DE102008050074A1

DE102008050074A1 - Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Kontakten auf trägersubstratfreien Photovoltaikelementen

Info

Publication number: DE102008050074A1
Application number: DE102008050074A
Authority: DE
Inventors: Ekkehart Reinhold; Steffen Mosshammer; Martin Dr. Dimer; Roland König; Jörg Dr. Faber; Hans-Christian Hecht
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-10-06
Publication date: 2009-11-12
Also published as: US20090272642A1

Abstract

Der Erfindung, welche ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung von Kontakten auf trägersubstratfreien Photovoltaikelementen betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Kontakten auf Photovoltaikelementen anzugeben, mit welchem die Nachteile der bekannten Verfahren überwunden werden. Die Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass die Kontaktschicht vollständig in einem Vakuumbeschichtungsverfahren ausgebildet wird. Die Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass in der Vakuumbeschichtungskammer Mittel zur Erzeugung einer Kontaktschicht angeordnet sind.

Description

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Erzeugung von Kontakten auf trägersubstratfreien Photovoltaikelementen beschrieben, wobei die Photovoltaikelemente mit einer photoaktiven Vorderseite und einer zu kontaktierenden Rückseite ausgeführt sind und die Rückseite mit einer elektrisch leitenden die Kontakte ausbildenden Kontaktschicht versehen wird.
Weiterhin wird eine Anordnung zur Erzeugung von Kontakten auf trägersubstratfreien Photovoltaikelementen bestehend aus mindestens einer evakuierbaren Vakuumbeschichtungskammer beschrieben.
Zur Metallisierung von ebenen Substraten, z. B. Wafern beispielsweise zur Ausbildung von Rückseitenkontakten einer Solarzelle zur Stromableitung, welche auf der Basis von kristallinem Silizium hergestellt werden, sind verschiedene Verfahren bekannt.
Ein erstes Verfahren zur Kontaktierung von Solarzellen arbeitet derart, dass beispielsweise per Siebdruck eine leitfähige Paste aufgetragen wird, welche in einem anschließenden Temperprozess zum elektrischen Kontakt formiert wird.
Aufgrund der Grenzen dieses Verfahrens wurden für neue Zellkonzepte andere Metallisierungsverfahren ins Auge gefasst.
Ein mögliches Verfahren besteht darin, Metallisierungen durch Aufsputtern von dünnen Metallschichten zu erzeugen (seed layer) und diese in einem weiteren Verfahrensschritt nachfolgend zu verstärken. Die Verstärkung kann dann durch Tauchlöten, galvanische Abscheidung oder stromlose chemische Abscheidung erfolgen. Dieses Verfahren ist durch die vielen Prozeßschritte sehr aufwendig und kostenintensiv, wobei die Produktivität durch niedrige Raten bei gleichzeitig hohen Wärmeeinträgen des Sputterprozesses begrenzt wird.
Ein weiterer Nachteil speziell bei der Metallisierung mittels Pasten liegt darin, dass mechanische Spannungen durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien entstehen. Mit dem Trend die Wafer immer dünner zu gestalten nimmt dieser Nachteil und somit die Verwerfungen der Wafer weiter zu. Außerdem können sich störende Zwischenschichten ausbilden, welche die Kontakteigenschaften bezüglich seiner elektrischen Leitfähigkeit und Haltbarkeit verschlechtern.
Daher soll nachfolgend ein Verfahren zur Erzeugung von Kontakten auf Photovoltaikelementen angegeben werden, mit welchem die Nachteile der bekannten Verfahren überwunden werden.
Bei Verfahren zur Erzeugung von Kontakten auf trägersubstratfreien Photovoltaikelementen mit einer photoaktiven Vorderseite und einer zu kontaktierenden Rückseite wird daher vorgeschlagen, die Kontaktschicht vollständig in einem Vakuumbeschichtungsverfahren auszubilden.
Gemäß der Erfindung wird die zu erzeugende Kontaktschicht nicht in mehreren verschiedenen nacheinander ablaufenden Verfahren sondern in einem Vakuumbeschichtungsverfahren vollständig ausgebildet.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Kontaktschicht in einem Durchlaufverfahren in einem Anlagendurchlauf ohne Vakuumunterbrechung mittels eines thermisch getriebenen Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahrens erzeugt wird.
In einer besonderen Ausgestaltung der ist vorgesehen, dass das Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahrens ein Hochleistungselektronenstrahlverdampfungsverfahren ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Durchlaufverfahren ein dynamisches Verfahren ist, in dem das Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahren ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren ist, bei welchem die Photovoltaikelemente durch eine Beschichtungszone mit einer Geschwindigkeit größer Null bewegt werden.
Die Erzeugung der Kontakte erfolgt beispielsweise derart, dass die zu kontaktierenden Substrate (Solarzellen) durch eine nach dem Durchlaufverfahren kontinuierlich arbeitende Inlinebeschichtungsanlage geführt werden. Hierzu werden die Substrate vorteilhaft auf einen Carrier derart aufgelegt, dass die zu beschichtende Fläche frei bleibt. Die so bestückten Carrier werden zumindest durch die Beschichtungszone der Inlinebeschichtungsanlage mit einer Geschwindigkeit größer Null hindurchgeführt, wobei in den Prozesssektionen, in denen Vakuumbedingungen herrschen, mittels thermisch getriebener Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahren die Kontakte erzeugt werden. Dabei ist das Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahren beispielsweise ein Hochleistungselektronenstrahlverdampfungsverfahren.
Das beschriebene Verfahren ist ein Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahren welches kontinuierlich arbeitet, das heißt, dass die Dampferzeugung nicht unterbrochen wird.
Durch das Verfahren des thermischen Aufdampfens im Vakuum wird eine Verbesserung der Flächenkontaktierung gegenüber der Metallisierungsvariante durch Pastenauftrag erreicht, da störende Zwischenschichten wie Oxide oder Wasser vermieden werden.
In einer Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist vorgese hen, dass die Kontaktschicht bis zum Erreichen einer Solldicke mit einem stetigen Schichtdickenwachstum abgeschieden wird.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kontaktschicht aus hintereinanderliegenden stetigen Einzelabschnitten abgeschieden wird.
Erfindungsgemäß wird die in einem Vakuumbeschichtungsverfahren ausgebildete Kontaktschicht derart ausgebildet, dass ihr Schichtdickenwachstum stetig zunimmt, bis zum Erreichen einer vorgegebenen Solldicke der Kontaktschicht. Derart wird ein Mehrschichtsystem durch hintereinander liegende Beschichtungsschritte erzeugt.
Dabei kann die Kontaktschicht auch aus mehreren übereinanderliegenden Einzelabschnitten aufgebaut werden. Für diesen Fall nimmt zumindest bei der Ausbildung des jeweiligen Einzelabschnitts das Schichtdickenwachstum innerhalb des auszubildenden Einzelabschnitts stetig zu.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass eine dynamische Beschichtungsrate größer als 0,5 μm·m/min eingestellt wird.
Eine weitere Ausgestaltungsform sieht vor, dass eine Temperatur für die Photovoltaikelemente derart gewählt wird, dass sie 420°C bei einer Verwendung von Photovoltaikelementen aus Silizium nicht überschreitet.
Bei der Ausbildung der Kontaktschicht muss dem Wärmeeintrag besondere Beachtung geschenkt werden, um eine thermische Beschädigung der Zellen zu vermeiden. Das ist insbesondere für die zunehmend verwendeten dünnen Wafer von Bedeutung. Da hier die Endtemperatur durch Wärmeabgabe mittels Wärmestrahlung bestimmt wird (die Wärmekapazität des Wafers also eine untergeordnete Rolle spielt), ist eine Ausdehnung des Beschichtungprozesses, die mit einer entsprechend hohen dynamischen Beschichtungsrate erfolgt, erfindungsgemäß auf eine angepasste Beschichtungsstrecke notwendig, in welcher die durch den Wärmeeintrag des Beschichtungsprozesses und die Wärmeabstrahlung des Substrats (Wafer) resultierende Maximaltemperatur des Substrats unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur bleibt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Winkelbereich der Dampfausbreitung in Substrattransportrichtung entsprechend groß gewählt wird und/oder mehrere Dampfquellen in Substrattransportrichtung angeordnet werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kontaktschicht als ein Mehrschichtsystem aus mindestens zwei Teilschichten abgeschieden wird, welches durch nacheinander ablaufende Beschichtungsschritte im Vakuum hergestellt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kontaktschicht als eine Gradientenschicht aus verschiedenen Materialien ausgebildet wird.
In einer besonderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kontaktschicht aus mindestens zwei sich einander durchdringenden Teilchenströmen je einer Teilchenquelle als homogene Mischschicht ausgebildet wird.
Die Kontaktschicht kann unterschiedlich ausgebildet werden. Eine Möglichkeit besteht darin die Kontaktschicht als ein Mehrschichtsystem auszubilden. Dies kann beispielsweise durch mehrere nacheinander durchgeführte Beschichtungsschritte realisiert werden.
Eine weitere Möglichkeit der Ausführung der Kontaktschicht ist die Ausbildung der Kontaktschicht als eine aus verschiedenen Materialien bestehende Gradientenschicht.
Außerdem kann die Kontaktschicht auch als eine Mischschicht ausgebildet werden. Hierfür werden mindestens zwei Teilchenquellen in der Beschichtungszone angeordnet, deren Teilchenströme sich durchdringen und die Kontaktschicht als eine homogene Mischschicht ausbilden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kontaktschicht eine lötfähige oder bondfähige Schicht ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine auf der Kontaktschicht in Vakuumfolge abgeschiedene lötfähige oder bondfähige Schicht eine Teilschicht des Mehrschichtsystems ist.
Um die Kontaktschicht des Photovoltaikelements nachfolgend beispielsweise mit Drähten zur Stromleitung zu versehen ist es notwendig, dass die Kontaktschicht zumindest mittelbar lötfähig oder bondfähig ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Kontaktschicht selbst als eine lötfähige oder bondfähige Schicht ausgeführt wird oder dadurch, dass auf der Kontaktschicht ohne Vakuumunterbrechung nachfolgend eine lötfähige oder bondfähige Schicht, beispielsweise als eine Schicht eines Mehrschichtsystems, abgeschieden wird. So kann beispielsweise eine Leitschicht aus Aluminium abgeschieden wird, auf der dann eine lötfähige Schicht aus Kupfer abgeschieden wird.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass vor oder nach dem Aufbringen der Kontaktschicht eine Zusatzschicht durch Magnetronsputtern aufgebracht wird.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Zusatzschicht ein Schichtsystem ist.
In einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, dass die Zusatzschicht eine Gradientenschicht ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zusatzschicht durch stetiges Schichtdickenwachstum erzeugt wird.
Gemäß der Erfindung kann eine Zusatzschicht durch Magnetronsputtern aufgebracht werden. Diese kann unterhalb der Kontaktschicht, also vor der Erzeugen der Kontakschicht selbst aufgebracht, auf dem trägerfreien Substrat angeordnet sein. In einer anderen Variante wird die Zusatzschicht nach der Erzeugung der Kontaktschicht auf dieser aufgebracht.
Die Zusatzschicht kann as1 ein Schichtsystem oder als eine Gradientenschicht ausgebildet sein, wobei die Zusatzschicht durch ein stetiges Schichtdickenwachstum erzeugt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden lokal voneinander in einer Beschichtungsanlage getrennter Prozessschritten mit unterschiedlichem Prozessdruck eine Druckentkopplung zueinander wahlweise mittels Blenden, Strömungswiderständen, aktiv gepumpten Kompartments oder Ventilen erfolgt.
Somit wird durch das erfindungsgemäße Vakuumbeschichtungsverfahren sichergestellt, dass die Kontaktschicht in einem Anlagendurchlauf ohne Vakuumunterbrechung ausgebildet wird, wobei zugleich die Voraussetzungen unterschiedlicher Prozessbedingungen beispielsweise für die Ausbildung eines Mehrschichtsystems geschaffen werden.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass die Kontaktschicht wahlweise Aluminium und/oder Kupfer enthält.
Vorteilhaft werden zur Ausbildung der Kontaktschicht elektrisch gut leitende Materialien wie Aluminium, Siber oder Kupfer genutzt.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass auf der Kontaktschicht in Vakuumfolge eine lötfähige Schicht oder eine bondfähige Schicht abgeschieden wird.
Gemäß des Verfahrens kann nach dem Erzeugen der Kontaktschicht ohne Vakuumunterbrechung eine lötfähige oder bondfähige Schicht auf die Kontaktschicht aufgebracht werden. Somit kann das Photovoltaikelement in einem nachfolgenden Montagevorgang beispielsweise mit Drähten zur Stromableitung verbunden werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die auf der Kontaktschicht in Vakuumfolge abgeschiedene lötfähige oder bondfähige Schicht eine Zusatzschicht ist.
Die lötfähige oder bondfähige Schicht kann auch als eine durch Magnetronsputtern aufgebrachte Zusatzschicht erzeugt werden.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Beschichtung der Photovoltaikelemente strukturiert erfolgt, indem die Photovoltaikelemente durch eine bewegte oder unbewegte Maske hindurch beschichtet werden.
Somit kann gewährleistet werden, dass nicht die gesamte zu kontaktierende Rückseite mit der Kontaktschicht versehen wird sondern nur ein hierfür vorgesehener Teilbereich. Die Strukturierung kann mittels unbewegten Masken, welche in der Prozesskammer fest angeordnet sind und an denen sich die Substrate vorbeibewegen erfolgen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Maske mit der Geschwindigkeit des Substrates und parallel zu diesem zumindest in der Beschichtungszone mitzuführen. Eine Maske kann aber auch mit dem Substrat auf den Carrier aufgelegt werden.
In einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, dass ein Elektronenstrahl mit Hilfe eines zusätzlichen magnetischen Feldes im Verdampferraum auf einen Tiegel gelenkt wird, wobei gleichzeitig der überwiegende Teil rückgestreuter Elektronen durch das Umlenkfeld vom Substrat ferngehalten werden.
Um eine zusätzliche Erwärmung des Substrats durch rückgestreuter Elektronen zu vermeiden wird die Wirkung eines zusätzlichen Magnetfelds im Verdampferraum genutzt. Somit können zwischen 70 bis 99 Prozent der rückgestreuten Elektronen vom Substrat ferngehalten werden.
Bei einer Anordnung zur Erzeugung von Kontakten auf trägersubstratfreien Photovoltaikelementen bestehend aus mindestens einer evakuierbaren Vakuumbeschichtungskammer, wird daher vorgeschlagen, dass in der Vakuumbeschichtungskammer Mittel zur Erzeugung einer Kontaktschicht angeordnet sind.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Erzeugung einer Kontaktschicht erste Quellen für den Teilchenstrom des thermisch getriebenen Vakuum- Hochratebeschichtungsverfahrens sind, wobei diese in der Vakuumbeschichtungskammer quer zu einer Substrattransportrichtung positioniert sind.
Erfindungsgemäß sind in einer Vakuumbeschichtungskammer Mittel zur Erzeugung einer Kontaktschicht angeordent, welche beispielsweise erste Quellen für den Teilchenstrom des thermisch getriebenen Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahrens sind. Diese Quelle kann als eine einzelne Quelle oder zur Verbesserung der Homogenität über die gesamte Beschichtungsbreite aus einer Quellengruppe bestehen.
Diese Quellen können quer oder längs zur Substrattransportrichtung ausgerichtet werden.
Die Positionierung von Quellen für den Teilchenstrom des thermisch getriebenen Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahrens quer zur Substrattransportrichtung erfolgt um eine Großflächenbeschichtung mit homogener Schichtdickenquerverteilung zu erreichen.
Die Positionierung von Quellen für den Teilchenstrom des thermisch getriebenen Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahrens längs zur Substrattransportrichtung erfolgt derart, dass die Anordnung der durch thermisch getriebene Vakuumhochratebeschichtungsverfahren erzeugten Quellen für den Teilchenstrom längs zur Substrattransportrichtung so gewählt wird, daß der Wärmeeintrag während der gesamten Beschichtungszeit so verteilt wird, dass die momentane Substrattemperatur die tolerierbare Maximaltemperatur des Substrats nicht überschreitet.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass zusätzliche Blenden im Teilchenstrom zwischen den ersten Quelle und dem Substrat angeordnet sind.
Durch zusätzliche Blenden im Teilchenstrom wird eine weitere Verbesserung einer Homogenität einer Schichtdickenquerverteilung der Kontaktschicht erreicht.
In einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, dass zweite Quellen als weiteres Mittel zur Erzeugung einer Kontaktschicht für einen zweiten Teilchenstrom des thermisch getriebenen Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahrens in Substrattransportrichtung hinter den ersten Quellen positioniert sind.
Eine weitere Möglichkeit der Quellenverteilung besteht darin, in Substrattransportrichtung hinter der ersten Quelle oder Quellengruppe eine zweite Quelle oder Quellengruppe anzuordnen. Mittels dieser Anordnung können beispielsweise Kontaktschichten aus übereinanderliegenden jeweils stetig aufwachsenden Einzelschichten hergestellt werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein absorbierender Strahlungsauffänger mit hoher Wärmekapazität oder aktiver Kühlung hinter den zu beschichtenden Photovoltaikelementen in der Vakuumbeschichtungskammer angeordnet ist.
Mittels dieser Anordnung des Strahlungsauffängers wird eine Verbesserung der Wärmeabstrahlungsbilanz des Substrats erreicht. Die Strahlungsauffängers könne auch an einen Kühlkreislauf angeschlossen sein.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass Strahlungsabschirmungen im nicht dampfabgebenden Bereich der Verdampferumgebung in der Vakuumbeschichtungskammer angebracht sind.
Mittels dieser Strahlungsabschirmung wird der Wärmestrahlungseintrag in das Substrat reduziert.
In einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, dass eine Sputterquelle in Substrattransportrichtung nachgeordnet in einer weiteren Vakuumbeschichtungskammer angeordnet ist.
Beispielsweise zum Aufbringen einer Zusatzschicht ist eine Sputterquelle in Substrattransportrichtung nachgeordnet in einer weiteren Vakuumbeschichtungskammer angeordnet. Diese Trennung durch eine weitere von der vorherhehenden Vakuumbeschichtungskammer getrennten Kammer gewährleistet die für das Elektronenstrahlverdampfungsverfahren notwendigen Prozessbedingungen.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass eine Elektronenstrahlverdampfung aus einem wassergekühlten Kupfertiegel erfolgt.
Gemäß der Erfindung wird für die Elektronenstrahlverdampfung ein wassergekühlter Kupfertiegel verwendet.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Elektronenstrahlverdampfung aus einem Keramiktiegel oder aus einem mit Keramik ausgekleideten wassergekühlten Kupfertiegel erfolgt.
In einer anderen Ausgestaltung wird für die Elektronenstrahlverdampfung ein Keramiktiegel oder ein mit Keramit ausgekleideter Tiegel genutzt, welcher auch mit einer Wasserkühlung betrieben werden kann.
In einer anderen Ausführung ist vorgesehen, dass die Keramik des Keramiktiegels auf Basis von Aluminiumoxid oder Bornitrid hergestellt ist.
Als Materialien zur Herstellung eines derartigen Keramiktiegels können Aluminiumoxid oder Bornitrit vorteilhaft genutzt werden.
Die Lösung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die Wafer, auf denen die Kontakte ausgebildet werden sollen, werden in Carrier mit einer flächenoptimalen Waferauflage aufgelegt. Somit bleibt eine große Fläche der Wafer für die Verfahrensschritte zur Ausbildung der Kontaktschicht frei. Die Carrier werden kontinuierlich und nach dem Inlineprinzip arbeitend durch die Beschichtungsanlage bewegt und beispielsweise von unten beschichtet.
Die Kontakte werden beispielsweise als Mehrfachschichtsyste me durch mehrere Verdampfungssysteme in einer oder verschiedenen Prozesssektionen der Beschichtungsanlage hergestellt.
Derart kann eine erste aus Aluminium bestehende Schicht erzeugt werden, auf der nachfolgend eine zweite lötfähige Schicht, z. B. aus Silber bestehend, aufgebracht wird. Dieser Schichtaufbau erfolgt innerhalb eines Anlagendurchlaufs und somit ohne Vakuumunterbrechung. Somit können störende Zwischenschichten vermieden und die Haltbarkeit, Haftung und elektrische Leitfähigkeit der ausgebildeten Kontakte verbessert werden. Die Erwärmung des unter den Wafern liegenden Verdampfungsmaterials erfolgt mittels eines Elektronenstrahls, welcher von schräg unten erzeugt und durch ein Magnetfeld abgelenkt auf das Verdampfungsmaterial trifft. Eine andere Variante besteht darin, den Elektronenstrahl derart zu erzeugen, dass er seitlich schräg von oben auf das Verdampfungsmaterial trifft und es erwärmt.
Die zweite Schicht wird beispielsweise durch Magnetronsputtern (unter der Voraussetzung, dass sie wesentlich dünner ist, als die A1-Schicht) oder ebenfalls mit einem thermischen Verdampfungsverfahren aufgebracht.
In dem beschriebenen Verfahren wird der komplette Rückseitenkontakt auf der Basis von physikalischen Abscheideverfahren im Vakuum hergestellt.
Das Verfahren zeichnet sich durch einen langzeitstabilen Prozess mit hoher Querhomogenität der Dampfdichteverteilung aus.
Es konnte nachgewiesen werden, dass durch das Umlenkfeld nahezu alle gestreuten Elektronen vom Substrat ferngehalten werden konnten und dass der sehr geringe verbleibende Anteil an auf das Substrat geladenen Teilchen keine negativen Auswirkungen hervorruft.
Das Verfahren eignet sich zur Beschichtung von ebenen Substraten mit einer Dicke, die unter der derzeit standardmäßig bei Wafern eingesetzten Substratdicke liegen kann, es ist also beispielsweise auch geeignet für Waferdicken unter 150 μm.
Durch geeignete Parametrierung von Prozessdaten, wie Beschichtungsrate und/oder Prozessdruck, können die Struktur- und Wachstumseigenschaften der Metallisierungsschicht gezielt eingestellt und dadurch die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der aufgebrachten Metallisierungen, also der Kontakte, beeinflusst werden.
Bei der Anpassung der Länge der Beschichtungszone bei einer vorgegeben dynamischen Beschichtungsrate erfolgt derart, das die bei einer tolerierbaren Maximaltemperatur des Substrats und der sich daraus ergebenden Wärmeabstrahlungsleistung notwendig ist, um denjenigen Teil der eingebrachten Prozesswärme des Beschichtungsprozesses durch Wärmeabstrahlung wieder abzugeben, der in der Energiebilanz des Substrats zu einer Überschreitung seiner zulässigen Maximaltemperatur führen würde.
Das Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahren ist ein thermisches Verdampfungsverfahren welches beispielsweise mit einer dynamischen Beschichtungsraten > 0,5 μm·m/min arbeitet.
Das Elektronenstrahl-Hochratebeschichtungsverfahren arbeitet derart, dass die Substrate bei ihrem Anlagendurchlauf von unten her beschichtet werden. Dazu werden die Substrate in der Inlinebeschichtungsanlage in der Prozesssektion über das verdampfungsmaterial hinweg bewegt. Eine besondere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass der Elektronenstrahl nicht von schräg oben sondern schräg von unten eingeschossen und durch ein magnetisches Umlenkfeld auf das Verdampfungsmaterial gelenkt wird. Durch dieses Magnetfeld werden rückgestreute Elektronen als mögliche zusätzliche Wärmequelle vom Substrat ferngehalten.
Durch eine geeignete Wahl der Prozessparameter werden sowohl die elektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften der zu erzeugenden Kontakte beeinflusst.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Kontakten auf trägersubstratfreien Photovoltaikelementen mit einer photoaktiven Vorderseite und einer zu kontaktierenden Rückseite, wobei die Rückseite mit einer elektrisch leitenden die Kontakte ausbildenden Kontaktschicht versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht vollständig in einem Vakuumbeschichtungsverfahren ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht in einem Durchlaufverfahren in einem Anlagendurchlauf ohne Vakuumunterbrechung mittels eines thermisch getriebenen Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahrens erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahrens ein Hochleistungselektronenstrahlverdampfungsverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchlaufverfahren ein dynamisches Verfahren ist, in dem das Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahren ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren ist, bei welchem die Photovoltaikele mente durch eine Beschichtungszone mit einer Geschwindigkeit größer Null bewegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht bis zum Erreichen einer Solldicke mit einem stetigen Schichtdickenwachstum abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht aus hintereinanderliegenden stetigen Einzelabschnitten abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine dynamische Beschichtungsrate größer als 0,5 μm·m/min eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur für die Photovoltaikelemente derart gewählt wird, dass sie 420°C bei einer Verwendung von Photovoltaikelementen aus Silizium nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht als ein Mehrschichtsystem aus mindestens zwei Teilschichten abgeschieden wird, welches durch nacheinander ablaufende Beschichtungsschritte im Vakuum hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht als eine Gradientenschicht aus verschiedenen Materialien ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht aus mindestens zwei sich einander durchdringenden Teilchenströmen je einer Teilchenquelle als homogene Mischschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht eine lötfähige oder bondfähige Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf der Kontaktschicht in Vakuumfolge abgeschiedene lötfähige oder bondfähige Schicht eine Teilschicht des Mehrschichtsystems ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach dem Aufbringen der Kontaktschicht eine Zusatzschicht durch Magnetronsputtern aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschicht ein Schichtsystem ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, das s die Zusatzschicht eine Gradientenschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschicht durch stetiges Schichtdickenwachstum erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden lokal voneinander in einer Beschichtungsanlage getrennter Prozessschritten mit unterschiedlichem Prozessdruck eine Druckentkopplung zueinander wahlweise mittels Blenden, Strömungswiderständen, aktiv gepumpten Kompartments oder Ventilen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht wahlweise Aluminium und/oder Kupfer enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kontaktschicht in Vakuumfolge eine lötfähige Schicht oder eine bondfähige Schicht abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Kontaktschicht in Vakuumfolge abgeschiedene lötfähige oder bondfähige Schicht eine Zusatzschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Photovoltaikelemente strukturiert erfolgt, indem die Photovoltaikelemente durch eine bewegte oder unbewegte Maske hindurch beschichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektronenstrahl mit Hilfe eines zusätzlichen magnetischen Feldes im Verdampferraum auf einen Tiegel gelenkt wird, wobei gleichzeitig der überwiegende Teil rückgestreuter Elektronen durch das Umlenkfeld vom Substrat ferngehalten werden.
Anordnung zur Erzeugung von Kontakten auf trägersubstratfreien Photovoltaikelementen bestehend aus mindestens einer evakuierbaren Vakuumbeschichtungskammer, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vakuumbeschichtungskammer Mittel zur Erzeugung einer Kontaktschicht angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer Kontaktschicht erste Quellen für den Teilchenstrom des thermisch getriebenen Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahrens sind, wobei diese in der Vakuumbeschichtungskammer quer zu einer Substrattransportrichtung positioniert sind.
Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Blenden im Teilchenstrom zwischen den ersten Quelle und dem Substrat angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Quellen als weiteres Mittel zur Erzeugung einer Kontaktschicht für einen zweiten Teilchenstrom des thermisch getriebenen Vakuum-Hochratebeschichtungsverfahrens in Substrattransportrichtung hinter den ersten Quellen positioniert sind.
Anordnung nach den Ansprüchen 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein absorbierender Strahlungsauffänger mit hoher Wärmekapazität oder aktiver Kühlung hinter den zu beschichtenden Photovoltaikelementen in der Vakuumbeschichtungskammer angeordnet ist.
Anordnung nach den Ansprüchen 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlungsabschirmungen im nicht dampfabgebenden Bereich der Verdampferumgebung in der Vakuumbeschichtungskammer angebracht sind.
Anordnung nach den Ansprüchen 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sputterquelle in Substrattransportrichtung nachgeordnet in einer weiteren Vakuumbeschichtungskammer angeordnet ist.
Anordnung nach den Ansprüchen 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronenstrahlverdampfung aus einem wassergekühlten Kupfertiegel erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahlverdampfung aus einem Keramiktiegel oder aus einem mit Keramik ausgekleideten wassergekühlten Kupfertiegel erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik des Keramiktiegels auf Basis von Aluminiumoxid oder Bornitrid hergestellt ist.