DE102008021355A1

DE102008021355A1 - Verfahren zur Herstellung monokristalliner Solarzellen mit rückseitiger Kontaktstruktur

Info

Publication number: DE102008021355A1
Application number: DE102008021355A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. Krokoszinski
Original assignee: Ersol Solar Energy AG
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-04-29
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2028-04-30
Also published as: WO2009112544A3; DE102008021355B4; WO2009112544A2; EP2266147A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung monokristalliner Solarzellen mit rückseitiger Kontaktstruktur sowie einer im Waferverbund vorliegenden Vielzahl von annähernd flächengleichen Teilzellendioden mit lokalen pn-Übergängen, welche zum Erhalt einer erhöhten Ausgangsspannung in Serie geschaltet werden, wobei zwischen benachbarten Teilzellendioden in einem streifenförmigen Bereich, der ohne Dotierung verbleiben kann, ein Riss durch den Wafer hindurch erzeugt wird und durch dessen Überbrückung mit gelöteten oder geklebten Metallbändchen eine Verbindung der Teilzellendioden zur Serienschaltung erfolgt. Erfindungsgemäß wird der Wafer nach in an sich bekannter Weise realisierter Zellprozessierung einseitig stoffschlüssig mit einer Ausdehnungsplatte verbunden. Es erfolgt die Isolierrissausbildung dann von der der Ausdehnungsplatte gegenüberliegenden Waferseite. Weiterhin wird die Ausdehnungsplatte mit Wafer erhitzt. In den sich ausdehnungsbedingt vergrößernden Riss oder Spalt wird dann ein Isolierstoff zum Erhalt einer dauerhaften elektrischen Isolation eingebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung monokristalliner Solarzellen mit rückseitiger Kontaktstruktur sowie einer im Waferverbund vorliegenden Vielzahl von annähernd flächengleichen Teilzellendioden mit lokalen pn-Übergängen, welche zum Erhalt einer erhöhten Ausgangsspannung in Serie geschaltet werden, wobei zwischen benachbarten Teilzellendioden ein schlitz- oder streifenförmiger Materialabtrag mit sich ergebender Isolierausbildung vorgenommen wird und eine Verbindung der Teilzellendioden zur Serienschaltung erfolgt, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, Silizium-Solarzellen mit metallischen vorderseitigen Kontaktfingern auf der Emitterschicht und ganzflächigen Rückseiten-Metallkontakten des Basisbereichs (Back Surface Field BSF) herzustellen. Dabei ist es Aufgabe der Entwicklung, neben einer Reduktion der Herstellungskosten eine Maximierung des Wirkungsgrads zu erreichen. Die Entwicklung von Hocheffizienzzellen mit einem Wirkungsgrad mit mehr als 20% geht zunehmend in Richtung der Verlagerung des Emitters und der Emitterkontaktierung von der Vorderseite auf die Rückseite. Die sich hieraus ergebenden Rückseiten-Kontaktstrukturen der sogenannten Interdigitated Back Contact Cell (IBC), die aus zwei ineinander greifenden Gabelstrukturen besteht, ist allerdings seit längerem bekannt. Eine derartige bekannte IBC-Kontaktstruktur ist in der 1 in perspektivischer Ansicht gezeigt. Zum Stand der Technik sei hier auf nachstehende Publikationen verwiesen.

R. J. Schwartz, Review of Silicon Solar Cells for High Concentrations, Solar Cells, 6, (1982), S. 17–38;
Martin A. Green, Silicon Solar Cells – Advanced Principles and Practice, Centre for Photovoltaic Devices and Systems, University of New South Wales, Sidney, Australia, 1995, S. 255 ff..

Eine IBC-Zelle gemäß 2 mit der aktiven Fläche F₀, welche der Waferfläche abzüglich eines schmalen Randstreifens entspricht, ist mit einem ersten Kontaktkamm 1 mit Stromsammelbahn 5 und mit einem zweiten interdigital angeordneten Kontaktkamm 2 mit Stromsammelbahn 6 ausgestattet. Die sich ergebende Fläche ist elektrisch gesehen eine einzige Diode, die an der einen Waferkante Basiskontaktflächen 3 und an der gegenüber liegenden Waferkante Emitterkontaktflächen 4 besitzt.
Eine z. B. aus der JP 58-039071 , JP 63-211773 oder der EP 0 985 233 B1 bekannte Rückseitenkontakt-Solarzelle besitzt einen Emitter auf der Vorderseite, d. h. der dem Licht zugewandten Seite des Wafers und wird von einer Anzahl paralleler Leiterbahnen kontaktiert. Eine derartige bekannte Zelle ist in der 3A in prinzipieller Vorderseitenansicht und in 3B in prinzipieller Rückseitenansicht dargestellt. Die parallelen Leiterbahnen weisen hier das Bezugszeichen 11 und die Emittersammelbahnen das Bezugszeichen 12 auf. Jede Leiterbahn ist elektrisch über die vorerwähnte Emittersammelbahn 12 an mindestens ein durch Laserbeschuss erzeugtes, mit Emitterdotierung versehenes und mit Siebdruckpaste leitfähig ausgekleidetes Durchkontaktierungsloch 13 angebunden, das eine weitere Anbindung an eine der lötbaren Emitter-Busbars 14 auf der Rückseite ermöglicht. Hierdurch erfolgt eine Verbindung mit dem Emitter 4 und weiter über aufgelötete Bändchen mit den Basis-Busbars 15 der Nachbarzellen. Bei großen Wafern wird jede vorderseitige Bahn durch mindestens zwei Löcher mit der Rückseite verbunden. Ebenfalls auf der Rückseite sind lötbare Basis-Busbars 15, die die meistens nicht lötbare Rückseitenmetallisierung mit einem lötbaren Basiskontakt verbinden, vorhanden und weiterhin besteht über aufgelötete Bändchen eine Verbindung mit den Emitter-Busbars der Nachbarzelle. Der vorderseitige Emitterbereich ist mit dem Bezugszeichen 3, die rückseitige Basismetallisierung mit dem Bezugszeichen 4 versehen.
Aus der US 4,173,496 B1 ist es bekannt, mehrere Bereiche auf einem Wafer monolithisch, d. h. als eigenständige, voneinander getrennte Dioden auszubilden und erst durch elektrische Verbindungen in Serie zu schalten. Dabei ist es für die Funktion wesentlich, dass durch eine geeignete Isolation der einzelnen Zellbereiche der Ausgleich des Potentials über Diffusion oder Drift von Minoritätsladungsträgern verhindert wird.
Die in der US 4,173,496 B1 gezeigte Ausbildung zur Isolation benachbarter Diodenbereiche in einem monolithischen Wafer in Form von stark dotierten p⁺ ⁺-Bereichen als Trennwände zwischen schachbrettartig angeordneten Diodenzellen in einem n-Wafer, die von einer Hauptfläche des Wafers bis hinunter zur gegenüberliegenden Oberfläche reichen, ist herstellungsseitig aufwendig und zeitintensiv.
Aus dem US-Patent 4,933,021 B1 ist es bekannt, einen kurzgeschlossenen pn-Übergang an der Grenzlinie zwischen zwei Diodenbereichen auszubilden, was voraussetzt, dass sowohl die n- als auch die p-Gebiete auf der Rückseite nebeneinander liegen, so dass der erwähnte Grenzübergang durch einen Metallstreifen kurzgeschlossen werden kann. Eine MWT (Metal Wrap Through)-Zelle kann auf diese Weise nicht in seriengeschaltete Teilbereiche zerlegt werden.
Aus der gattungsbildenden US 5,164,019 ist eine Solarzelle vorbekannt, die mehrere in Serie geschaltete Einzelzellen aufweist und die ein Verfahren zur Isolation der einzelnen Teilzellendioden erläutert. Bei diesem Verfahren zur Isolation werden Gräben in einer Oberflächenseite zwischen den Zellen eingebracht und anschließend erfolgt eine gezielte Rissbildung ausgehend von diesen Gräben zur gegenüberliegenden Oberflächenseite. Die Gräben können vor der Zellprozessierung, aber auch im Anschluss an diese Verfahrensschritte ausgebildet werden. Problematisch ist bei derartig ausgebildeten Gräben mit gezielter Rissbildung der Erhalt einer dauerhaften Isolation, so dass zumindest im Bereich der Gräben aufgrund deren größerer räumlichen Abmessungen die Notwendigkeit besteht, eine Oxidationsschicht aufzubringen bzw. zu erzeugen.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung monokristalliner Solarzellen mit rückseitiger Kontaktstruktur sowie einer im Waferverbund vorliegenden Vielzahl von annähernd flächengleichen Teilzellendioden und lokalen pn- Übergängen anzugeben, welche zum Erhalt einer erhöhten Ausgangsspannung in Serie geschaltet werden und wobei eine sichere elektrische Isolation zwischen den Teilzellendioden zu gewährleisten ist, so dass insgesamt die ausgebildete Solarzelle über eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit verfügt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Isolation soll sowohl für rückseitige Kontaktsysteme von IBC-Zellen als auch für MWT-Zellen mit frontseitigen Emitter- und rückseitigen Basisbereichen geeignet sein.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Lehre gemäß dem Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen. Erfindungswesentlich ist darüber hinaus eine Solarzelle, hergestellt nach dem vorgestellten neuartigen Verfahren.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht demgemäß darin, dass der Wafer nach der überwiegend in bekannter Weise realisierten Zellprozessierung einseitig stoffschlüssig mit einer Ausdehnungsplatte, insbesondere einer Metallplatte verbunden wird. Nach dieser Verbindung wird eine Isolierrissbildung von der der Ausdehnungsplatte gegenüberliegenden Waferseite vorgenommen. Diese Isolierrissbildung kann beispielsweise durch das sogenannte TLS-Verfahren erfolgen. Hier wird die Oberfläche mit einem Laserstrahl lokal erwärmt und anschließend gekühlt, was lokale Spannungen nahe der Oberfläche verursacht, die dann zu einem gezielten Materialriss führen. Im Anschluss daran wird die Ausdehnungsplatte erhitzt, wodurch sich ausdehnungsbedingt der Riss oder Spalt vergrößert. In diesen derart vergrößerten Riss oder Spalt wird dann ein bevorzugt flüssiger Isolatorstoff zum Erhalt einer dauerhaften elektrischen Isolation eingebracht.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann während des Erhitzens der Ausdehnungsplatte gleichzeitig ein Lötvorgang zum Verbinden der Teilzellendioden durchgeführt werden. Hierfür weist die Ausdehnungsplatte integrierte Lötstreifen für das elektrische Verbinden der Teilzellendioden auf.
Die Ausdehnungsplatte kann, wie bereits erwähnt, aus einem metallischen Material bestehen und Ausnehmungen zur isolierenden Aufnahme von Lötstreifen oder Lötbändchen umfassen.
Die Lötstreifen oder Lötbändchen sind bevorzugt oberflächenbündig in den Ausnehmungen durch einen isolierenden Klebstoff befestigt.
Der Isolierstoff kann ausgestaltend aus einer Düse entlang des Risses oder des Spaltes als Flüssigstoff aufgetragen und durch Kapillarkräfte in den jeweiligen Riss oder Spalt hineingezogen werden.
In den Bereichen zwischen benachbarten Teilzellendioden sind dotierungsmaterialfreie Zonen ausgebildet, um bezüglich der Umgebung hochohmigere Trennungsabschnitte auszubilden.
Die erfindungsgemäße Solarzellenstrukturierung ermöglicht auf einfache und vorteilhafte Weise die Herstellung von nebeneinander liegenden und durch Lücken oder Zonen getrennten Teilbereichen der Solarzelle und anschließend deren sichere elektrische Trennung.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann jede Zelle auf eine metallische Ausdehnungs- oder Kühlplatte durch Kleben aufgebracht werden.
Bei erhöhter Temperatur wird nun die Isolierrissbildung, z. B. laserunterstützt ausgeführt. Die Teilzellen werden dann durch die thermische Ausdehnung der Metallplatte auseinander gezogen und isoliert sowie bevorzugt simultan miteinander verlötet. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit von der Anzahl der Teilzellendioden die Ausgangsspannung der Solarzelle durch die entsprechende Serienschaltung wunschgemäß erhöht werden.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Trenn- und Isolationsmethodik für benachbarte Waferbereiche hat folgende Vorteile.
Zum einen ist das Verfahren sowohl für IBC-Zellen als auch für MWT-Zellen geeignet und ermöglicht die Einstellung der Zellspannung durch Wahl der Streifenzahl, mit dem die Ausgangsspannung der Solarzelle vorgebbar ist.
Die Zahl der Teilzellen und damit die erhöhte Ausgangsspannung ist prinzipiell nicht nach oben begrenzt. Eine typische Zellenzahl wird für 6-Zoll-Wafer im Bereich zwischen 4 und 18 liegen und für Wafer mit 8-Zoll-Kantenlänge zwischen 8 und 25, was zu offenen Klemmspannungen von bis zu 12 V bzw. 15 V führt. Dabei werden die hohen Teilzellenanzahlen, z. B. > 6 bei 6-Zoll-Seitenlänge bzw. > 8 bei 8-Zoll-Seitenlänge, durch eine oder mehrere Querteilungen des Wafers erzielt, d. h. mittels einer Matrixanordnung der Teilzellen, um die Streifenbreite selbst nicht zu gering zu gestalten. Die Matrixanordnung kann hier z. B. 3 × 4 oder 3 × 6 Teilzellen oder für größere Wafer 3 × 8 oder 5 × 5 Teilzellen umfassen.
Je mehr Teilzellen gewählt werden, d. h. je höher die Ausgangsspannung ansteigt, desto geringer ist die Stromstärke. Da mit steigender Streifenzahl außerdem auch die Kontaktfingerlänge kürzer wird, sinken sowohl der ohmsche Widerstand der Finger als auch die Stromstärke gemäß der Beziehung für ohmsche Verluste R_SI², so dass auch der Füllfaktor mit der Klemmenspannung steigt.
Aufgrund der auf einen Bruchteil 1/n mit n = Zellenzahl stark gesenkten Stromstärke und der Kopplung an eine Kühlplatte ist die vorgestellte, im erfindungsgemäßen Verfahren realisierte Solarzelle speziell für die Anwendung in sogenannten Konzentratoren geeignet. Wegen der entsprechend dem Konzentrationsfaktor höheren generierten Zellenleistung bei gleicher Verlustleistung gegenüber einer einzigen Sonne ist für Konzentratorzellen in jedem Fall ein höherer Wirkungsgrad zu erwarten, wenn eine Zelle der erfindungsgemäßen Art eingesetzt wird.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 bis 3A und 3B Zellen bzw. Strukturen gemäß dem Stand der Technik;
4a und b die Einteilung einer quadratischen oder annähernd kreisrunden Solarzelle in beliebig vielen, aber flächenmäßig gleichgroße streifenförmige Diodenbereiche D₁, D₂ bis D_n mit den Flächen F₁ = F₂ = F₃ =...= F_n mit ΣF_i = F₀, beispielhaft dargestellt für n = 6 bzw. n = 5;
4c eine Darstellung gemäß derjenigen nach 4a und b, jedoch mit einer Segmentierung in Form einer Matrixanordnung der Teilzellen, die bei einer mäanderförmig hintereinander vorgenommenen elektrischen Verkettung zu einer weiteren Erhöhung der Ausgangsspannung führen;
5 die erfindungsgemäße Struktur eines Zellenbereichs am Beispiel einer Rückseitenkontaktzelle schematisch mit zwei Kämmen, die auf einer doppelten Busbarlinie miteinander verbunden sind, so dass die Diodenbereiche beider Hälften in Serie gepolt, aber durch eine Lücke oder Zone voneinander getrennt sind;
6a eine erfindungsgemäße Isolierung benachbarter Bereiche durch einen durch thermisches Laser-Separieren induzierten Riss im Kristallgefüge zwischen den beiden Busbars;
6b einen Querschnitt gemäß der Darstellung nach 6a entlang der Linie A-B mit erkennbarem induzierten Riss;
7 eine erfindungsgemäße Zellenstruktur einer kompletten Rückseitenkontaktzelle, erhalten durch Aneinanderreihen von Basiszellen gemäß 5 für n = 4;
8a und b beispielhafte Anwendungen der erfindungsgemäßen Isolierungs- und Serienschaltungsstruktur bei einer MWT-Zelle für das Beispiel n = 6 auf quadratischem Wafer, wobei 8A die Emittergebiete mit Kontaktbahnen auf der Vorderseite und 8B die BSF-Bereiche und die Busbars auf der Rückseite darstellt;
8c einen Schnitt entlang der Linie P-Q gemäß 8a bzw. 8b durch Frontfinger und ein Durchkontaktierungsloch, wobei diese mit Emitterdotierung versehenen und mit Siebdruck metallisierten Durchkontaktierungen nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, den frontseitigen Emitter mit dem rückseitigen Emitter zur nächsten Solarzelle verbinden, sondern erfindungsgemäß findet eine Verbindung der frontseitigen Emitter-Busbars über rückseitige Emitter-Busbars mit den rückseitigen BSF-Metallisierungsgebieten des jeweils direkt in der Figur rechts daneben liegenden Zellgebiets statt, und
9 eine Darstellung der Trennung der MWT-Zellenstreifen durch laserinduzierte (TLS-)Rissbildung nach Aufbringen auf eine Ausdehnungs- oder Kühlplatte mit integrierten Lötstreifen, die die Unterbrechungen der Busbars überbrücken.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von einer Silizium-Solarzelle mit in beliebiger Weise erzeugtem rückseitigen Kontaktsystem für die p- und n-Bereiche ausgegangen. Dieses Kontaktsystem kann entweder zu rückseitigen Emitter- und rückseitigen Basisbereichen (IBC-Zelle) oder zu frontseitigen Emitter- und rückseitigen Basisbereichen (MWT-Zelle) gehören.
In einem ersten Schritt wird eine geometrische Unterteilung einer rückseitig kontaktierten Solarzelle auf einem quadratischen, quasiquadratischen oder kreisrunden Wafer in nebeneinander liegende, elektrisch unabhängige, aber anschließend miteinander verbundene Diodenbereiche D₁ bis D_n vorgenommen. Diese Bereiche sind vorteilhaft streifenförmig, z. B. wie in den Figuren dargestellt, von oben nach unten von einer Waferkante bis zur gegenüberliegenden Waferkante ausgebildet.
Die 4a zeigt einen quadratischen Wafer mit sechs streifenförmigen Bereichen. Selbstverständlich kann die Form aber auch quasiquadratisch oder kreisrund (4b) sein.
Maßgeblich ist, dass die Diodenbereiche D₁ bis D_n mit frei wählbarer Anzahl (n) im Wesentlichen gleichgroße Flächen besitzen, wobei sich F₁ = F₂ = F₃ = ... = F_n, mit ΣF_i = F₀ = aktive Waferfläche ergibt.
Die flächengleichen Formen haben dann einen Basiskontakt 3 und einen Emitterkontakt 4 als Außenkontakte bzw. Anschlüsse der sich ergebenden Diodenkette.
In diesen Fällen wird, wie grundsätzlich bekannt, die offene Klemmspannung V_K der Solarzelle, die in seriengeschaltete Diodenbereiche D₁ bis D_n aufgeteilt wird, als Wert die n-fache open circuit voltage (V_OC), also n·V_OC aufweisen. Im Gegenzug wird natürlich der durch das einfallende Licht erzeugte gesamte Kurzschlussstrom der Solarzelle I_n = I_sc/n betragen.
4c zeigt eine Möglichkeit der Segmentierung von Solarzellen, welche neben quasi parallelen Streifen auch Querlücken aufweist im Sinne einer Matrixanordnung der Teilzellen. Diese Teilzellen können mäanderförmig hintereinander elektrisch verkettet noch höhere Ausgangsspannungen bereitstellen.
5 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Zellstruktur einer IBC-Rückseitenkontaktzelle mit hoher Ausgangsspannung in schematischer Weise, d. h. nicht maßstabgetreu.
Die Basiseinheit 30 besteht aus zwei ineinander greifenden sogenannten interdigitalen Kontaktkämmen 31 und 32, wobei ein Kontaktkamm die Basisbereiche der Solarzelle und der andere Kontaktkamm die Emitterbereiche der Zelle kontaktiert, die verschieden breit sein können.
Im Unterschied zur Darstellung nach 5 können auch die Finger und die Sammelbahnen verschieden breit sein. Die Fingerform kann auch eine konische Gestalt annehmen.
In der Querschnittsdarstellung nach 6b ist zur Vereinfachung nicht angegeben, wie in an sich bekannter Weise die Basisbahnen 31 mit Sammelbahn 33 und die Emitterkammbahnen 32 mit Sammelbahn 35 auf einer Isolationsschicht abgeschieden werden und nur lokal durch kleine Löcher in der Oxidschicht mit den dotieren Basisbereichen 42 und den Emitterbereichen 43 in Kontakt stehen. Die Passivierschicht ist mit dem Bezugszeichen 44 gekennzeichnet.
Die Isolation benachbarter Diodenbereiche auf dem Wafer beruht auf der Technik der lokalen Nicht-Dotierung und der Methode des thermischen Laser-Separierens.
Lokales Nicht-Dotieren bedeutet, dass unterschiedlichste Dotiermaterialien großflächig aufgetragen, aber lokal entfernt oder weggelassen werden, d. h. es wird Dotierstoff entlang einer Trennungslinie zwischen den Diodenbereichen gemäß 4 und dortigen Linien auf einer Breite d (siehe 5, Bezugszeichen 34) z. B. mit d = 1 mm nicht in die Halbleiteroberfläche eingebracht.
Die physikalische Trennung bei gleichzeitiger elektrischer Verbindung der beiden Hälften der jeweiligen Basiszelle gemäß 5 wird über erfindungsgemäße doppelte Sammelbahnen 33 und 35 bewirkt.
Die 6a stellt vergrößert dar, dass die Laser-Trennlinie 36 mitten in der Lücke oder Zone 34, die durch lokales Nicht-Dotieren hergestellt worden ist, von zwei parallelen Sammelbahnen 33 und 35 flankiert wird, von denen die erste 33 auf der linken Seite mit den Basisbahnen 31 und die zweite 35 auf ihrer rechten Seite mit den Emitterbahnen 32 verbunden sind.
6b zeigt schematisch im Querschnitt, dass der Riss 36 durch die gesamte Waferdicke von der lichtabgewandten prozessierten Oberfläche 50 bis zur gegenüberliegenden lichtzugewandten Oberfläche 51 des Wafers reicht.
Somit werden Waferbereiche 40 und 41 körperlich und damit wirksam elektrisch voneinander getrennt, so dass die Minoritätsladungsträger nicht über die tief liegenden Waferbereiche in die benachbarten Bereiche wandern können.
9 macht deutlich, wie durch Aufbringen des Wafers auf eine metallische Kühlplatte das Auseinanderfallen des Wafers beim thermischen Laser-Separieren verhindert wird und gelötete Verbindungsbändchen an den Oberflächen von der einen Sammelbahn 33 zur Nachbar-Sammelbahn 35, also von einem Zellbereich zum Nachbarbereich vorhanden sind, um entsprechende Ströme zu leiten, so dass diese Zellenbereiche oder Teilzellen in Serie geschaltet sind.
Wie bereits dargelegt, lässt sich die vorgeschlagene Struktur und die beschriebene Technik der Isolation benachbarter Teilzellen durch lokale Nicht-Dotierung und thermisches Laser-Separieren vorteilhaft sowohl auf IBC-Zellen als auch auf MWT-Strukturen anwenden.
Die 7 zeigt, wie durch quasi Übereinandersetzen von Bereichselementen des Grundtyps 30 gemäß 5 lange streifenförmige Diodenbereiche hergestellt werden, durch deren Serienschaltung dann eine komplette Waferfläche abgedeckt wird.
Die 8 zeigt die erfindungsgemäße Zellstruktur für MWT-Zellen. Der vorderseitige Emitter wird durch die erfindungsgemäße Strukturierung in unabhängige Bereiche, in der hier gewählten Ausgestaltung in Streifen 90 von einer Waferkante zur anderen mit Lücken oder Zonen 34 unterteilt. Innerhalb dieser Emitterstreifen werden parallele Leiterbahnen 91, z. B. aus Silberpaste, auf die Emitter aufgebracht, die in schmale, senkrecht dazu verlaufende Busbars 92 münden, die ebenfalls z. B. aus Silberpaste bestehen.
Diese Busbars 92 verlaufen entlang der rechten Kante der Emittergebiete 90. Sie können entweder von einer Waferkante zur anderen durchlaufen und alle von links einmündenden Leiterbahnen mit einer frei wählbaren Anzahl von Durchkontaktierungslöchern 93 verbinden oder aber mehrfach unterbrochen sein und dann jeweils nur zwei, drei, vier oder fünf Leiterbahnen 91 untereinander und mit mindestens einem Durchkontaktierungsloch 93 verbinden.
Die Durchkontaktierungslöcher 93 werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt, durch Laserbeschuss hergestellt, während der Emitterdiffusion an ihren Wänden und rund um ihren rückseitigen Rand mit einer n⁺ ⁺-Emitterdotierung versehen und dann mit z. B. Silberpaste metallisiert. Ebenfalls werden diese Löcher auf der Rückseite durch metallische Busbars 95 durchgängig oder auch stückweise miteinander verbunden (8b), wobei die leitfähige Paste von unten in die Löcher eindringt und die Verbindung zur von oben kommenden Paste herstellt. Die rückseitigen Busbars 95 liegen in einem geeigneten Abstand 96 vom links daneben liegenden BSF-Feld genau unterhalb der vorderseitigen Busbars 92, siehe 8c.
Die gesamte Zelle besitzt auf der in den Figuren dargestellten linken Waferkante einen Basiskontakt 3 und auf der gegenüberliegenden rechten Waferkante wenigstens einen Emitterkontakt 4, der durch Anbindung an dem an der rechten Waferkante entlang laufenden rückseitigen Emitterbusbar 97 und somit über die darin enthaltenen Durchkontaktierungen mit dem letzten vorderseitigen Emitterbereich verbunden ist. Diese großen Kontaktfelder werden zusammen mit den rückseitigen Emitterbusbars 95 und 97 mit lötfähigem Material, z. B. Silberpaste beschichtet. Die großflächige BSF-Metallisierung 94 der Rückseite kann mit einer kostengünstigen Paste, z. B. aus Aluminium, hergestellt werden.
Die Zellentypen gemäß 7 und 8 am Beispiel eines quasiquadratischen oder quadratischen Wafers können in analoger Weise auch auf kreisförmige Wafer gemäß 4 realisiert werden.
Ein beispielhaftes Verfahren einer realisierten MWT-Zelle mit höherer Ausgangsspannung umfasst für p-dotiertes Silizium und für mehr als einen streifenförmigen n⁺⁺-Emitterbereich folgende Schritte:
Als Ausgangsmaterial werden untexturierte, sägeschadengeätzte p-Silizium-Wafer eingesetzt. Im ersten Prozessschritt erfolgt eine beidseitige thermische Oxidation der Wafer in einem sogenannten Batch-Prozess. Im zweiten Prozessschritt werden Durchkontaktierungslöcher 93 in den Bereichen der späteren vorder- und rückseitigen Emitterbusbars 92 bzw. 95 und 97 ausgebildet. Ein entsprechender Beschuss kann von der Rückseite durchgeführt werden, nachdem vorher ein Streifen Oxid entlang der späteren Emittersammelbahn 95, die die Löcher miteinander verbinden, ablatiert worden ist.
Im dritten Prozessschritt erfolgt ein Entfernen des Oxids in den späteren Emitterbereichen 90 der Vorderseite durch nasschemisches Ätzen mit Ätzpaste oder Plasmaätzen. Dabei bleibt das Oxid in den späteren Lücken oder Zonen 34 durch Abschatten mit einem Metallsteg oder durch Abdecken mit einer organischen Lackschicht erhalten. Im vierten Prozessschritt wird eine Texturierung der Emitterbereiche 90, z. B. durch KOH + IPA oder eine saure Textur vorgenommen. In diesem Schritt werden auch in den Durchkontaktierungslöchern die Oberflächenschäden weggeätzt.
Im fünften Prozessschritt erfolgt eine Phosphordiffusion in den Emitterbereichen 90, in den Durchkontaktierungslöchern und in den rückseitigen Streifen, die die Löcher verbinden, und zwar mittels POCl₃.
Beim sechsten Prozessschritt wird eine Phosphorsilikatglas-Ätzung der Emitterflächen 90 an der Vorderseite und in den Durchkontaktierungslöchern 93 vorgenommen, wobei gleichzeitig auch das restliche thermische Oxid aus den Lückenbereichen 34 der Vorderseite und von der gesamten Rückseite entfernt wird. Im siebten Prozessschritt wird eine Passivierung der Vorderseite mit SiNx beispielsweise und vorzugsweise durch PECVD realisiert.
Als achter Prozessschritt schließt sich eine Siebdruckmetallisierung der Lötkontakte 3 und 4, der Emitterbusbars 95 und 97 und ein Füllen der Durchkontaktierungslöcher 93 mit leitfähiger Paste an.
Im neunten Prozessschritt wird ein Ansaugen der Metallpaste in die lasergebohrten Löcher 93 vorgenommen. Im zehnten Prozessschritt erfolgt ein Trocknen der Rückseiten-Metallisierung und ein Drehen bzw. Wenden der Wafer.
Im elften Prozessschritt werden durch Siebdruck vorderseitige Finger 91 und Sammelbahnen 92 mit Überdrucken der Durchkontaktierungslöcher 93 mit Silberpaste erzeugt. Im zwölften Prozessschritt wird die Silberpaste getrocknet und es erfolgt ein erneutes Wenden der Wafer.
Im dreizehnten Prozessschritt werden großflächige BSF-Bereiche auf der Rückseite mit Aluminiumpaste gemäß beispielhaftem Layout nach den 7B und 7C gedruckt, d. h. es erfolgt ein Überlappen auf einer Seite mit den rückseitigen Emitterbusbars 95 und mit den Lötkontaktflächen 3 und 4 sowie ein Trocknen der Aluminiumpaste.
Im vierzehnten Prozessschritt werden alle aufgebrachten Pasten gesintert.
Im fünfzehnten Prozessschritt erfolgt eine Verbindung der Teilzellen zur angestrebten Serienschaltung (siehe 9).
Hierfür wird zunächst eine metallische Kühlplatte 100 vorbereitet, die z. B. aus Kupfer oder Aluminium besteht und die isoliert eingelagerte Lötbändchen 103 aufweist, die mit isolierendem Kleber 102 oberflächenbündig in einer Vertiefung oder Ausnehmung der Kühlplatte 100 befestigt worden sind.
Im zweiten Teilschritt wird über eine Klebeschicht 101 ein Aufkleben des Wafers auf der Rückseite der Ausdehnungs- bzw. Kühlplatte 100 vorgenommen, so dass die beiden Busbars 95 und 96 auf den mit Lot oder mit leitfähigem Kleber 102 beschichteten Bändchen 103 zu liegen kommen.
Beim dritten Teilschritt wird von der Vorderseite her ein thermisches Laser-Separieren realisiert, d. h. es erfolgt ein Herstellen der Risse 35 in allen Lücken oder Zonen 34.
Der vierte Teilschritt ist durch ein Aufheizen der Kühlplatte von unten, vorzugsweise auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des verwendetes Lotes 102, mindestens auf 200°C gekennzeichnet.
Im fünften Teilschritt werden durch die thermische Ausdehnung der Kühlplatte 100 die Teilzellen an ihren Rissen um einige Mikrometer voneinander entfernt. Dies wird genutzt, um einen flüssigen Isolator entlang der Risse aus einer feinen Düse abzuscheiden. Die Flüssigkeit verteilt sich dann über die Kapillarkräfte in den aufgeweiteten Spalt und wird dort hineingezogen. Aufgrund der noch herrschenden hohen Temperaturen erfolgt ein Erstarren der Isolationsflüssigkeit. Beim Abkühlen der Anordnung bleiben die Teilzellen voneinander isoliert und sind gleichzeitig über die oberflächig angelöteten Bändchen 103 elektrisch in Serie geschaltet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 58-039071 [0004]
- JP 63-211773 [0004]
- EP 0985233 B1 [0004]
- US 4173496 B1 [0005, 0006]
- US 4933021 B1 [0007]
- US 5164019 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- R. J. Schwartz, Review of Silicon Solar Cells for High Concentrations, Solar Cells, 6, (1982), S. 17–38 [0002]
- Martin A. Green, Silicon Solar Cells – Advanced Principles and Practice, Centre for Photovoltaic Devices and Systems, University of New South Wales, Sidney, Australia, 1995, S. 255 ff. [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung monokristalliner Solarzellen mit rückseitiger Kontaktstruktur sowie einer im Waferverbund vorliegenden Vielzahl von annähernd flächengleichen Teilzellendioden mit lokalen pn-Übergängen, welche zum Erhalt einer erhöhten Ausgangsspannung in Serie geschaltet werden, wobei zwischen benachbarten Teilzellendioden eine gezielte Isolierrissbildung vorgenommen wird und eine Verbindung der Teilzellendioden zur Serienschaltung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer nach der Zellprozessierung einseitig stoffschlüssig mit einer Ausdehnungsplatte verbunden wird und die Isolierrissausbildung von der der Ausdehnungsplatte gegenüberliegenden Waferseite erfolgt, weiterhin die Ausdehnungsplatte mit Wafer erhitzt sowie in den sich ausdehnungsbedingt vergrößernden Riss oder Spalt ein Isolierstoff zum Erhalt einer dauerhaften elektrischen Isolation eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Erhitzung der Ausdehnungsplatte ein Lötvorgang zum Verbinden der Teilzellendioden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungsplatte integrierte Lötstreifen für das elektrische Verbinden der Teilzellendioden aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungsplatte aus einem metallischen Material besteht und Ausnehmungen zur isolierenden Aufnahme von Lötstreifen oder Lötbändchen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötstreifen oder Lötbändchen oberflächigenbündig in den Ausnehmungen durch einen isolierenden Klebstoff befestigt sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoff aus einer Düse entlang des Risses oder des Spaltes als Flüssigstoff aufgetragen wird und durch Kapillarkräfte in den jeweiligen Riss oder Spalt eindringt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bereichen zwischen benachbarten Teilzellendioden dotierungsmaterialfreie Zonen ausgebildet sind, um bezüglich der Umgebung hochohmige Trennungsabschnitte zu bilden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterschicht auf der dem Licht abgewandten Hauptfläche des Wafers, als Rückseite definiert, bei der lokalen Dotierung der Emitter- und BSF-Bereiche in flächengleiche streifenförmige, nebeneinander liegende, sich nicht berührende hochdotierte Bereiche unterteilt wird, indem sie durch eine nur mit der Basisdotierung versehene Lücke voneinander getrennt werden und jeweils an sich bekannte interdigitale Kontaktkämme umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterschicht auf der dem Licht zugewandten Seite des Wafers, als Vorder- oder Frontseite definiert, in flächengleiche streifenförmige, nebeneinander liegende, sich nicht berührende hochdotierte Emitterbereiche unterteilt wird, dadurch dass die im Wesentlichen parallel zur kurzen Seite des Streifens verlaufenden, auf die Längen der kurzen Seiten der streifenförmigen Bereiche beschränkten Emitterkontakt-Leiterbahnen lokale, sich nicht berührende Emitterkämme bilden, indem ihre einzelnen Bahnen oder mehrere Bahnen zusammengekoppelt, mittels einer geeignet gewählten Anzahl von metallisierten Durchkontaktierungslöchern mit jeweils wenigstens einem Emitterbusbar auf der Rückseite verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterkontakt-Leiterbahnen eines jeden Teilemitters auf der Zellenrückseite, die vorteilhaft durch eine darunter liegende dielektrische Passivierungsschicht von der Halbleiterfläche isoliert sind und diese nur lokal durch Löcher in der Passivierungsschicht kontaktieren, in wenigstens eine Emitter-Sammelbahn (Emitterbusbar) einmünden, die am Rand des hochdotierten Zellbereichs der undotierten Lücke folgt, wobei auf der weiteren Seite der Lücke ein weiterer Busbar verläuft, von dem Leiterbahnen in den daneben liegenden Nachbar-Zellenbereich führen, wo sie über lokale Kontaktpunkte an die dortigen Basis-Oberflächen angebunden sind, so dass sich bei späterer externen Verbindung der parallelen Busbars die Dioden der beiden nebeneinander liegenden Zellenbereiche in elektrischer Serienschaltung befinden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine rückseitige Emitterbusbar eines ersten vorderseitigen streifenförmigen Zellbereichs aus lötfähigem Material besteht und innerhalb einer undotierten Lücke zwischen dem Bereich mit Basismetallisierung unterhalb des ersten streifenförmigen Zellbereichs und dem Bereich mit Basismetallisierung eines zweiten, benachbarten streifenförmigen Zellbereichs verläuft, wobei der Bereich mit Basismetallisierung des zweiten, benachbart liegenden streifenförmigen Zellbereichs einen lötfähigen Metallstreifen, d. h. also einen Basisbusbar, entlang der Lücke zum ersten Emitterbusbar aufweist, so dass sich bei entsprechender leitfähiger Verbindung der parallelen Busbars die Dioden der beiden nebeneinander hegenden Zellenbereiche in elektrischer Serienschaltung befinden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer eine viereckige Form aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer eine quasiquadratische Form mit schräg verlaufenden Eckbereichen aufweist, wobei die Flächen der vorzugsweise streifenförmigen Teilzellendiodenbereiche, die die schrägen Ecken und die beiden Außenkontaktflächen enthalten, durch eine Erhöhung ihrer Streifenbreite an die Fläche der zentralen Streifen ohne schräg verlaufende Ecken angepasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer eine runde Flächenform aufweist, wobei die Flächen der vorzugsweise streifenförmigen Teilzellendiodenbereiche, die die Kreissegmentabschnitte der Seitenbereiche und die dort angeordneten Außenkontaktflächen enthalten, durch eine Erhöhung der Streifenbreite an die Fläche der zentralen Streifen mit weniger Rundungsbereich angepasst werden.
Solarzelle, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche.