DE10032279B4 - Electrical passivation of the peripheral areas of solar cells - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur chemischen Passivierung von Defekten bei Silizium-Solarzellen,
bei dem die Solarzelle mit einer Ätzlösung in Kontakt gebracht wird,
dadurch gekennzeichnet dass
– nur der Rand bereich der
Solarzelle mit der Ätzlösung zur Passivierung
von Randdefekten in Kontakt gebracht wird,
– wobei die Ätzlösung aus
alkalischen Komponenten aus der Gruppe KOH, NaOH, NH4OH
oder organischen Laugen oder alkalischen Persulfat-Lösungen oder
Säuren
oder Hydrazin-Lösungen
besteht,
– die
chemische Reaktion des Randbereichs der Solarzelle mit der Ätzlösung ohne
Beschleunigung zunächst
sehr langsam abläuft,
– parasitäre Reaktionen
außerhalb
des Randbereichs durch Beblasen der Solarzelle mit Gas oder Absaugen
der Reaktionsdämpfe
verhindert werden.Process for the chemical passivation of defects in silicon solar cells, in which the solar cell is brought into contact with an etching solution, characterized in that
- Only the edge region of the solar cell is brought into contact with the etching solution for passivation of edge defects,
Wherein the etching solution consists of alkaline components from the group KOH, NaOH, NH 4 OH or organic alkalis or alkaline persulfate solutions or acids or hydrazine solutions,
The chemical reaction of the edge region of the solar cell with the etching solution initially proceeds very slowly without acceleration,
- Can be prevented parasitic reactions outside the edge region by blowing the solar cell with gas or aspirating the reaction vapors.
Description
Bei der Herstellung von Solarzellen (SZ), insbesondere von Silizium-Solarzellen, werden die SZ am Ende getestet und klassifiziert. Die Klassifizierung der SZ geschieht anhand ihrer Kennlinien und der daraus entnommenen Kenngrößen Kurzschlussstrom ISC, Leerlaufspannung Voc, Serienwiderstand RS, Kurzschlusswiderstand RSh, maximale Leistung Pmax, Füllfaktor FF und Wirkungsgrad η.In the production of solar cells (SC), in particular of silicon solar cells, the SC are finally tested and classified. The classification of the SZ is based on their characteristics and the derived parameters short-circuit current I SC , open circuit voltage V oc , series resistance R S , short circuit resistance R Sh , maximum power P max , fill factor FF and efficiency η.
Lokale elektrische Kurzschlüsse (kurz „Shunts") der Diode spielen eine wichtige Rolle für den Wirkungsgrad der SZ; sie können einen dramatischen Einfluss auf die Strom-Spannungs-(IV)-Kennlinie haben und den Gesamtwirkungsgrad stark erniedrigen bei gleichzeitiger Erhöhung des Leckstroms. Shunts treten häufig am Rande der Solarzelle auf, da hier der p-n-Übergang entweder freiliegt oder der Emitterbereich sich sogar über die Kante bis zum Rückseitenkontakt erstreckt.local electrical short circuits (short "shunts") of the diode play an important role for the Efficiency of the SZ; you can have a dramatic impact on the current-voltage (IV) characteristic and greatly reduce the overall efficiency while at the same time increase the leakage current. Shunts occur frequently on the edge of the solar cell, because here the p-n junction is either exposed or the emitter area even over the Edge to back contact extends.
Selbst wenn die „Shunts" den Wirkungsgrad einer einzelnen Solarzelle nicht merklich reduzieren, kann in einer Reihenschaltung vieler Solarzellen in einem Solarzellenmodul ein „Shunt" das gesamte Modul zerstören: aufgrund der hohen Spannung in der Reihenschaltung kann unter einer „open circuit"-Bedingung auch ein schwacher „Shunt" durchbrechen, sich lokal sehr stark erwärmen und so zur Zerstörung des gesamten Moduls führen.Even if the "shunts" the efficiency of a single solar cell can not noticeably reduce, can be connected in series Many solar cells in a solar cell module "shunt" the entire module to destroy: Due to the high voltage in the series connection can also be under an "open circuit" condition weak "shunt" break through, yourself locally warm very strongly and so to destruction lead the entire module.
Aus
der
Bei
dem in der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zur chemischen Passivierung von Defekten bei Silizium-Solarzellen gerade die Randdefekte zu passivieren.Of the Invention is based on the object in a method for chemical Passivation of defects in silicon solar cells just the edge defects to passivate.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.According to the invention this Problem solved by the features of claim 1, the dependent claims advantageous embodiments of the invention.
Zunächst werden die einzelnen Komponenten der Erfindung dargestellt danach sollen die Möglichkeiten der Erfindung an einem Beispiel demonstriert werden.First, be the individual components of the invention are shown thereafter the possibilities of the invention will be demonstrated by way of example.
Nach der Passivierung ist zwar der Kurzschlußstrom etwas zurückgegangen auf ISC = 513 mA, dafür sind aber der Füllfaktor und die Leerlaufspannung erheblich höher: Die max. Leistung liegt jetzt bei 0,211 W; dies entspricht einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads um 25%!After passivation, the short-circuit current is somewhat reduced to I SC = 513 mA, but the fill factor and open-circuit voltage are considerably higher: The max. Power is now at 0.211 W; this corresponds to an increase of the overall efficiency by 25%!
Im folgenden werden die Komponenten der Erfindung detailliert dargestelt.in the Following, the components of the invention will be detailed.
1): Geeignete Ätzmittel1): Suitable etchant
Grundsätzlich muß etwas Si aufgelöst, d.h. abgeätzt werden. Es sind viele Chemikalien bekannt, mit denen Silizium geätzt werden kann [7,8,9,10], weiterhin sind viele chemische oder elektrochemische Ätzmethoden veröffentlicht. Prinzipielle Möglichkeiten sind:
- • Starke Oxidationsmittel mit HF Zusatz; z.B. die Standardätzen auf der Basis von HNO3/HAc/HF Mischungen. Diese Mittel sind zwar prinzipiell verwendbar, aber mit Nachteilen behaftet in Bezug auf schlecht kontrollierbare, heftig gasende Reaktionen die schon beim unmittelbaren Kontakt einsetzen. Die meisten dieser Säuregemische wirken außerdem korrodierend auf die Passivierapparatur und auf alle Bestandteile der Solarzelle und stellen erhebliche Sicherheitsrisiken dar. Durch die Hitze und Gasentwicklung gibt es außerdem die Tendenz zu Spritzern, so daß die Reaktion nur schwer auf den Randbereich zu beschränken ist. Andererseits kann die Passivierung sehr schnell erfolgen.
- • HF mit anorganischen oder organischen Zusätzen und anodischem (oder kathodischem) Stromfluß; d.h. elektrochemisches Ätzen. Diese Methodik ist prinzipiell sehr gut anwendbar, insbesondere weil die Reaktion vom Kontakt mit der Flüssigkeit vollständig entkoppelt und durch die Steuerung des Stroms sehr gut kontrolliert werden kann. Sie ist aber mit Nachteilen bei der Durchführung verbunden, da die Solarzelle elektrisch kontaktiert werden muß.
- • Alkalisches Ätzen, z.B. KOH oder TMAH. Häufig wird eine merkliche Ätzwirkung nur bei höherer Temperatur erzielt. Ätzen aus diesem Bereich lassen sich mit gutem Erfolg verwenden.
- • strong oxidants with HF additive; eg the standard kits based on HNO 3 / HAc / HF mixtures. Although these agents are in principle usable, but with disadvantages in terms of poorly controllable, violently gassing reactions already use in direct contact. Most of these acid mixtures also have a corrosive effect on the Passivierapparatur and all components of the solar cell and pose significant safety risks. Due to the heat and gas evolution there is also a tendency to splashing, so that the reaction is difficult to limit the edge area. On the other hand, the passivation can be done very quickly.
- • HF with inorganic or organic additives and anodic (or cathodic) current flow; ie electrochemical etching. This methodology is in principle very well applicable, especially because the reaction from contact with the liquid can be completely decoupled and controlled very well by controlling the flow. But it is associated with disadvantages in the implementation, since the solar cell must be contacted electrically.
- • Alkaline etching, eg KOH or TMAH. Often, a significant caustic effect is achieved only at higher temperatures. Etching from this area can be used successfully.
Im folgenden werden daher ohne Beschränkung der Allgemeinheit nur noch Ätzen auf KOH-Basis besprochen.in the The following are therefore without limitation of generality only still etching discussed on a KOH basis.
2) Definierte Ätzgeometrie und Vermeidung unerwünschter Reaktionen2) Defined etching geometry and avoid unwanted reactions
Die hier vorgestellte Erfindung beruht vor allem auf der Trennung zweier Prozesse:
- • Dem Aufbringen der Ätze auf definierte (Rand-)Bereiche.
- • Dem Aktivieren oder Beschleunigen der chemischen Reaktionen durch verschiedene Prozesse, wie sie unter Punkt 3) beschrieben werden.
- • Applying the etch to defined (border) areas.
- • Activating or accelerating the chemical reactions by various processes, as described under point 3).
Für das Aufbringen
des Ätzmittels
am Rande der Solarzellen bieten sich mehrere Möglichkeiten an. Am effektivsten
und definiertesten wird das Ätzmittel über ein
definiert in Ätzmittel
getränktes
Filztuch auf die Solarzelle übertragen.
Dies läßt sich
in einem kontinuierlichen Prozeß sehr
homogen durchführen,
wenn das Filztuch auf einer rotierenden Walze befestigt wird, wie
in
In dem Zustand, wie sie auf die Solarzelle aufgebracht werden, sind KOH basierte Ätzmittel gar nicht, bzw. nur sehr schwach reaktiv. So wird für die Solarzelle, wie auch für die Passivierapparatur die Wahrscheinlichkeit für eine ungewollte Korrosion reduziert. Während des Aufbringens des Ätzmittels besteht z.B. nicht die Gefahr, daß die chemische Reaktion an der zuerst benetzten Stelle schon einsetzt, während der restliche Bereich noch überhaupt keinen Kontakt zum Ätzmittel hat. Das Ätzmittel läßt sich homogener aufbringen und alle nachfolgenden Prozesse laufen räumlich und zeitlich viel homogener ab.In the state as they are applied to the solar cell are KOH based etchant not at all, or only very weakly reactive. So for the solar cell, as well as for Passivierapparatur the probability of unwanted corrosion reduced. While the application of the etchant consists of e.g. not the risk of the chemical reaction the first wetted spot already in use, while the rest of the area still at all no contact with the etchant Has. The etchant can be more homogeneous Apply and all subsequent processes are spatially and much more homogeneous in terms of time.
3) Anregung bzw. Beschleunigung der Reaktion3) excitation or acceleration the reaction
Verschiedene Klassen rein chemischer Ätzen zeigen eine starke Abhängigkeit der Ätzrate von der Temperatur, z.B. ätzt KOH bei Raumtemperatur sehr langsam, bei 80°C ist jedoch ein starker Ätzabtrag. zu beobachten. Für die meisten elektrochemischen Ätzen gilt, daß sie nur unter Anlegen einer elektrischen Spannung Silizium auflösen. So kann man die in Punkt 2 beschriebene Trennung erreichen, indem man nach dem Aufbringen des "passiven" Ätzmittels durch z.B. Erwärmen oder Anlegen einer Spannung in die aktive Phase umschaltet. Neben dem Aufbringen des Ätzmittels läßt sich hierbei die Lokalisierung noch verstärken, indem man die Position der Gegenelektrode und den Widerstand des Elektrolyten geschickt wählt, oder die Erwärmung des Ätzmittels auf den Randbereich der Solarzelle beschränkt. Für die lokale Erwärmung bieten sich mehrere Möglichkeiten für die Erwärmung des Ätzmittels an, z.B.:
- • Beleuchtung mit eine Infrarotlampe (Fokussierung auf den Rand der Solarzelle durch Spalt, Spiegel oder Linse)
- • Zufuhr
von Heißluft
(Fokussierung und laminare Strömung
mit Hilfe einer Düse
[11], siehe
3 ) - • Lokaler Kontakt mit einem heißen Körper
- • Illumination with an infrared lamp (focusing on the edge of the solar cell through gap, mirror or lens)
- • Supply of hot air (focusing and laminar flow by means of a nozzle [11], see
3 ) - • Local contact with a hot body
4) Vermeidung von Niederschlägen von Ätzmitteldampf4) Prevention of precipitation of etchant vapor
Punkt 2) und 3) erlauben trotz minimaler Dosierung des Ätzmittels eine sehr effektive Ätzung/Passivierung des Randes der Solarzelle. Idealerweise wird die Menge des Ätzmittels so begrenzt, daß es während der reaktiven Phase in möglichst kurzer Zeit vollständig umgesetzt wird. Aufgrund der geringen Menge entsteht auch nur wenig Gas. Da Spritzer des Ätzmittels das gleichzeitige Vorhandensein von flüssiger und Gasphase voraussetzen, ist dies ein großer Vorteil. Aufgrund der geringen Benetzung des Randbereiches treten Spritzer bei dem oben beschriebenen Verfahren nicht auf. Nutzt man für die Erwärmung des Ätzmittels Heißluft, so können durch die Führung des Luftstromes die restlichen Gase von der Solarzelle ferngehalten werden, so daß es zu keinem Niederschlag von Ätzmitteln auf der Scheibe kommen kann. Falls die geringe Ätzmittelmenge für eine genügende Ätzung des Randes nicht ausreichen sollte, können die Prozeduren mit Aufbringen und Aktivieren des Ätzmittels auch mehrmals wiederholt werden.Point 2) and 3) allow, despite minimal dosage of the etchant a very effective etching / passivation the edge of the solar cell. Ideally, the amount of the etchant so limited that it while the reactive phase in as short as possible Time completely is implemented. Due to the small amount is also little Gas. Because splashes of the etchant the simultaneous presence of liquid and gas phase is required this is a big one Advantage. Due to the low wetting of the edge area occur Splashes in the method described above not on. Used for the heating of the etchant Hot air, so can through the leadership the air flow, the remaining gases from the solar cell kept away be so that it to no precipitation of etchants can come on the disc. If the small amount of etchant for sufficient etching of the Randes should not be sufficient, the procedures can be applied with and activating the etchant be repeated several times.
5) Einfacher Aufbau für geringe Kosten, hoher Durchsatz und Reproduzierbarkeit.5) Simple construction for low Cost, high throughput and reproducibility.
Die oben beschriebenen Schritte zur Randpassivierung
- • Aufbringen des Ätzmittels
- • Aktivieren der chemischen Reaktion
- • Ätzung der Randbereiche
- • Application of the etchant
- • Activate the chemical reaction
- • etching of the edge areas
Alle drei Varianten für die Erwärmung des Ätzmittels
- • Beleuchtung mit einer Infrarotlampe
- • Zufuhr von Heißluft
- • Erwärmung der SZ durch Kontakt mit einem heißen Körper
- • Illumination with an infrared lamp
- • Supply of hot air
- • Warming of the SZ by contact with a hot body
Durchführung einer Randpassivierung nach der Lehre der ErfindungCarrying out a Randpassivierung according to the teachings of the invention
Die technische Durchführung der Randpassivierung ist nach den obigen Ausführungen in vielen Varianten möglich. Im Labormaßstab hat folgende Variante zu sehr guten Ergebnissen geführt:
- 1. Ein Schwamm mit sehr kleinen Poren (oder
ein Filztuch) wird mit 10 %iger KOH-Lösung (auf Raumtemperatur) getränkt. Der
Schwamm liegt auf dem Boden eines Glas- oder Teflongefäßes mit
ebenem Boden (siehe
4 ). - 2. Eine Heizplatte wird auf 100 °C vorgeheizt.
- 3. Die Solarzelle wird mit der zu passivierenden Seite mit definiertem Druck auf den feuchten Schwamm gedrückt.
- 4. Der angefeuchtete Rand der Solarzelle wird für 5–10 Sec. senkrecht auf die Heizplatte aufgesetzt.
- 5. Die Schritte 3–4 werden gegebenenfalls mehrmals wiederholt.
- 6. Die Schritte 3–5 werden für die restlichen Seiten der Solarzelle wiederholt.
- 7. Abschließend wird die Solarzelle mit destilliertem Wasser gespült und mit Druckluft oder N2 getrocknet.
- 1. A sponge with very small pores (or a felt cloth) is soaked with 10% KOH solution (at room temperature). The sponge lies on the bottom of a glass or Teflon vessel with a flat bottom (see
4 ). - 2. A hot plate is preheated to 100 ° C.
- 3. The solar cell is pressed with the passivating side with defined pressure on the damp sponge.
- 4. The moistened edge of the solar cell is for 5-10 sec. placed vertically on the heating plate.
- 5. If necessary, repeat steps 3-4 several times.
- 6. Steps 3-5 are repeated for the remaining sides of the solar cell.
- 7. Finally, the solar cell is rinsed with distilled water and dried with compressed air or N 2 .
Bei
diesem Verfahren wurde keine meßbare Verschlechterung
der Kennlinie, bzw. des Wirkungsgrades guter Solarzellen gemessen
(siehe
ZusammenfassungSummary
- 1. Das beschriebene Verfahren zur Passivierung von Randdefekten von Solarzellen ist dafür geeignet, bei minimalen Flächenverlusten alle Randdefekte zu passivieren und damit ggf. den Wirkungsgrad auch von schon fertig produzierten Solarzellen nachhaltig zu erhöhen.1. The method described for the passivation of Edge defects of solar cells are suitable for this, with minimal area losses passivate all edge defects and, if necessary, the efficiency also to sustainably increase already produced solar cells.
- 2. Die Methode ist für mono- und multikristalline Si Solarzellen verwendbar; sie ist gut reproduzierbar.2. The method is for mono- and multicrystalline Si solar cells usable; she is good reproducible.
- 3. Der Verlust an Fläche und damit an Kurzschlußstrom ist vernachlässigbar, d.h. die Passivierung hat keinen nachteiligen Einfluß auf SZ ohne Randdefekte.3. The loss of area and thus to short-circuit current is negligible, i.e. the passivation has no adverse effect on SZ without Edge defects.
- 4. Es existieren mehrere Varianten zur Durchführung des Verfahrens bzgl. der Art der Ätzlösung und der Durchführung der Ätzung; das Verfahren kann damit an bestehende Produktionsprozesse und Einrichtungen leicht angepaßt werden.4. There are several variants for carrying out the Method with respect to the nature of the etching solution and the implementation the etching; The process can thus be adapted to existing production processes and facilities easily adapted become.
- 5. Das Verfahren kann nicht nur nach Abschluß des eigentlichen Herstellungsprozesses als letzter Schritt eingesetzt werden, sondern auch schon vorher, z.B.: • Nach der Diffusion des Emitters. • Nach der Metallisierung. • Nach dem Aufdampfen der AR-Schicht.5. The process can not only after completion of the actual manufacturing process be used as a last step, but also before, e.g .: • To the diffusion of the emitter. • After metallization. • After this Vapor deposition of the AR layer.
- 6. Das Verfahren kann standardmäßig als Teil des Produktionsprozesses (prophylaktisch) für alle SZ verwendet werden oder gezielt nur für aussortierte Zellen mit Randdefekten.6. The procedure can be considered as part of the production process by default (prophylactic) for All SZ can be used or targeted only for sorted cells with edge defects.
Literatur:Literature:
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a) Gute Solarzelle ohne Randdefekte.
Durch die Passivierung kann der Wirkungsgrad nicht mehr verbessert
werden, die Flächenverluste
(Verluste in ISC) sind jedoch so klein,
daß im
Rahmen der Meßungenauigkeit
keine Wirkungsgradreduktion beobachtet wurde.
b) Schlechte
Solarzelle mir Randdefekten: Trotz einer kleinen Verringerung des
Kurzschlußstroms steigt
die max. Leistung bzw. der Wirkungsgrad nach der Passivierung um
43%.
a) Good solar cell without edge defects. By passivation, the efficiency can not be improved, the area losses (losses in I SC ), however, are so small that no efficiency reduction was observed in the context of measurement inaccuracy.
b) Bad solar cell with edge defects: Despite a small reduction in the short-circuit current, the max. Performance or efficiency after passivation by 43%.
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