DE102008028104A1

DE102008028104A1 - Metallisierungsverfahren für Solarzellen

Info

Publication number: DE102008028104A1
Application number: DE102008028104A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Krause; Bernd Dr. Bitnar; Holger Dr. Neuhaus
Original assignee: Deutsche Cell GmbH
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2009-12-24
Also published as: US7939437B2; US20090311825A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle werden p-Kontakte (4) und n-Kontakte (5) gleichzeitig hergestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur eines Halbleiter-Bauelements, insbesondere einer Solarzelle.
Bei der Solarzellenherstellung werden standardmäßig Metallkontakte mittels Siebdruck auf ein Silizium-Substrat aufgebracht. Die Aufbringung der Kontakte auf der Vorder- und der Rückseite einer Solarzelle geschieht dabei hintereinander mit jeweils einem Trockenschritt nach jedem Siebdruckschritt. Dies ist sehr aufwändig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem die Herstellung einer Kontaktstruktur eines Halbleiter-Bauelements, insbesondere einer Solarzelle, vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, p- und n-Kontakte eines Halbleiter-Bauelements gleichzeitig herzustellen. Hierdurch wird die Anzahl der zur Herstellung der Kontakte notwendigen Prozessschritte verringert, was zu Zeit- und Kosteneinsparungen führt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batch-Anlage zur Durchführung einer stromlosen Metallabscheidung,
4 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batch-Anlage zur galvanischen Metallabscheidung,
5 eine Ausschnittsvergrößerung des Bereichs V in 4,
6 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Durchlauf-Anlage zur stromlosen Metallabscheidung und
7 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Durchlauf-Anlage zur galvanischen Metallabscheidung.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens beschrieben. Zunächst wird ein flächig ausgebildetes Halbleiter-Substrat 1 mit einer Vorderseite 2 und einer Rückseite 3 mittels dem Fachmann geläufiger Verfahren mit einer Dotierung versehen. Nach der Dotierung weist das Halbleiter-Substrat 1 mindestens einen p-dotierten Bereich 4 und mindestens einen n-dotierten Bereich 5 auf. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist sowohl der p-dotierte Bereich 4 als auch der n-dotierte Bereich 5 einfach zusammenhängend ausgebildet. Hierbei sind der p-dotierte Bereich 4 und der n-dotierte Bereich 5 auf gegenüberliegenden Seiten 2, 3 des Halbleiter-Substrats 1 angeordnet.
Als Halbleiter-Substrat 1 dient beispielsweise ein Silizium-Wafer. Jedoch kann das Halbleiter-Substrat 1 auch aus einem anderen Halbleiter-Material, beispielsweise Germanium, einem Verbindungshalbleiter oder einem organischen Halbleiter sein. Das Halbleiter-Substrat 1 dient insbesondere zur Herstellung einer Solarzelle.
In einem Vorprozess-Schritt wird eine dielektrische Isolationsschicht 6 auf das Halbleiter-Substrat 1 aufgebracht. Die Isolationsschicht 6 überdeckt hierbei zunächst sowohl den p-dotierten Bereich 4 als auch den n-dotierten Bereich 5 vollständig. Die Isolationsschicht 6 dient als Antireflex-Schicht. Sie ist vorzugsweise aus Siliziumnitrid. Sie kann auch aus Siliziumdioxid sein.
Sodann wird die Isolationsschicht 6 vorzugsweise mittels eines Laser- oder Ätzverfahrens bereichsweise mit Öffnungen 7 versehen. Hierzu wird auf die Isolationsschicht 6 zunächst eine Maske 8 aus einem organischen Material, insbesondere aus Epoxidharz oder aus Wachs, aufgebracht. Alternativ kann die Isolationsschicht 6 durch einen Laserprozess strukturiert werden. Es ist hierbei denkbar, vor der Durchführung des Laserprozesses die Maske 8 aufzubringen, die gleichzeitig mit der Isolationsschicht 6 durch den Laser strukturiert wird. Die Maske 8 wird mittels eines Druck-Verfahrens, insbesondere eines Ink-Jet-Druck-Verfahrens, aufgebracht. Die Maske 8 kann die Funktion der Isolationsschicht 6 übernehmen, welche in einem alternativen Ausführungsbeispiel somit entfallen kann. Vorzugsweise erfolgt beim Öffnen der Isolationsschicht 6 eine zusätzliche Dotierung des Halbleiter-Substrats 1 im Bereich der Öffnungen 7.
Die Öffnungen 7 durchdringen die Maske 8 und die Isolationsschicht 6 vollständig, sodass an den Stellen des Halbleiter-Substrats 1, an welchen p-Kontakte 9 hergestellt werden sollen, der p-dotierte Bereich 4 des Halbleiter-Substrats 1 freiliegt. Entsprechend liegt der n-dotierte Bereich 5 des Halbleiter-Substrats 1 nach dem Öffnen der Isolationsschicht 6 an den Stellen frei, an welchen n-Kontakte 10 angeordnet werden sollen.
Die Öffnungen 7 werden seitlich durch Flanken 11 der Maske 8 begrenzt. Die Flanken 11 stehen zumindest annähernd senkrecht auf den Seiten 2, 3 des Halbleiter-Substrats 1. Selbstverständlich ist eine alternative geometrische Ausgestaltung der Maske 8, insbesondere deren Flanken 11, denkbar, um eine alternative geometrische Form der Öffnungen 7 und somit der in den Öffnungen 7 angeordneten Kontakte 9, 10 zu erreichen.
Zur Herstellung der Kontakte 9, 10 wird das Halbleiter-Substrat 1 im Bereich der Öffnungen 7 metallisiert. Hierzu ist eine stromlose Metallabscheidung einer metallischen Keimschicht 12 vorgesehen. Erfindungsgemäß werden als Keimschicht 12 Metalle wie Nickel, Kobalt, Palladium, Silber, Chrom oder eine Legierung der genannten Metalle abgeschieden. Die Abscheidung der Keimschicht erfolgt durch Eintauchen des Halbleiter-Substrats 1 in eine chemische Lösung 13. Da erfindungsgemäß das gesamte Halbleiter-Substrat 1 mit sowohl dem p-dotierten Bereich 4 als auch dem n-dotierten Bereich 5 vollständig in die Lösung 13 eingetaucht wird, werden die p-Kontakte 9 und die n-Kontakte 10 gleichzeitig abgeschieden. Die Keimschicht 12 wird insbesondere direkt auf dem Halbleiter-Substrat 1 abgeschieden. Somit stehen die p-Kontakte 9 in elektrischem Kontakt mit dem p-dotierten Bereich 4 des Halbleiter-Substrats 1. Entsprechend stehen die n-Kontakte 10 in elektrischem Kontakt mit dem n-dotierten Bereich 5.
Alternativ zu einer stromlosen Metallabscheidung kann die Keimschicht 12 auch galvanisch abgeschieden werden.
Es ist somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Vorder- und Rückseitenkontakte eines Halbleiter-Substrats 1 in einem einzigen Prozessschritt und in einer einzigen Anlage herzustellen.
In weiteren Prozessschritten werden zur Verdichtung der Kontakte 9, 10 eine Diffusions-Sperrschicht 14 aus Nickel und/oder Kobalt, eine Leiterschicht 15, insbesondere aus Kupfer, und eine Schutzschicht 16, insbesondere aus Silber, Zinn oder Nickel, auf der Keimschicht 12 abgeschieden. Die Kontakte 9, 10 sind somit mehrschichtig ausgebildet und umfassen die Keimschicht 12, die Diffusions-Sperrschicht 14, die Leiterschicht 15 und die Schutzschicht 16. Bezüglich weiteren Details der Kontakte 9, 10 sei auf die DE 10 2007 038 744.1 verwiesen. Die Darstellung der Schichten 12, 14, 15 und 16 sowie des Halbleiter-Substrats 1 mit den Bereichen 4 und 5 in den Figuren ist nicht maßstabgerecht und dient lediglich der Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zur Abscheidung der Schichten 14, 15, 16 auf der Keimschicht 12 sind, chemische und/oder galvanische Verfahren vorgesehen. Entscheidend ist, dass auch die Abscheidung der Schichten 14, 15, 16 im Bereich der p-Kontakte 9 und der n-Kontakte 10 gleichzeitig erfolgen kann.
Die Verdickung der Kontakte 9, 10 durch die Schichten 14, 15, 16 kann bei Bedarf auch hintereinander erfolgen. Eine einseitige Verdickung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die p-Kontakte 9 auf der Rückseite 3 des Halbleiter-Substrats 1 mit einer anderen Beschichtung versehen werden sollen als die n-Kontakte 10 auf der Vorderseite 2 des Halbleiter-Substrats 1.
Im Falle einer galvanischen Abscheidung können hierbei die Potentiale, welche an die p-Kontakte 9 und die n-Kontakte 10 angelegt werden, so gewählt werden, dass die Stromdichte in einem der beiden Bereiche höher ist als im anderen, und die Beschichtung in diesem Bereich somit schneller erfolgt, das heißt, dass die resultierende Schichtdicke größer ist als in dem anderen Kontaktbereich. Selbstverständlich ist es ebenso möglich, die Schichten 12, 14, 15 und 16 der p-Kontakte 9 mit identischer Dicke auszubilden wie die entsprechenden Schichten 12, 14, 15 und 16 der n-Kontakte 10.
Durch die Abscheidung der Schichten 14, 15 und 16 auf der Keimschicht 12 werden die Kontakte 9, 10 verdickt, wodurch insbesondere ihr Aspektverhältnis, das ist das Verhältnis ihrer Höhe zu ihrer Breite, vergrößert wird.
Die Abscheidung der Schichten 12, 14, 15 und 16 kann in einer Batch-Anlage 17 erfolgen. Hierzu wird eine Vielzahl von Halbleiter-Substraten 1 in einer Aufnahme-Vorrichtung 18 angeordnet und mit Hilfe dieser in ein Bad 19 eingetaucht.
Für eine galvanische Metallisierung werden die Kontakte 9, 10 mit der Kathode einer Gleichstromquelle 20 verbunden. Hierzu sind Kontaktklammern 21 vorgesehen, welche das Halbleiter-Substrat 1 am Rand umfassen und dabei Federkontakte auf die Kontakte 9, 10 auf der Vorder- und Rückseite 2, 3 des Halbleiter-Substrats 1 aufdrücken. Zum Schließen des Strom kreises sind Anoden 22 im Bad 19 angeordnet, welche mit der Anode der Gleichstromquelle 20 verbunden sind.
Zur Herstellung der gesamten Kontakt-Struktur können mehrere Bäder 19 hintereinander angeordnet sein, wobei jeweils zwischen zwei Metallisierungs-Bädern ein Spülungs-Bad vorgesehen ist.
Alternativ zu der Batch-Anlage 17 kann eine Durchlauf-Anlage 23 vorgesehen sein. Die Durchlauf-Anlage 23 umfasst eine Vielzahl von Transport-Rollen 24, mittels welcher das Halbleiter-Substrat 1 durch das Bad 19 hindurchführbar ist. Jeweils zwei Transport-Rollen 24 sind hierbei bezüglich des Halbleiter-Substrats einander gegenüberliegend angeordnet, wobei ihr Abstand an die Dicke des Halbleiter-Substrats 1 anpassbar ist. Die Transport-Rollen 24 sind drehbar um ihre Achse, insbesondere drehantreibbar. Für eine galvanische Metallisierung sind die Transport-Rollen 24 auf der Vorderseite 2 des Halbleiter-Substrats 1 mit der Kathode der Gleichstromquelle 20 elektrisch verbunden. Entsprechend sind die Transport-Rollen 24 auf der Rückseite 3 des Halbleiter-Substrats 1 mit der Kathode einer zweiten Gleichstromquelle 25 verbunden. Somit ist die an die p-Kontakte 9 angelegte Spannung unabhängig von der an die n-Kontakte 10 angelegten Spannung regulierbar. Selbstverständlich können die Transport-Rollen 24 auf der Rückseite 3 auch mit der Kathode der Gleichstromquelle 20 verbunden sein, so dass auf die zweite Gleichstromquelle 25 verzichtet werden kann. Die Transport-Rollen 24 weisen eine elektrisch leitfähige Oberfläche auf und stellen so den Kontakt von der Gleichstromquelle 20, 25 mit den Kontakten 9, 10 des Halbleiter-Substrats 1 her.
Vorteilhafterweise können mehrere Durchlauf-Anlagen 23 hintereinandergereiht werden, wobei wiederum jeweils eine Spülungs-Einrichtung zwischen zwei Durchlauf-Anlagen 23 vorgesehen ist.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird.
Der zentrale Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass sowohl die p-dotierten Bereiche 4 als auch die n-dotierten Bereiche 5 auf der Rückseite 3 des Halbleiter-Substrats 1 angeordnet sind. Dies ist beispielsweise bei Rückseiten-Kontaktsolarzellen, insbesondere bei sogenannten Emitter Wrap Through (EWT-) und Interdigitated Back Contact (IBC-) Solarzellen der Fall. Bei diesem Ausführungsbeispiel überdeckt die Isolationsschicht 6 die Vorderseite 2 des Halbleiter-Substrats 1 vollständig. Mit anderen Worten sind auf der Vorderseite 2 des Halbleiter-Substrats 1 keine Öffnungen 7 in der Isolationsschicht 6 vorgesehen. Die Abscheidung der Schichten 12, 14, 15 und 16 erfolgt somit ausschließlich in den durch die Öffnungen 7 definierten Bereichen auf der Rückseite 3 des Halbleiter-Substrats 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es daher nicht nötig, das Halbleiter-Substrat 1 vollständig in die Lösung 13 einzutauchen. Es genügt, wenn die Rückseite 3 des Halbleiter-Substrats 1 in die Lösung 13 eingetaucht wird. Hierdurch wird der Metallisierungs-Schritt vereinfacht. Insbesondere genügt es, wenn die Durchlauf-Anlage 23, die zur Durchführung des Metallisierungs-Schritts vorgesehen ist, nur eine Reihe von Transport-Rollen 24 aufweist, auf welchen das Halbleiter-Substrat 1 auf seiner Rückseite 3 aufliegt. Alternativ hierzu kann das Halbleiter-Substrat 1 mittels der Maske 8 auf der Vorderseite 2 mit einer in den Figuren nicht dargestellten Transport-Einrichtung verbunden sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007038744 [0022]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur eines Halbleiter-Bauelement, insbesondere einer Solarzelle, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Halbleiter-Substrats (1) mit – einer ersten Seite (2), – einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite (3), – mindestens einem p-dotierten Bereich (4) und – mindestens einem n-dotierten Bereich (5), – zumindest abschnittsweises Metallisieren der Bereiche (4, 5) zur Herstellung – mindestens eines p-Kontakts (9) in elektrischem Kontakt mit dem mindestens einen p-dotierten Bereich (4) und – mindestens eines n-Kontakts (10) in elektrischem Kontakt mit dem mindestens einen n-dotierten Bereich (5), – wobei der mindestens eine p-Kontakt (9) und der mindestens eine n-Kontakt (10) gleichzeitig hergestellt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Metallisieren zumindest eine stromlose Metallabscheidung vorgesehen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Metallisieren zumindest eine galvanische Metallabscheidung vorgesehen ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Metallisieren Nickel, Kobalt, Palladium, Silber, Chrom oder eine Legierung dieser Metalle auf dem Halbleiter-Substrat (1) abgeschieden wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (9, 10) galvanisch und/oder stromlos verdickt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung der p- und n-Kontakte (9, 10) gleichzeitig erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung der Kontakte (9, 10) unterschiedlich schnell erfolgt, sodass die Kontakte (9, 10) eine unterschiedliche Schichtdicke aufweisen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine p-dotierte Bereich (4) und der mindestens eine n-dotierte Bereich (5) auf gegenüberliegenden Seiten (2, 3) des Halbleiter-Substrats (1) angeordnet sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine p-dotierte Bereich (4) und der mindestens eine n-dotierte Bereich (5) auf derselben Seite (3) des Halbleiter-Substrats (1) angeordnet sind.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Substrat (1) vor dem Metallisieren mit einer dielektrischen Isolationsschicht (6) versehen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (6) vor der Herstellung der Kontakte (9, 10) bereichsweise mit Öffnungen (7) versehen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Öffnen der Isolationsschicht (6) eine Dotierung des Halbleiter-Substrats (1) im Bereich der Öffnungen (7) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (6) vor dem Einbringen der Öffnungen (7) mit einer Maske (8) aus einem organischen Material, insbesondere aus Wachs versehen wird.