DE102008057228A1

DE102008057228A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Solarzelle

Info

Publication number: DE102008057228A1
Application number: DE102008057228A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Buchner; Thomas Sauter
Original assignee: Schmid Technology GmbH
Current assignee: Schmid Technology GmbH
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2009-07-23
Also published as: WO2009090098A3; WO2009090098A2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit Aufbringen von elektrisch leitfähigem Leitermaterial (21, 25) auf eine Seite (14, 15) eines Silizium-Substrats (13) für die Solarzelle ist ein Leitermaterialträger (18) mit Abstand zu dem Silizium-Substrat (13) angeordnet. Der Leitermaterialträger (18) ist für Licht bestimmter Wellenlänge durchlässig und trägt auf einer dem Silizium-Substrat (13) zugewandten Seite (20) pastöses Leitermaterial (21). Ein fokussierter Laserstrahl (23) der genannten Wellenlänge wird auf die von dem Silizium-Substrat (13) abgewandte Seite (19) des Leitermaterialträgers (18) eingekoppelt zum Ablösen des Leitermaterials (21, 25) in spezieller Form entsprechend der vom Laserstrahl (23) angestrahlten Punkte oder Linien, wobei das abgelöste Leitermaterial (21, 25) auf die ihm gegenüberliegende Oberfläche (14, 15) des Silizium-Substrats (13) übertragen wird. Dort bildet es eine gewünschte Struktur, die durch Einbrennen odgl. verfestigt wird.

Description

Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit Aufbringen von elektrisch leitfähigem Leitermaterial auf eine Seite eines Silizium-Substrats für die Solarzelle. Des weiteren betrifft die Erfindung eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete und ausgebildete Vorrichtung.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass eine Solarzelle elektrisch kontaktiert werden muss. Um eine Solarzelle elektrisch zu kontaktieren, wird beispielsweise im letzten Prozessschritt der Herstellung eine Aluminiumpaste und anschließend auf die Aluminiumpaste eine Silberpaste auf die Rückseite aufgebracht, die im anschließenden Feuerungsofen ein Eutektikum mit dem Silizium erzeugt, welches den elektrischen Kontakt zwischen Solarzellenrückseite und Aluminium ermöglicht.
Dieser Produktionsschritt wird in der aktuellen Solarzellenfertigung mittels eines Siebdruckverfahrens durchgeführt. Dabei wird die Solarzelle in einem sogenannten Drucknest mittels eines entsprechend der benötigten Struktur ausgebildeten Spatels teilweise abgedeckt. Nach dem Dispensieren der Paste wird diese dann mittels eines Spatels, Rakel oder Squezee durch das Sieb auf die Solarzelle gedrückt. Dadurch wird mechanischer Druck auf die Solarzelle ausgeübt, welcher zu Mikrorissen führen kann. Auch die Auflösung dieses Verfahrens ist durch die maximale Feinmaschigkeit des Siebes begrenzt.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine eingangs genannte Vorrichtung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik gelöst werden können und insbesondere Leitermaterial in gewünschten Formen vorteilhaft und technisch zuverlässig auf ein Silizium-Substrat aufgebracht werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 21. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Manche der für die Erfindung geltenden Merkmale werden nur im Zusammenhang mit dem Verfahren oder der Vorrichtung beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch für die Vorrichtung gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Leitermaterialträger mit Abstand zu dem Silizium-Substrat geführt wird, also berührungslos. Der Leitermaterialträger ist dabei für Licht bestimmter Wellenlänge durchlässig. Auf einer dem Silizium-Substrat gewandten Seite trägt er das Leiter material. Ein hochenergetischer Strahl, vorzugsweise ein fokussierter Laserstrahl, mit dieser Wellenlänge wird in den Leitermaterialträger eingekoppelt, vorzugsweise auf der von dem Silizium-Substrat abgewandten Seite, um das Leitermaterial in spezieller Form entsprechend der von dem Strahl angestrahlten Punkte, Linien oder Bereiche abzulösen. Der Strahl geht also durch den Leitermaterialträger hindurch und trifft die Schicht des Leitermaterials bzw. wird in diese eingekoppelt.
Das durch den Strahl abgelöste Leitermaterial wird auf die dem Träger gegenüberliegende Oberfläche des Silizium-Substrats übertragen bzw. fliegt sozusagen dorthin und schlägt sich in der Form nieder, in der es von dem Leitermaterialträger abgelöst worden ist. Somit kann also mit der Erfindung sozusagen berührungslos Leitermaterial von einem damit versehenen Träger auf ein Silizium-Substrat gebracht werden. Vor allem angesichts der empfindlichen Oberfläche von Silizium-Substraten, wie sie für die Herstellung von Solarzellen verwendet werden, ist ein solches berührungsloses Verfahren von großem Vorteil. Des weiteren kann durch entsprechende Feinfokussierung des Strahls bzw. des Laserstrahls auch ein sehr feines Muster an Leitermaterial übertragen werden, ohne auf mechanische bzw. konstruktive Begrenzungen wie bei einem Siebdruckverfahren Rücksicht nehmen zu müssen. Schließlich kann durch Programmieren einer Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Strahls bzw. Laserstrahls auf relativ einfache Art und Weise ein bestimmtes Leitermaterialmuster erzeugt sowie geändert werden, ohne die ansonsten notwendigen Siebdruckvorlagen erst aufwendig erzeugen zu müssen.
Vorteilhaft wird als Strahl eben ein fokussierter Laserstrahl verwendet. Hierfür bieten sich grundsätzlich beliebige Laser mit ausreichender Leistungserzeugung an. Im Folgenden wird im wesentlichen nur noch von einem Strahl gesprochen, womit beides gemeint sein soll, vorteilhaft natürlich ein Laserstrahl.
Der Strahl wird vorteilhaft genau in die Ebene fokussiert, in der die Schicht aus Leitermaterial auf dem Leitermaterialträger ist. Besonders bevorzugt wird er Strahl sozusagen auf die Kontaktebene fokussiert bzw. etwas tiefer, also ein geringes Stück in das Leitermaterial hinein. Dann kann das durch den Strahl auftretende schlagartige Erhitzen des Leitermaterials mit verbundener thermischer Ausdehnung, welche zum Ablösen von dem Leitermaterialträger und zur Übertragung auf die Oberfläche des Substrats führt, besonders gut erfolgen, so dass auch nahezu das gesamte Leitermaterial in dem angestrahlten Bereich abgelöst und übertragen wird. Dabei kann das Leitermaterial entweder durch die thermische Ausdehnung abgelöst und übertragen werden. Alternativ oder zusätzlich zu diesem Mechanismus kann eine Verdampfung des Leitermaterials erfolgen, so dass es in Form von Dampf bzw. sehr kleinen Tröpfchen abgelöst wird und sich dann auf der Oberfläche des Silizium-Substrats wieder niederschlägt.
Der hochenergetische Strahl wird vorteilhaft pulsartig erzeugt, beispielsweise als sogenannte Laserpunkte. Wird eine Anzahl solcher Punkte aneinandergereiht, so kann eine gewünschte Struktur aus Leitermaterial in beliebiger Form, beispielsweise als Linien oder Flächen, auf der Oberfläche des Silizium-Substrats erzeugt werden.
Alternativ zu einem gepulsten bzw. pulsartigen Strahl kann dieser auch kontinuierlich erzeugt werden bzw. betrieben werden zur Erhitzung und Ablösung des Leitermaterials von dem Leitermaterialträger, und um es auf die Oberfläche des Silizium-Substrats zu übertragen. Die Frage, ob eine impulsartige Erzeugung oder eine kontinuierliche Erzeugung vorgesehen wird, kann auch abhängen von der Art des Leitermaterials bzw. ob sich dieses für eine von beiden Aufbringungsarten mehr eignet. In Versuchen hat sich jedoch herausgestellt, dass durch pulsartige hochenergetische Strahlen eine Ablösung des Leitermaterials durch die plötzliche, schlagartige Erwärmung in der Regel besser funktioniert.
Bei einer grundsätzlichen Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, zur Erzeugung eines Musters des Leitermaterials auf dem Silizium-Substrat, beispielsweise in Form von dünnen bzw. linienartigen Formen, der Strahl relativ zu dem Silizium-Substrat zu bewegen bzw. zu führen entsprechend dem Muster bzw. entsprechend der gewünschten Struktur.
Gemäß einer ersten Ausbildung der Erfindung kann zur Erzeugung dieser Relativbewegung zwischen Strahl einerseits und Silizium-Substrat andererseits das Silizium-Substrat festgehalten werden und der Strahl bewegt werden. Dies weist den Vorteil auf, dass durch entsprechende optische Umlenkeinrichtungen eine sehr schnelle und gleichzeitig auch exakte Führung des Strahls möglich ist. Das mechanisch in der Regel empfindliche Silizium-Substrat braucht dabei nicht bewegt zu werden und in der Regel noch nicht einmal festgehalten zu werden. Dabei kann also eine Strahlungsquelle bzw. ein Laser selber feststehen und eine Strahloptik, die insbesondere Umlenkeinrichtungen wie Spiegel odgl. aufweist, zur Bewegung des erzeugten Strahls das entsprechende Muster abfahren.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung bleibt der Strahl stets auf einen gleichen Punkt ausgerichtet, während das Silizium-Substrat gegenüber diesem Punkt bewegt wird in entsprechend gewünschter Bahn. Dies weist den Vorteil auf, dass zwar eine etwas aufwendigere Führung für das Silizium-Substrat notwendig ist, gleichzeitig jedoch der Strahl samt Strahloptik sehr einfach gehalten sein kann. Möglich sind auch Zwischenformen aus den beiden vorgenannten Ausbildungen, nämlich dass sowohl das Silizium-Substrat als auch der Strahl bewegt werden.
In nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung gibt es die Möglichkeit, den Leitermaterialträger entweder relativ zu dem Strahl und/oder dem Silizium-Substrat zu bewegen oder nicht zu bewegen. Vorteilhaft sollte dabei natürlich auch darauf geachtet werden, dass der Strahl so zusagen eine stets voll mit Leitermaterial belegte Fläche des Leitermaterialträgers anstrahlt bzw. trifft. Insofern ist es beispielsweise möglich, den Leitermaterialträger mit einer Größe über derjenigen des Silizium-Substrats relativ zu diesem festzuhalten und dann mit dem Strahl das Leitermaterial in gewünschter Form zu übertragen. Alternativ dazu kann, was später noch genauer ausgeführt wird, der Leitermaterialträger sowohl relativ zu dem Silizium-Substrat als auch relativ zu dem Strahl bewegt werden. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass Bewegungsrichtung und/oder Bewegungsgeschwindigkeit des Leitermaterialträgers und des Strahls unterschiedlich sind. In Ausgestaltung dieser Ausbildung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Leitermaterialträger umläuft bzw. rotiert und somit beispielsweise als quasi unendlich langer Leitermaterialträger erscheint. Er kann dabei stets wiederholt mit frischem Leitermaterial zwischen Strahl und Silizium-Substrat vorbeibewegt werden. Das von seiner dem Silizium-Substrat zugewandten Seite abgelöste Leitermaterial kann, ein Stück entfernt von dem Silizium-Substrat, wieder neu aufgetragen werden zum neuerlichen Ablösen.
Es ist möglich, einen vorgenannten umlaufenden Leitermaterialträger als Band auszubilden. Das Band kann in einem Bereich außerhalb der Bestrahlung stets vollflächig mit Leitermaterial beschichtet werden. Dann läuft dieser Bereich des Bandes weiter zwischen Strahl und Silizium-Substrat zum Übertragen des Leitermaterials. Das Band kann vorteilhaft eine geschlossene Schleife bilden.
Des weiteren ist es möglich, einen umlaufenden bzw. rotierenden Leitermaterialträger als Hohlkörper aus lichtdurchlässigem Material auszubilden, insbesondere aus festem bzw. starrem Material. Vorteilhaft ist es ein zylindrischer bzw. rundzylindrischer Hohlkörper in Form eines länglichen Rohres. Ähnlich wie das schleifenartige Band rotiert der Hohlkörper um eine Längsachse, vorteilhaft um seine Mittellängsachse, so dass das Silizium-Substrat stets mit gleichem Abstand dazu angeordnet ist. Ein Strahl bzw. ein Laserstrahl wird an einem offenen Ende in den Hohl körper hineingestrahlt, vorzugsweise parallel oder entsprechend zur Mittellängsachse, und dann von einer Umlenkeinrichtung wie beispielsweise einem Spiegel odgl., die bewegbar ist, an entsprechender Stelle von innen durch die Wandung des Hohlkörpers hindurchgestrahlt. Dies ist ähnlich wie bei dem umlaufenden Band. Wie zuvor für die anderen Leitermaterialträger beschrieben wird dann das Leitermaterial von dem Träger abgelöst und auf das Substrat übertragen. Ein Aufbringen von dem Leitermaterial auf die Außenseite des Hohlkörpers kann ebenfalls erfolgen wie zuvor beschrieben.
Der Laserstrahl kann hinsichtlich seines Intensitätsprofils variiert werden, um die Ablösung des Leitermaterials, vorzugsweise in Tropfenform, zu optimieren. Vor allem kann der Laser im Pulsbetrieb betrieben werden, wobei das Pulsprofil hinsichtlich der Leistung so verändert werden kann, dass die Leistung nicht schlagartig voll anliegt, sondern erhöht wird.
Der Hohlkörper kann vorteilhaft aus Glas bestehen, besonders vorteilhaft Quarzglas. Quarzglas hat eine sehr hohe Zerstörschwelle. Eine Beschädigung des Quarzrohres durch Laserstrahlung ist auch langfristig auszuschließen.
Die Oberfläche bzw. Außenfläche des Glases kann speziell bearbeitet oder ausgestaltet sein, beispielsweise durch Mikrostrukturierung oder Beschichtung. Dadurch kann das Aufbringen oder Verbleiben des Leitermaterials auf der Außenseite beeinflusst und vor allem verbessert werden, ebenso das Ablösen. Vor allem kann das Tropfenbildungsverhalten an das gewünschte Leitermaterial angepasst werden. Durch Mikrostrukturierung der Oberfläche wird nämlich das Leitermaterial in kleine „Näpfe" gedrückt. Die beim Verdampfen des Leitermaterials entstehende Druckwelle wird dadurch fokussiert und führt zu einer besseren Ablösung der Tropfen. Des weiteren können elektrische oder magnetische Felder angelegt werden, ebenso damit entweder das Leitermaterial auf der Außenseite besser haftet oder aber besser abgelöst werden kann.
Ein Glasrohr bzw. Quarzrohr lässt sich mit hervorragender Oberflächenqualität fertigen und ist beständig gegen nahezu alle Chemikalien und hohe Temperaturen. Dies lässt viele Möglichkeiten bei der Wahl des Leitermaterials und bei der Beseitigung der eingetrockneten Leitermaterialreste. Ein Glasrohr wird im Betrieb nicht verformt. Deswegen gibt es auch keine Materialermüdung. Dadurch wird ein dauerhafter Betrieb und eine extrem lange Standzeit möglich.
Durch Auflegen des Glasrohres auf zwei Rollen als Drehlagerung ohne weitere aufwendige Befestigung kann das Glasrohr im Service- oder Reinigungsfall sehr schnell getauscht werden.
Ein rotierender Leitermaterialträger kann beispielsweise scheibenartig ausgebildet sein und insbesondere eine um eine Mittelachse rotierende Scheibe sein. Diese Rotationsachse soll außerhalb des Silizium-Substrats verlaufen bzw. nicht durch dieses hindurch. Auch so ist es wiederum, wie vorbeschrieben, möglich, auf den Leitermaterialträger abseits vom Silizium-Substrat neues Leitermaterial aufzutragen und dieses dann über das Silizium-Substrat zu bewegen zum Ablösen und Übertragen.
Um die Ausbildung des Leitermaterialträgers einfacher zu halten kann auch vorgesehen sein, den Leitermaterialträger größer auszubilden als das Substrat und einen voll beschichteten Leitermaterialträger darüber festzuhalten. Dann kann mit dem hochenergetischen Strahl das Leitermaterial in gewünschter Form auf das Substrat übertragen werden. Anschließend wird der Leitermaterialträger entfernt, insbesondere erneut vollständig mit Leitermaterial beschichtet. Ein frisches Silizium-Substrat wird herangeführt und dann entweder mit diesem, erneut beschichteten Leitermaterialträger bearbeitet oder mit einem anderen, während der vorherige Leitermaterialträger neu beschichtet wird.
Das beschriebene Verfahren eignet sich sowohl dazu eine Rückseite als auch eine Vorderseite eines Silizium-Substrats für eine Solarzelle auf dieselbe Art und Weise zu beschichten bzw. mit einer gewünschten Struktur von Leitermaterial zu versehen. Die Strukturen an Forderseite und Rückseite können sich dabei selbstverständlich unterscheiden. Da allgemein das Leitermaterial nach dem Aufbringen auf die Oberfläche des Silizium-Substrats thermisch verfestigt bzw. eingebrannt wird, am besten nach vollständigem Beschichten einer gesamten Seite, sollte zwischen Bearbeiten der Vorderseite und der Rückseite ein solches Verfestigen stattfinden. Dies verhindert ein Zerstören der aufgebrachten Struktur des Leitermaterials.
Das Leitermaterial kann in an sich bekannter Form, nämlich beispielsweise als Paste, auf den Leitermaterialträger aufgebracht werden. Dies kann durch Aufwalzen oder Aufstreichen erfolgen, unter Umständen auch durch Sprühen mit Antrocknen.
Als Leitermaterialträger mit entsprechender Lichtdurchlässigkeit bietet sich Kunststoff oder Glas an. Bei bandartigen Leitermaterialträgern werden Kunststofffolien eindeutig bevorzugt. Für rotierende oder feststehende Leitermaterialträger, insbesondere vorgenannte in Form eines Hohlkörpers bzw. Rohrs, kann auch Glas verwendet werden, da dies gegenüber thermischen Belastungen beim Bestrahlen bzw. Ablösen des Leitermaterials unempfindlicher ist.
Der Leitermaterialträger kann in Weiterbildung der Erfindung gelocht bzw. siebartig ausgebildet sein. Beispielsweise ist er als engmaschiges Sieb aus Geflecht aus Draht oder Kunststoff hergestellt, wobei eine Maschenweite in der Größenordnung von solchen beim Siebdruck liegt.
Die Oberfläche des Leitermaterialträgers kann mit einer Mikrostrukturierung oder einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen werden, beispielsweise einer Metallisierung, zur Beeinflussung der Adhäsion des Leitermaterials oder zur Verringerung einer Ablöseenergie für das Leitermaterial. So kann es sich leichter in Tropfenform von dem Leitermaterialträger ablösen und auch die Zeitspanne für die Aufbringungszeit kann verlängert werden, vor allem dann, eine Spannung zwischen Leitermaterialträger und Silizium-Substrat angelegt wird oder durch Aufbringen von elektrischer Ladung.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1 eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die das Funktionsprinzip der Ablösung des Leitermaterials von einem Leitermaterialträger und Übertragen auf ein Silizium-Substrat zeigt,
2 eine Abwandlung von 1 mit mehreren, nebeneinander liegenden Linien von abgelöstem Leitermaterial,
3 eine Seitenansicht auf die in 1 dargestellte, abgelöste Linie aus Leitermaterial,
4 eine Draufsicht auf einen rotierenden, scheibenförmigen Leitermaterialträger mit Silizium-Substrat auf einer Seite und Auftragwalze für Leitermaterial auf der anderen,
5 einen umlaufenden, bandartigen Leitermaterialträger,
6 einen rotierenden Leitermaterialträger in Form eines hohlen Glaszylinders in Stirnansicht und
7 den Leitermaterialträger aus 6 in Seitenansicht samt Strahlenweg.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Vorrichtung 11 dargestellt, wie sie vorstehend beschrieben worden ist. In diese Vorrichtung 11 ist ein Silizium-Substrat 13 eingebracht mit einer Vorderseite 14 und einer Rückseite 15. Aus dem Silizium-Substrat 13 soll eine Solarzelle hergestellt werden.
Die Vorrichtung 11 weist einen Leitermaterialträger 18 mit einer Oberseite 19 und einer Unterseite 20 auf. Er ist, wie in den 4 und 5 näher dargestellt wird, aus lichtdurchlässigem Material, insbesondere durchsichtig, und besteht aus Kunststofffolie oder Glas. An der Unterseite 20 ist an dem Leitermaterialträger 18 eine Schicht von Leitermaterial 21 vorgesehen, welches beispielsweise noch eine pistenartige Konsistenz haben kann. Die Schichtdicke liegt dabei weit unter einem Millimeter, insbesondere bei wenigen hundert Mikrometern. Wie zu erkennen ist, besteht zwischen der oben liegenden Vorderseite 14 des Silizium-Substrats 13 und der Unterseite 20 des Leitermaterialträgers 18 bzw. dem Leitermaterial 21 ein Abstand, der beispielsweise im Bereich maximal weniger Millimeter liegen kann.
Von oben wird auf den Leitermaterialträger 18 ein Laserstrahl 23 eingekoppelt, dargestellt durch den dicken Pfeil. Er ist in etwa auf den Übergang zwischen Leitermaterialträger 18 und Leitermaterial 21 bzw. in den oberen Bereich des Leitermaterials hinein fokussiert. Der Durchmesser des Laserstrahls 23 kann in einem Bereich von deutlich weniger als einem Millimeter liegen, insbesondere sogar weniger als einhundert Mikrometer. Durch das Einkoppeln der Energie des Laserstrahls 23 in das Leitermaterial 21 erhitzt sich dieses zumindest teilweise. Entweder wird durch die schlagartige Erhitzung eines Teils, insbesondere im oberen Bereich des Leitermaterials 21, ein Stück Leitermaterial 25 bzw. eine gewisse Menge abgelöst und fliegt auf die gegenüberliegende Vorderseite 14 des Silizium-Substrats 13. Dadurch entsteht eine Lücke 27 im Leitermaterial 21. Alternativ dazu kann das gesamte Leitermaterial im Bereich der Lücke 27 durch den Lasterstrahl 23 verdampft werden und sich dann quasi als Dampf auf der Vorderseite 14 des Silizium-Substrats 13 niederschlagen und dort wiederum eine gewisse Ansammlung an festem Leitermaterial 25 bilden. Wellenlänge, Energiegehalt und eventuelle Pulsdauer bzw. Fokussierung des Laserstrahls 23 können dabei sowohl auf die Art des Leitermaterials 21 als auch auf die Größe bzw. Art der Struktur 25 des Leitermaterials auf dem Silizium-Substrat abgestimmt werden.
In 2 ist in derselben Vorrichtung 11 dargestellt, wie, vorteilhaft nacheinander, ein Laserstrahl 23 von dem Leitermaterialträger 18 an dessen Unterseite 20 befindliches Leitermaterial 21 auf die Rückseite 15 des gegenüber 1 gedrehten Silizium-Substrats 13 überträgt. Dazu kann beispielsweise der Lasterstrahl 23 von links nach rechts fünf Mal Leitermaterial 21 ablösen, so dass fünf Stücke Leitermaterial 26 auf der Rückseite 15 des Substrats 13 sind. Dadurch entstehen dann fünf Lücken 27 in der Schicht von Leitermaterial 21 an der Unterseite 20 des Leitermaterialträgers 18. Falls hier beispielsweise fünf Laser in der Vorrichtung 11 vorgesehen wären, könnte dies auch mit fünf gleichzeitig arbeitenden Laserstrahlen 23 gemacht werden. Dieser Aufwand wird aber in der Regel nicht akzeptiert. Des weiteren könnte eventuell ein Laserstrahl eines einzigen Lasers in die fünf einzelnen Strahlen 23 aufgespaltet werden. Aber auch das ist aufwendig.
Die dargestellten Stücke Leitermaterial 25 bzw. 26 in den 1 und 2 können, wie dies in 3 des weiteren gezeigt wird, insgesamt eine Linienform bilden. Wie in 3 dargestellt ist, werden mehrere Laserpunkte eng nebeneinandergesetzt mit einem Laserstrahl 23, welche dann zu einer linienartigen Ablösung von Leitermaterial 21 von dem Leitermaterialträger 18 bzw. einer daraus entstehenden linienartigen Lücke 27 und zum Übertragen auf das Silizium-Substrat 13 führen. Allerdings werden hierzu weitaus mehr einzelne Laserpunkte als in 3 dargestellt benötigt. Vorteilhaft beträgt der Abstand von nebeneinander gesetzten Lasterpunkten mit dem Laserstrahl 23, um eine Linienform des Leitermaterials 25 auf dem Silizium-Substrat 13 zu erzeugen, etwa die Breite der Lücke 27 gemäß 1.
In 4 ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung 11 dargestellt, und zwar sowohl auf das Silizium-Substrat 13 mit einem linienartigen Stück Leitermaterial 25 darauf als auch auf den Leitermaterialträger 18, der scheibenartig ausgebildet ist mit einer Drehachse 29. Wie zu erkennen ist, wird das Silizium-Substrat 13 in der Transportrichtung T unter den Leitermaterialträger 18 gefahren. Dann wird mittels des Laserstrahls gemäß der 1 bis 3 Leitermaterial 21, welches an der Unterseite des Leitermaterialträgers 18 als vollflächige Schicht vorhanden ist, abgelöst und als Linie von Leitermaterial 25 auf das Silizium-Substrat übertragen. Dies erfolgt natürlich mit einer möglichen weitaus komplizierteren Form als in 4 dargestellt, vor allem in der Regel mit mehreren Linien.
Entweder kann nach erfolgter Erzeugung der Struktur von Leitermaterial 25 auf dem Silizium-Substrat 13 dieses gemäß der Richtung T weitertransportiert werden und ein neues Substrat herangefahren werden. Für dessen Beschichtung wird dann der Leitermaterialträger 18 ein Stück gedreht, so dass sich über dem neuen Substrat 13 eine vollständig frische bzw. unbenutzte Schicht von Leitermaterial zur Übertragung auf das Substrat 13 befindet. Alternativ kann der Leitermaterialträger 18 auch bereits während der Bearbeitung eines Silizium-Substrats 13 eine Drehung durchführen.
Gegenüberliegend von dem Substrat 13 ist auf der anderen Seite der Drehachse 29 eine Walzenvorrichtung 31 vorgesehen, welche auf an sich bekannte Art und Weise frisches Leitermaterial 21 an die Unterseite 20 des Leitermaterialträgers 18 aufbringt. Die Walzenvorrichtung 31 ist dabei so angeordnet, dass sie gerade in dem durch Übertragung des Leitermaterials 21 auf das Substrat 13 benötigten Bereich frisches Leitermaterial aufträgt. Dabei sollte allgemein gewährleistet werden, dass das Leitermaterial 21 stets mit etwa gleichbleibender Dicke an dem Leitermaterialträger 18 vorhanden ist, so dass durch den Laserstrahl 23 stets eine vorhersehbare und jeweils gleiche Menge an Leitermaterial abgelöst und auf das Silizium-Substrat übertragen wird. Falls andere Schichtdicken auf dem Substrat benötigt werden, kann das Leitermaterial allerdings auch dicker auf den Leitermaterialträger aufgebracht werden. Die Walzenvorrichtung 31 dergestalt auszubilden ist jedoch kein Problem.
In 5 ist eine alternative Ausgestaltung einer Vorrichtung 11' dargestellt, welche ebenso gemäß den 1 bis 3 arbeitet. Auch hier wird ein Silizium-Substrat 13 entsprechend der Transportrichtung T bewegt, wobei es vorzugsweise bei der Übertragung von Leitermaterial 25 unbewegt bleibt.
In der Seitenansicht ist zu erkennen, dass etwas oberhalb von dem Silizium-Substrat 13 ein bandartiger, sozusagen unendlicher Leitermaterialträger 18' nach Art einer Schleife umläuft. An seiner zu dem Silizium-Substrat 13 weisenden Unterseite ist er mit Leitermaterial beschichtet entsprechend der 1 bis 3. Dieses Leitermaterial wird von einer links neben dem Leitermaterialträger 18' dargestellten Walzenvorrichtung 31' stets frisch und vollflächig aufgebracht, wie dies vorstehend für 4 beschrieben ist. Mit dem Laserstrahl 23 wird dann Leitermaterial von dem bandartigen Leitermaterialträger 18' abgelöst und auf das Silizium-Substrat übertragen.
In 6 ist eine Vorrichtung 11'' als Abwandlung derjenigen aus 5 dargestellt. Anstelle des dort vorhandenen bandartigen Leitermaterialträgers nach Art einer Schleife ist nun ein Glasrohr 18'' als Leitermaterialträger vorgesehen. Dieses Glasrohr 18'' rotiert um seine Mittellängsachse, und zwar in der Stirnansicht gemäß 6 im Uhrzeigersinn. Dazu ist es an seinen Enden mit nicht dargestellten Lagerungen sowie einem Drehantrieb versehen. Entsprechend der Vorrichtung 11'' gemäß 5 ist eine Walzenvorrichtung 31'' vorgesehen, die mit einer ihrer Walzen an der Außenseite des Glasrohrs 18'' anliegt. Auf die Walzenvorrichtung 31'', vorteilhaft genau in die Mitte dazwischen, wird Leitermaterial 21'' in flüssiger bzw. pastöser Form aufgebracht und verteilt sich dann von dort auf die Außenseite des Glasrohrs 18''.
Im Inneren des Glasrohrs 18'' ist, wie auch aus 7 zu erkennen ist, ein Spiegel 35'' angeordnet und bewegbar gelagert. Wie zuvor erläutert worden ist, kann ein von links in das Glasrohr 18'' eingestrahlter Laserstrahl 23'' nach unten durch das Glasrohr 18'' hindurch auf das Silizium-Substrat 13 umgelenkt werden. Die Funktionsweise des Ablösens des Leitermaterials 21 von dem Glasrohr 18'' bzw. dessen Außenseite und Übertragens auf die Oberfläche des Silizium-Substrats 13 ist wie zuvor beschrieben.
Der Vorteil der Verwendung des Glasrohrs 18'', insbesondere im Vergleich zu einer aus Kunststoff bestehenden Schleife gemäß 5, besteht darin, dass das Glas, beispielsweise Quarzglas, mechanisch sehr fest und insbesondere auch temperaturbeständig ist. Weitere Eigenschaften sind vorstehend beschrieben worden.
In Erweiterung der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele können auch mehrere Silizium-Substrate gleichzeitig, beispielsweise hintereinander und/oder nebeneinander, mit Leitermaterial versehen werden.
Anstelle eines beispielsweise gemäß 4 oder 6 rotierenden Leitermaterialträgers kann auch ein zwischen zwei Positionen hin- und herbewegter Leitermaterialträger vorgesehen sein, also in einer Art Oszillierbewegung. Ebenso ist vorstellbar, dass ein Leitermaterialträger während der Zeit des Abtransports des beschichteten Silizium-Substrats und Herantransports des zu beschichtenden Substrats zur Seite gefahren wird und dann mit neuem Leitermaterial beschichtet wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit Aufbringen von elektrisch leitfähigem Leitermaterial (21, 25) auf eine Seite (14, 15) eines Silizium-Substrats (13) für die Solarzelle, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitermaterialträger (18, 18') mit Abstand zu dem Silizium-Substrat (13) geführt ist, wobei der Leitermaterialträger (18, 18') für Licht bestimmter Wellenlänge durchlässig ist und auf einer dem Silizium-Substrat (13) zugewandten Seite (20) das Leitermaterial (21, 25) aufweist, wobei ein hochenergetischer Strahl (23) mit dieser Wellenlänge, vorzugsweise ein fokussierter Laserstrahl, auf die von dem Silizium-Substrat (13) abgewandte Seite (19) des Leitermaterialträgers (18, 18') eingekoppelt wird zum Ablösen des Leitermaterials (21, 25) in spezieller Form entsprechend der vom Strahl (23) angestrahlten Punkte, Linien oder Bereiche, wobei das abgelöste Leitermaterial (21, 25) auf die gegenüberliegende Oberfläche (14, 15) des Silizium-Substrats (13) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (23) in genau die Ebene (20) fokussiert wird, in der die Schicht aus Leitermaterial (21) auf dem Leitermaterialträger (18, 18') ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial (21) mit dem Strahl (23) erhitzt und verdampft wird zum Niederschlag auf der Oberfläche (14, 15) des Silizium-Substrats (13).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (23) pulsartig erzeugt wird für sogenannte Laserpunkte, und durch Aneinanderreihung einer Viel zahl solcher Laserpunkte eine gewünschte Struktur aus Leitermaterial (25) auf der Oberfläche (14, 15) des Silizium-Substrats (13) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (23) kontinuierlich erzeugt wird bzw. der Laser kontinuierlich betrieben wird zur Erhitzung und Ablösung des Leitermaterials (21, 25) von dem Leitermaterialträger (18, 18') sowie zur Übertragung auf die Oberfläche (14, 15) des Silizium-Substrats (13).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung dünner bzw. im wesentlichen linienartiger Formen des Leitermaterials (25) auf dem Silizium-Substrat (13) der Strahl (23) relativ zu dem Silizium-Substrat bewegt wird in einem Muster entsprechend der gewünschten Struktur des Leiters (25) auf dem Silizium-Substrat (13), wobei vorzugsweise die Leiterstruktur (25) durch eine Linie von Laserpunkten oder kontinuierlichem Laserlicht auf dem Silizium-Substrat (13) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium-Substrat (13) festgehalten wird und der Strahl (23, 23'') darüber und über den Leitermaterialträger (18, 18', 18'') bewegt wird, wobei vorzugsweise ein Laser zur Erzeugung des Laserlichts ebenfalls feststeht und eine Laserlichtoptik, insbesondere mit Umlenkeinrichtungen wie Spiegeln (35'') odgl., bewegt wird zur Bewegung des Laserstrahls (23'').
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (23) auf einen stets gleichbleibenden Punkt gehalten wird und das Silizium-Substrat (13) gegenüber diesem Punkt bewegt wird in entsprechend gewünschter Bahn.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitermaterialträger (18, 18', 18'') relativ zu dem Strahl (23, 23'') bewegt wird und relativ zu dem Silizium-Substrat (13) unbewegt bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitermaterialträger (18, 18', 18'') relativ zu dem Strahl (23, 23'') bewegt wird und ebenso relativ zu dem Silizium-Substrat (13) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitermaterialträger (18, 18', 18'') umläuft bzw. rotiert, wobei er insbesondere stets wiederholt zwischen Strahl (23, 23'') und Silizium-Substrat (13) vorbeibewegt wird zur Ablösung des Leitermaterials (21), wobei vorzugsweise das abgelöste Leitermaterial (21, 21'', 25) an seiner dem Silizium-Substrat (13) zugewandten Seite erneuert wird durch neuen Auftrag von Leitermaterial (21, 21'').
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitermaterialträger (18') ein Band ist, vorzugsweise ein umlaufendes Band, welches in einem Bereich außerhalb der Bestrahlung mit dem Strahl (23) stets vollflächig mit Leitermaterial (21) beschichtet wird und dann ein solcher mit Leitermaterial (21) beschichteter Bereich zwischen Strahl (23) und Silizium-Substrat (13) gebracht wird zur Ablösung des Leitermaterials (21, 25) und zur Übertragung auf die Oberfläche (14, 15) des Silizium-Substrats (13) durch den Strahl (23).
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitermaterialträger (18'') ein Hohlkörper ist, vorzugsweise ein länglicher rundzylindrischer Hohlkörper, welcher in seinem Bereich außerhalb der Bestrahlung mit dem Strahl (23'') im wesentlichen flächig mit Leitermaterial (21'') beschichtet wird und dann ein solcher mit Leitermaterial (21'') beschichteter Bereich zwischen Strahl (23'') und Silizium-Substrat (13) gebracht wird zur Ablösung des Leitermaterials (21, 25) und zur Übertragung auf die Oberfläche (14, 15) des Silizium-Substrats (13) durch den Strahl (23').
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (23'') innerhalb des Hohlkörpers (18'') verläuft, vorzugsweise parallel zu dessen Längsachse, und mit einer Umlenkeinrichtung wie einem Spiegel (35'') umgelenkt wird und eine Wandung des Hohlkörpers mit außen aufgebrachtem Leitermaterial (21'') durchläuft zum Aufbringen des Leitermaterials auf das Silizium-Substrat (13).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitermaterialträger (18, 18') mindestens so groß ist wie das mit Leitermaterial (21, 25) zu versehende Silizium-Substrat (13) und während der notwendigen Beschichtung mit Leitermaterial (21, 25) relativ zu dem Silizium-Substrat (13) unbewegt bleibt, wobei vorzugsweise anschließend der Leitermaterialträger (18) erneut vollständig mit Leitermaterial (21) beschichtet wird zum Übertragen auf ein weiteres Silizium-Substrat (13).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorderseite (14) und eine Rückseite (15) des Silizium-Substrats (13) auf dieselbe Art und Weise beschichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial (21, 25) in Form breiter Streifen oder Flächen auf die Oberfläche (14, 15) des Silizium-Substrats (13) aufgebracht wird, wobei hierzu im Vergleich zu ei ner linienartigen Leiterstruktur entweder größer fokussierte Strahlen (23) verwendet werden oder eine Fläche durch die Aneinanderreihung zahlreicher, eng nebeneinander liegender Linien von Leitermaterial (25) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial (25) nach dem Aufbringen auf die Oberfläche (14, 15) des Silizium-Substrats (13) thermisch verfestigt bzw. eingebrannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial (21) in Pastenform auf den Leitermaterialträger (18) aufgebracht wird, vorzugsweise aufgewalzt oder aufgestrichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitermaterialträger (25) elektrisch leitfähig ist und eine Spannung zwischen Leitermaterialträger (25) und Silizium-Substrats (13) angelegt wird bzw. elektrische Ladung auf den Leitermaterialträger (25) aufgebracht wird zur Verringerung einer Ablöseenergie für das Leitermaterial (21) in Tropfenform und zur Verlängerung der Aufbringungszeit.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitermaterialträger (18, 18') durchsichtig ist, wobei er vorzugsweise aus Kunststoff oder Glas besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitermaterialträger (18') als umlaufendes Band ausgebildet ist und vorzugsweise aus Kunststofffolie besteht, wobei er insbesondere kontinuierlich umlaufend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitermaterialträger (18) scheibenartig ausgebildet ist und insbesondere eine um eine Achse (29) rotierende Scheibe ist, wobei vorzugsweise die Rotationsachse (29) der Scheibe (18') außerhalb des Silizium-Substrats (13) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitermaterialträger (18'') ein Hohlkörper ist, vorzugsweise ein länglicher rundzylindrischer Hohlkörper, welcher in seinem Bereich außerhalb der Bestrahlung mit dem Strahl (23'') flächig mit Leitermaterial (21'') beschichtet ist und dann ein solcher mit Leitermaterial (21'') beschichteter Bereich zwischen Strahl (23'') und Silizium-Substrat (13) gebracht ist zur Ablösung des Leitermaterials (21, 25) und zur Übertragung auf die Oberfläche (14, 15) des Silizium-Substrats (13) durch den Strahl (23'').
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (23'') innerhalb des Hohlkörpers verläuft, vorzugsweise parallel zu dessen Längsachse zur Umlenkung mit einer Umlenkeinrichtung wie einem Spiegel (35'') und zum Durchlaufen einer Wandung des Hohlkörpers mit außen aufgebrachtem Leitermaterial (21'') zum Aufbringen des Leitermaterials auf das Silizium-Substrat (13).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (31, 31', 31'') zur Aufbringung des Leitermaterials (21, 21'') auf den Leitermaterialträger (18, 18'') außerhalb des Silizium-Substrats (13) bzw. daneben angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (31, 31', 31'') zur Aufbringung des Leitermaterials (21) nach Art einer Walze ausgebildet sind, vorzugs weise mit einer Breite von mindestens des Breite des Silizium-Substrats (13), wobei insbesondere die Mittel (31, 31', 31'') derart zu dem umlaufenden Leitermaterialträger (18, 18', 18'') angeordnet sind, dass der von den Mitteln direkt beschichtete Bereich des Leitermaterialträgers (18) über das Silizium-Substrat (13) läuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitermaterialträger (18, 18', 18'') gelocht bzw. siebartig ausgebildet ist, vorzugsweise als engmaschiges Sieb aus Geflecht aus Draht oder Kunststoff.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Leitermaterialträgers (18, 18', 18'') bearbeitet ist, vorzugsweise mit einer Mikrostrukturierung oder einer elektrisch leitfähigen Beschichtung zur Beeinflussung der Adhäsion des Leitermaterials (21) oder zur Verringerung einer Ablöseenergie für das Leitermaterial (21) in Tropfenform und zur Verlängerung der Aufbringungszeit.