind. Beispielsweise wurden Solarzellen entwickelt, auf deren Rückseitenoberfläche kammförmige, ineinander verschachtelte Metallkontakte (sog. „Kontaktfinger“ oder Elektroden) beider Polaritätstypen angeordnet sind. Derartige Solarzellen werden üblicherweise als IBC Solarzellen (interdigitated backcontact) bezeichnet.Solar cells are known in which contacts of one polarity are arranged on the front side and contacts of the opposite polarity are arranged on the rear side. In order to minimize losses resulting from shading by the contacts on the front side, rear contact solar cells have been developed in which both types of contact, i.e. the emitter contacts and the base contacts, are arranged on a rear side of the semiconductor substrate. For example, solar cells have been developed with comb-shaped, nested metal contacts (so-called “contact fingers” or electrodes) of both polarity types arranged on their rear surface. Such solar cells are usually referred to as IBC solar cells (interdigitated backcontact).
Bei solchen IBC-Solarzellen sind die Elektroden einer jeweiligen Polarität üblicherweise über eine oder mehrere Stromsammelschienen (Busbars) miteinander elektrisch verbunden, um die erzeugten Ladungsträger einem externen Stromkreis gesammelt zuzuführen. Diese Stromsammelschienen verlaufen orthogonal zu den Elektroden und müssen somit die Elektroden der anderen Polarität kreuzen. Um einen Kurzschluss zwischen Stromsammelschienen einer Polarität und den Elektroden der anderen Polarität zu vermeiden, ist es bekannt, die Elektroden an den Kreuzungen lokal zu unterbrechen. Eine solche Kontaktunterbrechung führt jedoch in der Regel zu Wirkungsgradverlusten der Solarzelle. Aus der
Davon ausgehend beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit der Aufgabe, eine kostengünstige Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen.On this basis, the present invention is concerned with the task of providing an inexpensive solar cell with a high degree of efficiency.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer rückseitenkontaktierten Solarzelle welches die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 1 umfasst, sowie durch eine rückseitenkontaktierte Solarzelle gemäß dem nebengeordneten Anspruch 14 gelöst.This object is achieved by a method for producing a rear-side-contacted solar cell, which comprises the method steps according to claim 1, as well as by a rear-side-contacted solar cell according to the
Gemäß dem Verfahren wird zunächst ein Halbleitersubstrat bereitgestellt, welches eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist. Insbesondere kann es sich bei dem Halbleitersubstrat um einen Silizium-Wafer handeln. In einem weiteren Schritt wird dann auf der Rückseite des Halbleitersubstrats eine Oberflächenstruktur in Form eines Rasters aus Spalten und orthogonal dazu verlaufenden Zeilen erzeugt, wobei in dem Raster eine Vielzahl von flächig erstreckten Erhebungen und Vertiefungen vorgesehen ist. Insofern wird auf der Rückseite des Halbleitersubstrats eine Oberflächenstruktur mit einer Vielzahl von bezüglich einer Referenzebene tiefer gelegenen Bereichen und bezüglich der Referenzebene höher gelegenen Bereichen erzeugt. Die Erhebungen und Vertiefungen sind dabei derart angeordnet, dass sich sowohl im Verlauf entlang einer jeden Spalte, als auch im Verlauf entlang einer jeden Zeile jeweils Erhebungen und Vertiefungen abwechseln. Mit anderen Worten wird auf der Rückseite des Halbleitersubstrats also eine Oberflächenstruktur umfassend eine Vielzahl von flächig erstreckten Erhebungen und Vertiefungen erzeugt, wobei sich Erhebungen und Vertiefungen sozusagen schachbrettmusterartig abwechseln. Es ist möglich, dass sich das Raster über die gesamte Erstreckung der Rückseite des Halbleitersubstrats erstreckt. Es ist auch möglich, dass sich das Raster nur über einen Teilbereich der Erstreckung der Rückseite des Halbleitersubstrats erstreckt.According to the method, a semiconductor substrate is first provided which has a front side and a rear side. In particular, the semiconductor substrate can be a silicon wafer. In a further step, a surface structure in the form of a grid of columns and rows running orthogonally thereto is then produced on the rear side of the semiconductor substrate, a plurality of flatly extending elevations and depressions being provided in the grid. In this respect, a surface structure is produced on the rear side of the semiconductor substrate with a multiplicity of regions that are lower with respect to a reference plane and regions that are higher with respect to the reference plane. The elevations and depressions are arranged in such a way that elevations and depressions alternate both in the course along each column and in the course along each row. In other words, a surface structure comprising a plurality of flatly extending elevations and depressions is produced on the rear side of the semiconductor substrate, elevations and depressions alternating, so to speak, in a checkerboard pattern. It is possible for the grid to extend over the entire extent of the rear side of the semiconductor substrate. It is also possible that the grid extends only over a partial area of the extent of the rear side of the semiconductor substrate.
Grundsätzlich können die Erhebungen und Vertiefungen beliebige Grundformen aufweisen. Bevorzugt ist jedoch, wenn die Erhebungen und Vertiefungen in Blickrichtung orthogonal auf die Rückseite der Solarzelle betrachtet eine quadratische oder rechteckige oder runde oder ovale Grundform aufweisen, also durch eine quadratische oder rechteckige oder runde oder ovale Kontur begrenzt sind.In principle, the elevations and depressions can have any basic shape. However, it is preferred if the elevations and depressions, viewed orthogonally on the rear side of the solar cell, have a square or rectangular or round or oval basic shape, that is to say are delimited by a square or rectangular or round or oval contour.
Gemäß dem Verfahren wird in einem weiteren Schritt die Rückseite des Halbleitersubstrats derart dotiert, dass Bereiche mit n-Typ-Dotierung (zur Erzeugung einer ersten Polarität) und Bereiche mit p-Typ-Dotierung (zur Erzeugung einer zweiten, entgegengesetzten Polarität) erzeugt werden. In Abhängigkeit einer Dotierung des Halbleitersubstrats bilden die dotierten Bereiche dann insbesondere entweder Emitterbereiche der Solarzelle oder ein sog. Back-Surface-Field. Die Dotierung kann beispielsweise mittels Laserdotierung erfolgen. Die Dotierung erfolgt gemäß dem Verfahren derart, dass sich die n-Typ-dotierten Bereiche und die p-Typ-dotierten Bereiche jeweils entlang von Spalten des Rasters erstrecken. Insbesondere erfolgt die Dotierung derart, dass sich die n-Typ-dotierten Bereiche und die p-Typ-dotierten Bereiche jeweils länglich, vorzugsweise linienförmig, entlang von Spalten des Rasters erstrecken, insbesondere entlang der gesamten Längserstreckung der jeweiligen Spalte. Insofern erstrecken sich die dotierten Bereiche vorzugsweise jeweils über mehrere Erhebungen und Vertiefungen im Verlauf entlang einer Spalte. Die dotierten Bereiche weisen dann im Verlauf entlang ihrer jeweiligen Längserstreckung periodische Höhenunterschiede auf. Vorzugsweise erfolgt eine Dotierung derart, dass sich n-Typ-dotierte Bereiche und p-Typ-dotierte Bereiche nicht berühren. Insofern ist eine jeweilige Breite der dotierten Bereiche, also eine Erstreckung orthogonal zu ihrer Längserstreckung, insbesondere geringer als eine Spaltenbreite des Rasters.According to the method, in a further step the rear side of the semiconductor substrate is doped in such a way that regions with n-type doping (for generating a first polarity) and regions with p-type doping (for generating a second, opposite polarity) are generated. Depending on the doping of the semiconductor substrate, the doped regions then in particular either form emitter regions of the solar cell or a so-called back surface field. The doping can take place, for example, by means of laser doping. According to the method, the doping takes place in such a way that the n-type doped regions and the p-type doped regions each extend along columns of the grid. In particular, the doping takes place in such a way that the n-type doped regions and the p-type doped regions each extend in an elongated, preferably linear manner, along columns of the grid, in particular along the entire longitudinal extent of the respective column. In this respect, the doped regions preferably each extend over a plurality of elevations and depressions in the course along a column. The doped regions then have periodic height differences in the course along their respective longitudinal extent. Doping is preferably carried out in such a way that n-type doped regions and p-type doped regions do not touch one another. In this respect, a respective width of the doped regions, that is to say an extension orthogonal to their longitudinal extension, is in particular less than a column width of the grid.
Die Dotierung erfolgt gemäß dem Verfahren ferner derart, dass entlang einer jeden Zeile des Rasters betrachtet zumindest bereichsweise, also zumindest über eine Teilmenge der Spalten einer Zeile hinweg, insbesondere aber über die gesamte Längserstreckung der Zeile hinweg, alle Erhebungen entweder ausschließlich n-Typ-dotierte Bereiche oder ausschließlich p-Typ-dotierte Bereiche umfassen. Insofern liegen entlang einer jeden Zeile betrachtet zumindest bereichsweise ausschließlich Bereiche mit gleicher Dotierung auf dem erhöhten Oberflächenniveau der Erhebungen. Dies schließt jedoch nicht aus, dass außerhalb des Rasters mit derart dotierten Bereichen weitere Rasterbereiche oder sonstige Materialüberstände vorhanden sind, welche keine oder eine andere Dotierung aufweisen.According to the method, doping is also carried out in such a way that viewed along each row of the grid, at least in regions, i.e. at least over a subset of the columns of a row, but in particular over the entire length of the row, all elevations are either exclusively n-type doped Areas or exclusively p-type doped areas. In this respect, viewed along each line, at least in certain areas, only areas with the same doping are located on the raised surface level of the elevations. However, this does not rule out the fact that outside the grid with areas doped in this way there are further grid areas or other material protrusions which have no doping or a different type of doping.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden dann Elektroden zur elektrischen Kontaktierung der dotierten Bereiche erzeugt. Die Elektroden werden dabei derart erzeugt, dass jede Elektrode entweder einem n-Typ-dotierten Bereich oder einem p-Typ-dotierten Bereich zugeordnet ist und nur diesen kontaktiert. Die Elektroden sind insbesondere dazu ausgebildet, die im Halbleitersubstrat am pn-Übergang zwischen Emitterbereich und Basis extrahierten Ladungsträger abzuführen. Vorzugsweise sind die Elektroden in Form von Metallelektroden ausgebildet. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Elektroden mittels Siebdruck oder Tintenstrahldruck hergestellt werden. Alternativ können die Elektroden auch galvanisch oder mittels physical-vapor-deposition (PVD) hergestellt werden.In a further step of the method, electrodes for making electrical contact with the doped regions are then produced. The electrodes are produced in such a way that each electrode is assigned either to an n-type doped area or a p-type doped area and only makes contact with this area. The electrodes are designed in particular to discharge the charge carriers extracted in the semiconductor substrate at the pn junction between the emitter region and the base. The electrodes are preferably designed in the form of metal electrodes. For example, it is conceivable that the electrodes are produced by means of screen printing or inkjet printing. Alternatively, the electrodes can also be produced galvanically or by means of physical vapor deposition (PVD).
Vorzugsweise erstrecken sich die Elektroden länglich, insbesondere linienförmig, entlang der Längserstreckung des ihnen zugeordneten dotierten Bereichs, also entlang von Spalten des Rasters. Insbesondere erstrecken sich die Elektroden über die gesamte Längserstreckung des ihnen zugeordneten dotierten Bereichs. Dabei erstrecken sich die Elektroden vorzugsweise über mehrere Erhebungen und Vertiefungen im Verlauf entlang einer Spalte. Die Elektroden folgen dabei dem Höhenprofil des darunterliegenden Halbleitersubstrats, sodass sich eine Höhe einer Elektrodenoberfläche im Verlauf entlang einer jeden Spalte periodisch ändert.The electrodes preferably extend elongated, in particular linearly, along the longitudinal extent of the doped region assigned to them, that is to say along columns of the grid. In particular, the electrodes extend over the entire longitudinal extent of the doped region assigned to them. In this case, the electrodes preferably extend over several elevations and depressions in the course along a column. The electrodes follow the height profile of the underlying semiconductor substrate, so that the height of an electrode surface changes periodically in the course along each column.
Dadurch, dass entlang einer jeden Zeile betrachtet zumindest abschnittsweise alle Erhebungen ausschließlich Bereiche mit gleicher Dotierung (also entweder n-Typ-Dotierung oder p-Typ-Dotierung) umfassen, liegen insofern entlang einer jeden Zeile betrachtet zumindest abschnittsweise ausschließlich Elektroden mit gleicher Polarität auf dem erhöhten Oberflächenniveau der Erhebungen. Dies ermöglicht es, die Elektroden gleicher Polarität auf einfache Weise entlang einer Zeile miteinander elektrisch zu verbinden und somit die durch die Elektroden abgeführten Ladungsträger einem externen Stromkreis gesammelt zuzuführen.Since, viewed along each line, at least in sections, all elevations exclusively comprise areas with the same doping (i.e. either n-type doping or p-type doping), only electrodes with the same polarity are located on the at least in sections along each line increased surface level of the elevations. This makes it possible to electrically connect the electrodes of the same polarity to one another in a simple manner along a row and thus to collectively feed the charge carriers removed by the electrodes to an external circuit.
Zu diesem Zweck werden in einem weiteren Schritt des Verfahrens Stromsammelschienen, sogenannte „Busbars“, erzeugt, welche derart ausgebildet sind, dass eine jede Stromsammelschiene entweder nur Elektroden von n-Typ-dotierten Bereichen, oder nur Elektroden von p-Typ-dotierten Bereichen verbindet. Die Stromsammelschienen sind insofern derart ausgebildet, dass eine jede Stromsammelschiene ausschließlich Elektroden der gleichen Polarität miteinander elektrisch verbindet. Insbesondere sind die Stromsammelschienen also derart angeordnet, dass sie auf dem Höhenniveau der Erhebungen verlaufen. Dann werden die Elektrodenabschnitte, welche in den Vertiefungen angeordnet sind, nicht kontaktiert. Vorzugsweise erstrecken sich die Stromsammelschienen im Wesentlichen quer zur Richtung der Spalten, insbesondere entlang von Zeilen des Rasters, also insbesondere orthogonal zu einer Längserstreckung der dotierten Bereiche.For this purpose, in a further step of the method, current busbars, so-called “busbars”, are produced, which are designed such that each current busbar either only connects electrodes from n-type doped areas or only electrodes from p-type doped areas . The busbars are designed in such a way that each busbar only electrically connects electrodes of the same polarity to one another. In particular, the busbars are thus arranged in such a way that they run at the level of the elevations. Then the electrode sections which are arranged in the depressions are not contacted. The busbars preferably extend essentially transversely to the direction of the columns, in particular along rows of the Grid, so in particular orthogonal to a longitudinal extension of the doped areas.
Insgesamt ermöglicht es ein derartiges Verfahren also, Elektroden gleicher Polarität auf einfache Weise untereinander elektrisch zu verbinden. Aufgrund der speziellen Oberflächenstruktur ist es insbesondere nicht zwingend erforderlich, zusätzliche Isolationsschichten vorzusehen, um einen Kurzschluss zwischen Stromsammelschienen einer Polarität und Elektroden der entgegengesetzten Polarität zu vermeiden. Es kann zusätzlich vor dem Aufbringen und Verlöten der Stromsammelschienen eine isolierende Schicht, z.B. in Form eines Lacks oder einer Paste aufgebracht werden, welche nur die tiefer liegenden Finger bedeckt und isoliert. Aufgrund der unterschiedlichen Ebenen ist, bei geeigneter Wahl der Isolierschicht, das Aufbringen der Isolierschicht auch ohne Maske möglich.Overall, such a method thus makes it possible to electrically connect electrodes of the same polarity to one another in a simple manner. Due to the special surface structure, it is in particular not absolutely necessary to provide additional insulation layers in order to avoid a short circuit between busbars of one polarity and electrodes of the opposite polarity. In addition, before the busbars are applied and soldered, an insulating layer, e.g. in the form of a lacquer or paste, can be applied, which only covers and insulates the deeper fingers. Due to the different levels, with a suitable choice of the insulating layer, the application of the insulating layer is also possible without a mask.
Hierdurch können die Prozesskosten für die Herstellung einer rückseitenkontaktierten Solarzelle erheblich reduziert werden. Zudem ist es auch nicht erforderlich, die Elektroden abschnittsweise zu unterbrechen, was sich positiv auf den Wirkungsgrad einer derart hergestellten Solarzelle auswirkt.In this way, the process costs for the production of a back-contact solar cell can be reduced considerably. In addition, it is also not necessary to interrupt the electrodes in sections, which has a positive effect on the efficiency of a solar cell produced in this way.
Das Erzeugen der Stromsammelschienen umfasst insbesondere das Aufbringen der Stromsammelschienen, sowie das elektrische Kontaktieren der Stromsammelschienen mit den Elektroden. Dabei kann eine elektrische Kontaktierung insbesondere durch stoffschlüssiges Verbinden einer jeweiligen Stromsammelschiene mit den ihr zugeordneten Elektroden erfolgen, beispielsweise mittels Löten und/oder Schweißen und/oder Bonden. Beispielsweise kann es sich bei den Stromsammelschienen um Metalldrähte, insbesondere verzinnte Kupferdrähte, handeln.The production of the busbars includes in particular the application of the busbars and the electrical contacting of the busbars with the electrodes. In this case, electrical contact can be made in particular by materially connecting a respective busbar to the electrodes assigned to it, for example by means of soldering and / or welding and / or bonding. For example, the busbars can be metal wires, in particular tinned copper wires.
Vorzugsweise erfolgt eine Dotierung der Rückseite des Halbleitersubstrats derart, dass sich n-Typ-dotierte Bereiche und p-Typ-dotierte Bereiche entlang einer jeden Zeile betrachtet von Spalte zu Spalte periodisch abwechseln. Dann umfassen entlang einer jeden Zeile betrachtet alle Erhebungen entweder ausschließlich n-Typ-dotierte Bereiche oder ausschließlich p-Typ-dotierte Bereiche und alle Vertiefungen umfassen entsprechend entweder ausschließlich p-Typ-dotierte Bereiche oder ausschließlich n-Typ-dotierte Bereiche. Insofern liegen entlang einer Zeile betrachtet Elektroden von Bereichen eines Dotierungstyps auf gleicher Höhe, während die Elektroden von Bereichen des anderen Dotierungstyps auf einer anderen Höhe liegen. Bei einer solchen Ausgestaltung mit von Spalte zu Spalte abwechselnder Dotierung ist ein Abstand der Elektroden gleicher Polarität (Pitch) reduziert, was den Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht.The rear side of the semiconductor substrate is preferably doped in such a way that n-type doped regions and p-type doped regions, viewed along each row, alternate periodically from column to column. Then, viewed along each row, all elevations comprise either exclusively n-type doped regions or exclusively p-type doped regions and all depressions accordingly comprise either exclusively p-type doped regions or exclusively n-type doped regions. In this respect, electrodes of regions of one doping type, viewed along a line, lie at the same height, while the electrodes of regions of the other doping type are at a different height. In such a configuration with doping alternating from column to column, a distance between the electrodes of the same polarity (pitch) is reduced, which increases the efficiency of the solar cell.
Besonders bevorzugt ist es, wenn eine Dotierung derart erfolgt, dass sich n-Typ-dotierte Bereiche und p-Typ-dotierte Bereiche entlang einer jeden Zeile betrachtet von Spalte zu Spalte abwechseln und dass sich die n-Typ-dotierten Bereiche und die p-Typ-dotierten Bereiche jeweils entlang der gesamten Erstreckung einer jeweiligen Spalte des Rasters erstrecken. Insofern wechseln sich n-Typ-dotierte Bereiche und p-Typ-dotierte entlang einer jeden Zeile betrachtet in gleicher Weise von Spalte zu Spalte ab.It is particularly preferred if doping takes place in such a way that n-type doped regions and p-type doped regions, viewed along each row, alternate from column to column and that the n-type doped regions and the p- Type-doped regions each extend along the entire extent of a respective column of the grid. In this respect, n-type doped regions and p-type doped regions, viewed along each row, alternate in the same way from column to column.
Um eine Kontaktierung der Elektroden gleicher Polarität durch die Stromsammelschienen weiter zu vereinfachen, ist es ferner bevorzugt, wenn das Erzeugen der Oberflächenstruktur derart erfolgt, dass sämtliche Erhebungen auf einem gemeinsamen ersten Oberflächenniveau liegen und sämtliche Vertiefungen auf einem gemeinsamen zweiten Oberflächenniveau liegen. Mit anderen Worten wird die Oberflächenstruktur insbesondere derart erzeugt, dass die Erhebungen in einer ersten Ebene und die Vertiefungen in einer zweiten Ebene liegen, wobei die zweite Ebene bezügliche einer Referenzebene tiefer liegt als die erste Ebene. Insofern weist die Oberflächenstruktur mindestens zwei Höhenniveaus (z-Richtung) auf. Wichtig ist, dass sich am Ende des Prozesses nur die Elektroden auf dem höheren, bzw. dem höchsten Niveau nicht vom Isolationslack bedeckt sind.In order to further simplify contacting the electrodes of the same polarity by the busbars, it is also preferred if the surface structure is generated in such a way that all elevations lie on a common first surface level and all depressions lie on a common second surface level. In other words, the surface structure is generated in particular in such a way that the elevations lie in a first plane and the depressions lie in a second plane, the second plane being lower than the first plane with respect to a reference plane. In this respect, the surface structure has at least two height levels (z-direction). It is important that at the end of the process only the electrodes on the higher or the highest level are not covered by the insulating varnish.
Die Oberflächenstruktur kann beispielsweise mittels eines materialabtragenden Verfahrens erzeugt werden. Insbesondere erfolgt die Erzeugung der Oberflächenstruktur mittels Ablation und/oder Ätzen. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass zur Erzeugung der Oberflächenstruktur zunächst eine ätzresistente Schicht appliziert wird, welche in einem nachfolgenden Zwischenschritt mittels Laserablation oder alternativ durch ein photolitographisches Verfahren selektiv abgetragen wird. Dabei wird die ätzresistente Schicht insbesondere derart selektiv abgetragen, dass ein Raster aus Spalten und orthogonal dazu verlaufenden Zeilen erzeugt wird, wobei in dem Raster eine Vielzahl von Bereichen mit abgetragener ätzresistenter Schicht und Bereichen mit vorhandener ätzresistenter Schicht vorgesehen ist und wobei die Bereiche mit abgetragener ätzresistenter Schicht und die Bereiche mit vorhandener ätzresistenter Schicht derart angeordnet sind, dass sich sowohl im Verlauf entlang einer jeden Spalte, als auch im Verlauf entlang einer jeden Zeile jeweils Bereiche mit abgetragener ätzresistenter Schicht und Bereiche mit vorhandener ätzresistenter Schicht abwechseln. In einem dem Laserablationsschritt nachfolgenden Ätzschritt wird dann die Oberflächenstruktur erzeugt. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass während des Ätzschritts in den Bereichen mit abgetragener ätzresistenter Schicht mehr Material abgetragen wird als in den Bereichen mit vorhandener ätzresistenter Schicht. Insofern werden in den Bereichen mit abgetragener ätzresistenter Schicht lokale Vertiefungen auf der Rückseite des Halbleitersubstrats erzeugt. Optional können in einem weiteren Verfahrensschritt Überreste der ätzresistenten Schicht entfernt werden. Ein solches Verfahren ermöglicht es, auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Weise ein definiertes Höhenprofil auf der Rückseite des Halbleitersubstrats zu erzeugen.The surface structure can be produced, for example, by means of a material-removing process. In particular, the surface structure is generated by means of ablation and / or etching. A particularly preferred embodiment of the method provides that, in order to generate the surface structure, an etch-resistant layer is first applied, which is selectively removed in a subsequent intermediate step by means of laser ablation or, alternatively, by a photolithographic method. In particular, the etch-resistant layer is selectively ablated in such a way that a grid of columns and rows running orthogonally is generated, a plurality of areas with ablated etch-resistant layer and areas with an existing etch-resistant layer being provided in the grid, and the areas with ablated etch-resistant layer Layer and the areas with an existing etch-resistant layer are arranged in such a way that areas with removed etch-resistant layer and areas with existing etch-resistant layer alternate both in the course along each column and in the course along each row. The surface structure is then produced in an etching step following the laser ablation step. This takes place in particular in that, during the etching step, more material is removed in the areas with removed etch-resistant layer than in the areas with an existing etch-resistant layer Layer. In this respect, local depressions are produced on the rear side of the semiconductor substrate in the areas with the removed etch-resistant layer. Remnants of the etch-resistant layer can optionally be removed in a further process step. Such a method makes it possible to generate a defined height profile on the rear side of the semiconductor substrate in a comparatively simple and inexpensive manner.
Alternativ kann die ätzresistente Schicht mittels einer Maske oder z. B. mit einem Tintenstrahl-Drucker nur lokal aufgetragen werden. Dann entfällt der Zwischenschritt des lokalen selektiven Abtragens.Alternatively, the etch-resistant layer can be made by means of a mask or z. B. can only be applied locally with an inkjet printer. The intermediate step of local selective removal is then omitted.
Um das Risiko einer unerwünschten Kontaktierung von Stromsammelschienen einer Polarität mit Elektroden der entgegengesetzten Polarität weiter zu verringern, kann es vorteilhaft sein, wenn die Elektroden derart erzeugt werden, dass eine Dicke der Elektroden, insbesondere eine Dicke der in den Vertiefungen angeordneten Elektrodenabschnitte, betragsmäßig geringer ist als ein Höhenversatz zwischen den Erhebungen und Vertiefungen. Insofern werden die Elektroden insbesondere derart erzeugt, dass eine Erstreckung der Elektroden entlang der Flächennormalen der Rückseite betragsmäßig geringer ist als ein Höhenunterschied zwischen Erhebungen und Vertiefungen entlang der Flächennormalen der Rückseite. Mit anderen Worten werden die Elektroden also insbesondere derart erzeugt, dass eine Elektrodenoberfläche einer Elektrode, welche in einer Vertiefung angeordnet ist, nicht über eine Kante einer benachbarten Erhebung des Halbleitersubstrats hervorsteht. Von Bedeutung ist, dass sich die Höhen der Elektrodenoberflächen unterscheiden.In order to further reduce the risk of undesired contacting of busbars of one polarity with electrodes of the opposite polarity, it can be advantageous if the electrodes are produced in such a way that a thickness of the electrodes, in particular a thickness of the electrode sections arranged in the depressions, is smaller in terms of amount as a height offset between the elevations and depressions. To this extent, the electrodes are generated in particular in such a way that an extension of the electrodes along the surface normal to the rear side is smaller in terms of amount than a height difference between elevations and depressions along the surface normal to the rear side. In other words, the electrodes are generated in particular in such a way that an electrode surface of an electrode which is arranged in a depression does not protrude over an edge of an adjacent elevation of the semiconductor substrate. It is important that the heights of the electrode surfaces differ.
Auch wenn es, wie vorstehend, erläutert grundsätzlich nicht zwingend erforderlich ist, eine Isolierschicht zwischen Stromsammelschienen einer Polarität und Elektroden der entgegengesetzten Polarität vorzusehen, kann es dennoch vorteilhaft sein, vor dem Erzeugen der Stromsammelschienen eine Isolierschicht aus einem elektrisch isolierenden Material zu applizieren. Hierdurch kann das Risiko eines unerwünschten Kurzschlusses weiter reduziert werden. Vorzugsweise wird eine Isolierschicht derart appliziert, dass die in den Vertiefungen angeordneten Elektrodenabschnitte, vorzugsweise ausschließlich diese, zumindest abschnittsweise von der Isolierschicht derart bedeckt sind, dass diese Elektrodenabschnitte gegenüber darüber liegenden Stromsammelschienen elektrisch isoliert sind. Dabei wird eine Dicke der Isolierschicht insbesondere derart eingestellt, dass eine Oberfläche der Isolierschicht nicht über eine Kante einer benachbarten Erhebung des Halbleitersubstrats hervorsteht. Die Isolierschicht darf lediglich die Elektrodenoberfläche der höher bzw. der am höchsten gelegenen Elektroden nicht bedecken. Der Isolierschicht darf die Kante der des Halbleitersubstrats, und auch das gesamte Halbleitersubstrat, bedecken. Das Applizieren der Isolierschicht kann beispielsweise durch Auftragen einer Materialformulierung erfolgen, welche nach dem Applizieren eine elektrisch isolierende Schicht bildet. Beispielsweise kann die Materialformulierung als Paste oder Lack ausgebildet sein umfassend ein elektrisch isolierendes Material. Aufgrund der Oberflächenstruktur des Halbleitersubstrats ist es dabei möglich, die Isolierschicht auch ohne Maske selektiv nur in den Vertiefungen zu applizieren, was die Prozesskosten erheblich reduziert. Beispielsweise ist es denkbar, dass ein Lack aus einem elektrisch isolierenden Material mittels spin coating appliziert wird. Bevorzugt wird die Dicke des Lacks so gewählt, dass die Oberfläche der höher gelegenen Elektroden nicht bedeckt wird.Even if, as explained above, it is basically not absolutely necessary to provide an insulating layer between busbars of one polarity and electrodes of opposite polarity, it can still be advantageous to apply an insulating layer made of an electrically insulating material before producing the busbars. This can further reduce the risk of an undesired short circuit. An insulating layer is preferably applied in such a way that the electrode sections arranged in the depressions, preferably exclusively these, are covered at least in sections by the insulating layer in such a way that these electrode sections are electrically insulated from busbars located above them. In this case, a thickness of the insulating layer is set in particular such that a surface of the insulating layer does not protrude beyond an edge of an adjacent elevation of the semiconductor substrate. The insulating layer must only not cover the electrode surface of the higher or highest electrodes. The insulating layer is allowed to cover the edge of the semiconductor substrate and also the entire semiconductor substrate. The insulating layer can be applied, for example, by applying a material formulation which, after application, forms an electrically insulating layer. For example, the material formulation can be in the form of a paste or lacquer, comprising an electrically insulating material. Due to the surface structure of the semiconductor substrate, it is possible to selectively apply the insulating layer only in the depressions, even without a mask, which considerably reduces the process costs. For example, it is conceivable that a lacquer made of an electrically insulating material is applied by means of spin coating. The thickness of the lacquer is preferably chosen so that the surface of the higher electrodes is not covered.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch eine rückseitenkontaktierte Solarzelle gelöst, welche insbesondere mittels eines voranstehend erläuterten Verfahrens hergestellt ist. Die vorstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Merkmale und Vorteile können auch zur Ausgestaltung der Solarzelle dienen.The object set out at the beginning is also achieved by a rear-side-contacted solar cell which is produced in particular by means of a method explained above. The features and advantages explained above in connection with the method can also be used to design the solar cell.
Die rückseitenkontaktierte Solarzelle umfasst ein Halbleitersubstrat, insbesondere in Form eines Silizium-Wafers, mit einer Vorderseite und eine Rückseite. Das Halbleitersubstrat weist an seiner Rückseite eine Oberflächenstruktur mit einem Raster aus Spalten und orthogonal dazu verlaufenden Zeilen auf, wobei in dem Raster eine Vielzahl von flächig erstreckten Erhebungen und Vertiefungen vorgesehen ist. Die Erhebungen und Vertiefungen sind dabei derart angeordnet, dass sich sowohl im Verlauf einer jeden Spalte, als auch im Verlauf entlang einer jeden Zeile jeweils Erhebungen und Vertiefungen abwechseln. Erhebungen und Vertiefungen sind insofern insbesondere schachbrettmusterartig angeordnet.The rear-side-contacted solar cell comprises a semiconductor substrate, in particular in the form of a silicon wafer, with a front side and a rear side. On its rear side, the semiconductor substrate has a surface structure with a grid of columns and rows running orthogonally thereto, a plurality of flatly extending elevations and depressions being provided in the grid. The elevations and depressions are arranged in such a way that elevations and depressions alternate both in the course of each column and in the course along each row. In this respect, elevations and depressions are in particular arranged in a checkerboard pattern.
Das Halbleitersubstrat weist ferner an seiner Rückseite n-Typ-dotierte Bereiche und p-Typ-dotierte Bereiche auf, wobei sich die n-Typ-dotierten Bereiche und die p-Typ-dotierten Bereiche jeweils entlang von Spalten des Rasters erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich die n-Typ-dotierten Bereiche und die p-Typ-dotierten Bereiche jeweils über mehrere Erhebungen und Vertiefungen im Verlauf entlang einer jeweiligen Spalte, insbesondere über die gesamte Erstreckung der Spalte.The semiconductor substrate also has n-type doped regions and p-type doped regions on its rear side, the n-type doped regions and the p-type doped regions each extending along columns of the grid. The n-type doped regions and the p-type doped regions preferably each extend over a plurality of elevations and depressions in the course along a respective column, in particular over the entire extent of the column.
Die n-Typ-dotierten Bereiche und die p-Typ-dotierten Bereiche sind dabei derart angeordnet, dass entlang einer jeden Zeile des Rasters betrachtet zumindest bereichsweise, insbesondere aber über die gesamte Erstreckung der Zeile hinweg, alle Erhebungen entweder ausschließlich n-Typ-dotierte Bereiche oder ausschließlich p-Typ-dotierte Bereiche umfassen. Dies schließt jedoch nicht aus, dass außerhalb des Rasters mit derart dotierten Bereichen weitere Rasterbereiche oder sonstige Funktionsbereiche der Solarzelle vorhanden sind, welche keine oder eine andere Dotierung aufweisen.The n-type-doped areas and the p-type-doped areas are arranged in such a way that viewed along each line of the grid, at least in some areas, but in particular over the entire extent of the line, all elevations are either exclusively n-type-doped Areas or exclusively p-type doped areas include. However, this does not rule out the fact that outside the grid with areas doped in this way there are further grid areas or other functional areas of the solar cell which have no doping or a different type of doping.
Die Solarzelle umfasst ferner Elektroden, insbesondere in Form von Metallelektroden, welche die dotierten Bereiche kontaktieren. Dabei ist jede Elektrode entweder einem n-Typ-dotierten Bereich oder einem p-Typ-dotierten Bereich zugeordnet und kontaktiert nur diesen. Vorzugsweise erstrecken sich die Elektroden entlang einer Längserstreckung des ihnen zugeordneten dotierten Bereichs.The solar cell also includes electrodes, in particular in the form of metal electrodes, which contact the doped regions. Each electrode is assigned to either an n-type doped area or a p-type doped area and only makes contact with this area. The electrodes preferably extend along a longitudinal extension of the doped region assigned to them.
Zur elektrischen Verbindung der Elektroden sind Stromsammelschienen, sogenannte „Busbars“, vorgesehen, wobei die Stromsammelschienen derart ausgebildet sind, dass eine jede Stromsammelschiene entweder nur Elektroden von n-Typ-dotierten Bereichen oder nur Elektroden von p-Typ-dotierten Bereichen verbindet. Insbesondere verlaufen die Stromsammelschienen entlang von Zeilen des Rasters, also insbesondere orthogonal zu einer Längserstreckung der Elektroden.For the electrical connection of the electrodes, busbars are provided, the busbars being designed such that each busbar connects either only electrodes from n-type doped areas or only electrodes from p-type doped areas. In particular, the busbars run along lines of the grid, that is to say in particular orthogonally to a longitudinal extension of the electrodes.
Ein Wirkungsgrad der Solarzelle ist dann besonders hoch, wenn sich Bereiche mit n-Typ-Dotierung und Bereiche mit p-Typ-Dotierung entlang einer jeden Zeile betrachtet von Spalte zu Spalte periodisch abwechseln. Besonders bevorzugt ist es, wenn sich n-Typ-dotierte Bereiche und p-Typ-dotierte Bereiche entlang einer jeden Zeile betrachtet von Spalte zu Spalte abwechseln und sich die n-Typ-dotierten Bereiche und die p-Typ-dotierten Bereiche entlang der gesamten Erstreckung einer jeweiligen Spalte des Rasters erstrecken.The efficiency of the solar cell is particularly high when areas with n-type doping and areas with p-type doping alternate periodically from column to column when viewed along each row. It is particularly preferred if n-type-doped regions and p-type-doped regions, viewed along each row, alternate from column to column and the n-type-doped regions and p-type-doped regions along the entire length Extend extension of a respective column of the grid.
Ferner ist es bevorzugt, wenn sämtliche Erhebungen auf einem gemeinsamen ersten Oberflächenniveau und sämtliche Vertiefungen auf einem gemeinsamen zweiten Oberflächenniveau liegen. Dann weist das Halbleitersubstrat zwei Höhenniveaus auf. Es jedoch auch möglich, dass das Halbleitersubstrat mehr als zwei Höhenniveaus aufweist.It is also preferred if all of the elevations are on a common first surface level and all of the depressions are on a common second surface level. The semiconductor substrate then has two height levels. However, it is also possible for the semiconductor substrate to have more than two height levels.
Um das Risiko einer unerwünschten Kontaktierung zwischen Stromsammelschienen einer Polarität und Elektroden der entgegengesetzten Polarität weiter zu reduzieren, ist es ferner bevorzugt, wenn eine Dicke der Elektroden, insbesondere eine Dicke der Elektroden der in den Vertiefungen angeordneten Elektrodenabschnitte, betragsmäßig geringer ist als ein Höhenversatz zwischen den Erhebungen und Vertiefungen.In order to further reduce the risk of undesired contact between busbars of one polarity and electrodes of the opposite polarity, it is also preferred if a thickness of the electrodes, in particular a thickness of the electrodes of the electrode sections arranged in the depressions, is less in terms of amount than a height offset between the Elevations and depressions.
Zu diesem Zweck kann es ferner vorteilhaft sein, wenn eine Isolierschicht vorgesehen ist. Dabei ist die Isolierschicht insbesondere derart ausgebildet und angeordnet, dass sie Elektrodenabschnitte, welche in den Vertiefungen angeordnet sind, gegenüber darüber liegenden Stromsammelschienen elektrisch isoliert. Vorzugsweise ist die Isolierschicht derart ausgebildet und angeordnet, dass sie die in den Vertiefungen angeordneten Elektrodenabschnitte, insbesondere ausschließlich diese, zumindest abschnittsweise bedeckt.For this purpose it can also be advantageous if an insulating layer is provided. In this case, the insulating layer is designed and arranged in particular in such a way that it electrically insulates electrode sections which are arranged in the depressions from busbars located above them. The insulating layer is preferably designed and arranged in such a way that it covers the electrode sections arranged in the depressions, in particular exclusively these, at least in sections.
Um eine Lichtausbeute und somit einen Wirkungsgrad der Solarzelle weiter zu verbessern, kann das Halbleitersubstrat an seiner Vorderseite optional eine Anti-Reflexionsschicht aufweisen.In order to further improve a light yield and thus an efficiency of the solar cell, the semiconductor substrate can optionally have an anti-reflection layer on its front side.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the figures.
Es zeigen:
-
1 Skizzierte Darstellung eines Bereichs einer rückseitenkontaktierten Solarzelle in einer perspektivischen Ansicht bei Blick auf die Rückseite der Solarzelle; und -
2a - bis 2d Skizzierte Darstellungen zur Erläuterung einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung einer rückseitenkontaktierten Solarzelle gemäß
1 .
-
1 Sketched representation of a region of a rear-side-contacted solar cell in a perspective view when looking at the rear side of the solar cell; and -
2a - to 2d Sketched representations to explain an embodiment of the method for producing a rear-side-contacted solar cell according to FIG
1 .
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.In the following description and in the figures, the same reference symbols are used for identical or corresponding features.
Die
Zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse ist in den Figuren ein kartesisches Koordinatensystem (x, y, z) dargestellt. In dem dargestellten Beispiel verläuft eine von der Rückseite
Die
Wie in
Beispielhaft und bevorzugt weisen die Erhebungen
Wie aus den
Wie aus
Die n-Typ-dotierten Bereiche
In der Regel wird die Oberfläche nach der Dotierung noch passiviert wird. Diese sogenannte Passivierschicht muss vor dem Aufbringen der Elektroden, bzw. der Kontaktfinger gegebenenfalls noch geöffnet werden.As a rule, the surface is passivated after doping. This so-called passivation layer may have to be opened before the electrodes or the contact fingers are applied.
Um Ladungsträger abzuführen, welche bei Absorption von Solarstrahlung in dem Halbleitersubstrat
Wie aus den
Dadurch, dass sich wie vorstehend erläutert Bereiche mit n-Typ-Dotierung
Zu diesem Zweck weist die Solarzelle
Optional kann die Solarzelle
Um eine Lichtausbeute zu erhöhen, kann das Halbleitersubstrat
Im Folgenden wird eine Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung einer solchen rückseitenkontaktierten Solarzelle
Gemäß dem Verfahren wird zunächst das Halbleitersubstrat
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird dann die vorstehend erläuterte Oberflächenstruktur umfassend die schachbrettmusterartig angeordneten Erhebungen
In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann die Rückseite
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden dann die Elektroden
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden dann die Stromsammelschienen
Optional kann vor dem Erzeugen der Stromsammelschienen
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |