DE102009026027B4

DE102009026027B4 - Wafersolarzelle

Info

Publication number: DE102009026027B4
Application number: DE200910026027
Authority: DE
Inventors: Frank Fidorra; Markus Träger; Matthias Heimann
Original assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Current assignee: Hanwha Q Cells and Advanced Materials Corp
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: DE102009026027A1

Abstract

Wafersolarzelle aufweisend – einen Halbleiterwafer mit einer Vorderseite samt einer Vorderelektroden-Struktur zum elektrischen Kontaktieren der Wafersolarzelle mit einem Lötband und einer Rückseite – und einer auf der Rückseite des Halbleiterwafers angeordneten Rückelektroden-Struktur (1), die Rückelektroden-Struktur (1) aufweisend: – mindestens einen unterbrochenen Busbar, aufgebaut aus mindestens zwei metallischen Lötflächen (10) – und eine zwischen den beiden Lötflächen (10) angeordnete, die Lötflächen (10) zumindest teilweise umschließende Metallisierungsschicht (20) zur Zuleitung von Elektronen zu den Lötflächen (10) des unterbrochenen Busbars, wobei die beiden Lötflächen (10) jeweils eine Lötband-Kante (100) aufweisen, die entlang des geringst möglichen Abstands zwischen den beiden Lötflächen (10) betrachtet gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sich nach dem elektrischen Kontaktieren der Wafersolarzelle mit dem Lötband das Lötband über die Lötband-Kanten (100) der Lötflächen (10) erstreckt und wobei die beiden Lötflächen (10) jeweils mindestens eine Kontaktierungs-Kante (110) aufweisen, entlang derer die Metallisierungsschicht (20) mit einem über die Kontaktierungs-Kante (110) der Lötfläche greifenden Überlapp-Bereich (21) zum elektrischen Kontaktieren zwischen der Metallisierungsschicht (20) und der Lötfläche (10) ausgebildet ist, wobei die Metallisierungsschicht (20) im Bereich der Lötband-Kante (100) in Richtung der Lötfläche (10) betrachtet vor der Lötband-Kante (100) endet und wobei zwischen jeder Lötband-Kante (100) der Lötflächen und der zu den jeweiligen Lötband-Kanten (100) benachbarten Metallisierungsschicht (20) ein Spalt (30) in der Metallisierungsschicht (20) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wafersolarzelle mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1.
Derartige Wafersolarzellen sind üblicherweise aus einem Halbleiterwafer mit einer Vorderseite samt einer Vorderelektroden-Struktur und einer Rückseite mit einer auf der Rückseite des Halbleiterwafers angeordneten Rückelektroden-Struktur aufgebaut. Die Rückelektroden-Struktur umfasst mindestens einen unterbrochenen Busbar, aufgebaut aus mindestens zwei metallischen Lötflächen und einer zwischen den beiden Lötflächen angeordneten, die Lötflächen zumindest teilweise umschließenden Metallisierungsschicht. Die metallischen Lötflächen und die Metallisierungsschicht können in aufeinanderfolgenden Prozessschritten beispielsweise durch Siebdruck auf die Rückseite des Halbleiterwafers aufgebracht werden. Für die metallischen Lötflächen kommt üblicherweise eine silberhaltige Siebdruckpaste, für die Metallisierungsschicht eine aluminiumhaltige Siebdruckpaste zum Einsatz. Abhängig von Konsistenz und Viskosität der zum Einsatz kommenden Siebdruckpasten und weiterer technologischer Randbedingungen des Siebdruckprozesses lassen sich mit diesen Prozessschritten üblicherweise Beschichtungen mit Dicken im Bereich von etwa 10 Mikrometer bis einiger hundert Mikrometer herstellen. Zur Abgrenzung gegenüber der üblicherweise mit Schichtdicken im Nanometerbereich bis zu wenigen Mikrometern liegenden Dünnfilmtechnologie spricht man daher im vorliegenden Zusammenhang von Dickfilmen.
Die beiden Lötflächen weisen jeweils eine Lötband-Kante auf. Über diese Lötband-Kanten der Lötflächen erstreckt sich üblicherweise ein so genanntes Lötband. Dieses Lötband dient dem elektrischen Anschluss der Wafersolarzelle. Beispielsweise bei der elektrischen Verschaltung zweier benachbarter Wafersolarzellen erstreckt sich das Lotband zwischen einem Busbar der Frontelektrode einer Wafersolarzelle und einem Busbar der Rückelektrode einer benachbart angeordneten weiteren Wafersolarzelle. Abhängig von der Größe der Wafersolarzelle sind oftmals eine Mehrzahl parallel zueinander verlaufender Busbars und somit eine Mehrzahl parallel zueinander verlaufender Lötbänder vorgesehen. Die Lötband-Kanten der Lötflächen sind entlang des geringst möglichen Abstands zwischen den beiden Lötflächen betrachtet gegenüberliegend angeordnet.
Weiterhin weisen die beiden Lötflächen jeweils mindestens eine Kontaktierungs-Kante auf, entlang derer die Metallisierungsschicht mit einem über die Kontaktierungs-Kante der Lötfläche greifenden Grenzbereich den elektrischen Kontakt zwischen der Metallisierungsschicht und der Lötfläche herstellt. Abhängig von den Justagetoleranzen der zum Einsatz kommenden Siebdruckprozesse kann der Grenzbereich als ein viele 100 μm breiter überlappender Bereich ausgebildet sein; beispielsweise 250 μm bei einer gesamten Breite der Lötfläche von 3,5 mm, wenn die Justagetoleranz bei circa 200 μm liegt. Eine Solarzelle mit derartigen überlappenden Bereichen ist aus dem Dokument US 5178685 A bekannt. Das Dokument US 5151386 A zeigt ebenfalls Lötflächen, die mit der umgebenden Metallisierungsschicht einen überlappenden Bereich ausbilden oder bündig an diese anstoßen. Das Dokument US 2008/0216887 A1 zeigt eine rückseitenkontaktierte Solarzelle mit einer ineinander greifenden Elektrodenfingerstruktur aus Metallisierungsschichten mit Lötflächen.
In der Fotovoltaikindustrie besteht die Anforderung, die Herstellungskosten von Wafersolarzellen signifikant zu senken. Ein nicht unerheblicher Kostenfaktor ist in diesem Zusammenhang die zum Einsatz kommende Siebdruckpaste für die Lötflächen der Busbars. Eine aluminiumhaltige Siebdruckpaste wäre erheblich günstiger als eine silberhaltige. Da sich auf diesem Wege hergestellte Aluminium-Dickfilme jedoch nicht mit üblichen Lötbändern verlöten lassen, ist es nicht möglich, die gesamte Rückelektroden-Struktur aus einem Aluminium-Dickfilm aufzubauen. Im Hinblick auf die zu erzielende Kostenreduktion ist es jedoch möglich, die Busbars der Rückseiten-Elektrodenstruktur nicht als durchgängige Lötflächen, sondern aus einer Mehrzahl hintereinander angeordneter Lötflächen in Form unterbrochener Busbars aufzubauen. Zwischen den einzelnen Lötflächen ist die beispielsweise aus einem Aluminium-Dickfilm bestehende kostengünstigere Metallisierungsschicht vorgesehen, um Elektronen den Lötflächen der unterbrochenen Busbars zuzuleiten. Aufgrund des mehrteiligen Aufbaus der unterbrochenen Busbars mit einer Vielzahl von Lötflächen entstehen bei einem Lötvorgang eine entsprechende Vielzahl von Lötverbindungen zwischen einem Lötband und den einzelnen Lötflächen. Jeder Randbereich einer Lötfläche erhöht im Hinblick auf die mechanische Belastung des Halbleiterwafers das Risiko einer Schädigung durch Mikrorisse im Halbleitermaterial des Wafers. Aufgrund des bestehenden Drucks zur Kostenreduktion werden immer dünnere Halbleiterwafer eingesetzt. Dabei werden die immer dünneren Halbleiterwafer wegen der Sprödheit des Halbleitermaterials auch immer empfindlicher gegenüber mechanischen Belastungen.
Die zum Einsatz kommenden Lötbänder weisen üblicherweise einen Kupferkern auf. Da Kupfer im Vergleich zu den meisten Halbleitermaterialien einen deutlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, bauen sich im Zusammenhang mit der Abkühlung nach dem Lötvorgang thermo-mechanische Spannungen zwischen dem Lötband und dem Halbleiterwafer auf. Diese dauerhafte mechanische Belastung führt im Zusammenspiel mit ebenfalls während des Lötvorganges entstandenen Mikrorissen zu einem erhöhten Bruchrisiko der Wafersolarzelle.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Wafersolarzelle mit unterbrochenen Busbars auf der Rückelektroden-Struktur bereitzustellen, die kein erhöhtes Bruchrisiko aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Wafersolarzelle mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Metallisierungsschicht im Bereich der Lötband-Kante in Richtung der Lötfläche betrachtet vor der Lötband-Kante endet und wobei zwischen jeder Lötband-Kante der Lötflächen und der zu den jeweiligen Lötband-Kanten benachbarten Metallisierungsschicht ein Spalt in der Metallisierungsschicht ausgebildet ist. Es ist somit sichergestellt, dass die Lötflächen im Bereich ihrer Lötband-Kanten keinen Überlapp durch die benachbarte Metallisierungsschicht erfahren. Ein solcher Überlapp der Metallisierungsschicht stellt in struktureller Hinsicht eine lokale Überhöhung der Dickfilmstruktur dar, und ein über den Überlapp der Metallisierungsschicht verlaufendes Lötband würde während des Lötvorgangs auf diese lokale Überhöhung aufgedrückt werden. Über den Bereich des Überlapps würde auf diese Weise eine angesichts der Sprödigkeit des dünnen Halbleiterwafers erhebliche mechanische Belastung in den Halbleiterwafer eingebracht. Wie bereits eingehend erläutert, kann diese Belastung zu Mikrorissen führen, die sich aufgrund thermo-mechanischer Spannungen ausweiten und letztlich zum mikroskopischen Bruch des Halbleiterwafers führen.
Der Spalt muss nicht zwangsläufig bis auf der Rückseite des Halbleiterwafers herunter reichen. Er kann vielmehr teilweise durch Material der Lötflächen und/oder durch Material der Metallisierungsschicht angefüllt sein. Wesentlich ist lediglich, dass im Bereich der Lötband-Kanten an den Lötflächen eine lokale Überhöhung der Lötflächen-Oberfläche verhindert ist. Außerdem ermöglicht es der Spalt, eine gewisse Höhendifferenz zwischen der Schichtdicke der Lötflächen und der Schichtdicke der Metallisierungsschicht zu vermitteln. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich noch mehr Lötflächenmaterial einzusparen, indem die Schicht dünner ausgebildet wird als die umgebende Metallisierungsschicht.
Es ist vorteilhaft, wenn sich der Spalt entlang der gesamten Lötband-Kante der Lötfläche erstreckt. Aufgrund der Dimensionierung des Lötbands und der Justagetoleranzen beim Lötvorgang lässt sich die erforderliche Breite der Lötband-Kante ermitteln. Um die mechanische Belastung aufgrund einer lokalen Überhöhung dieser Kante mit Sicherheit zu vermeiden, ist es von Vorteil, den genannten Spalt entlang der gesamten Breite der Lötband-Kante vorzusehen.
Für jede der vorangehend genannten Merkmalskombinationen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Lötband-Kante der Lötfläche gekrümmt, bevorzugt in Form eines Kreisbogenabschnitts, ausgebildet ist. Das Vermeiden eckiger Strukturen bietet den Vorteil, dass die nach dem Lötvorgang auftretenden thermo-mechanischen Spannungen gleichmäßiger in den Halbleiterwafer eingetragen werden. Auch dieser Effekt trägt zur Reduzierung der Bruchrate der Wafersolarzellen bei.
Der entlang der Lötband-Kanten vorgesehene Spalt weist mit Vorteil eine Breite von kleiner gleich 600 μm, bevorzugt eine Breite von kleiner gleich 400 μm auf. Die letztlich zu wählenden Breite des Spaltes hängt wie bereits erwähnt von der Justagetoleranz der Siebdruckprozesse ab. Ein weiterer Faktor liegt im Unterschied der Schichtdicke im Vergleich zwischen der Lötfläche und der die Lötfläche im Bereich der Lötband-Kanten umgebenden Metallisierungsschicht. Es ist vorteilhaft, die die Schichtdicke der teuren Lötflächen so dünn wie möglich auszubilden. Im Hinblick auf die Metallisierungsschicht kann zu Gunsten einer optimierten elektrischen Flächenleitfähigkeit eine größere Schichtdicke angezeigt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist jede Lötfläche zwei einander spiegelsymmetrisch gegenüber liegende Kontaktierungs-Kanten auf. Abhängig von der Dimensionierung der Lötbänder ist es von Vorteil, dass die Kontaktierungs-Kanten einen Abstand von kleiner gleich 4 mm, bevorzugt kleiner gleich 3,5 mm aufweisen. Bei dieser Dimensionierung ist für ein Lötband einer Breite von 1,5 mm gewährleistet, dass unter Berücksichtigung der Justagetoleranz für den Siebdruck und der Montagetoleranz des Lötbands das Lötband auf der Lötfläche zwischen den überlappenden Bereichen entlang der Kontaktierungs-Kanten zu liegen kommt.
Kumulativ oder alternativ ist es weiterhin von Vorteil, dass jede Lötfläche eine zu der Lötband-Kante spiegelsymmetrisch gegenüberliegende weitere Lötband-Kante aufweist. Dadurch lässt sich ein hinsichtlich seiner Breite gleichförmig dimensioniertes Lötband einfacher über eine Mehrzahl von Lötflächen eines unterbrochenen Busbars verarbeiten.
Ein vorteilhaftes Design einer Wafersolarzelle sieht insgesamt achtzehn identisch ausgebildete Lötflächen vor, wobei diese in drei gleichmäßig zueinander beabstandeten Reihen mit je sechs Lötflächen angeordnet sind und die jeweils sechs Lötflächen in jeder Reihe als unterbrochener Busbar in gleicher Weise periodisch angeordnet sind. Dieses Design wird anhand der nachfolgend erläuterten Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
1 die Aufsicht auf die Rückelektroden-Struktur einer Wafersolarzelle mit drei unterbrochen ausgebildeten Busbars;
2 einen vergrößerten Ausschnitt des in 1 kreisförmig eingegrenzten Bereichs;
3a eine Querschnittsansicht durch die Wafersolarzelle aus 2 entlang der Pfeile IIIa-IIIa und
3b eine Querschnittsansicht durch die Wafersolarzelle aus 2 entlang der Pfeile IIIa-IIIa.
1 zeigt die maßstabsgerechte Aufsicht auf die Rückelektroden-Struktur 1 einer Wafersolarzelle mit drei aus jeweils sechs gleich dimensionierten Lötflächen 10 unterbrochen ausgebildeten Busbars. Zwischen den Lötflächen 10 erstreckt sich eine schraffiert dargestellte Metallisierungsschicht 20, die im Wesentlichen die gesamte Rückseite des Halbleiterwafers, abgesehen von den Lötflächen 10, bedeckt. Anhand dieser Ansicht ist gut erkennbar, dass im Vergleich zu einem konventionellen Design mit nicht unterbrochenen, durchgängigen Busbars rund die Hälfte an Lötfläche eingespart worden ist. Simulationsrechnungen haben ergeben, dass auch noch eine deutlich geringere Anzahl gleich dimensionierter Lötflächen 10 zur Ausbildung unterbrochener Busbars ausreicht, ohne dass dadurch der ohmsche Widerstand für den Transport der Ladungsträger signifikant anstiege. Die Anzahl, Dimensionierung und Anordnung der Lötflächen 10 richtet sich vielmehr nach den technischen Randbedingungen der auf dem Markt befindlichen Lötautomaten zum Verlöten der Lötflächen 10 mit Lötbändern.
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des in 1 kreisförmig eingegrenzten Bereichs der Rückelektroden-Struktur 1 der Wafersolarzelle. Jede der Lötflächen 10 weist eine langgestreckte Struktur mit einem rechteckförmigen Grundkörper auf. Dieser rechteckförmige Grundkörper ist an seinen beiden schmalen Enden jeweils durch einen halbkreisförmigen Endabschnitt abgeschlossen. Der Bogen jedes halbkreisförmigen Endabschnitts der Lötfläche 10 stellt zugleich eine Lötband-Kante 100 dar. Über diese Lötband-Kante 100 hinweg würde sich ein mit den Lötflächen 10 zu verlötendes Lötband erstrecken. Benachbart zur halbkreisförmigen Lötband-Kante 100 weist die Metallisierungsschicht 20 einen schmalen Spalt 30 auf. Die Bereiche der gegenüberliegenden geradlinigen Längskanten des rechteckförmigen Grundkörpers der Lötfläche 10 stellen die Kontaktierungs-Kanten 110 der Lötflächen 10 dar. Im Bereich der Kontaktierungs-Kanten 110 wird der elektrische Kontakt zwischen der Metallisierungsschicht 20 und den Lötflächen 10 gewährleistet.
3a zeigt eine Querschnittsansicht durch die Wafersolarzelle aus 2 entlang der Pfeile IIIa-IIIa. Es ist erkennbar, wie die Metallisierungsschicht 20 im Bereich der Kontaktierungs-Kanten 110 der Lötfläche 10 jeweils einen Überlappbereich 21 ausbildet. Es wird betont, dass die 3a und 3b anders als die 1 und 2 keine maßstabsgetreuen Darstellungen zeigen. Die Metallisierungsschicht 20 hat beispielsweise eine Dicke von 30 μm und die Lötflächen eine Dicke von 15 μm. Der Überlappbereich 21 beträgt, abhängig von der Justagetoleranz des Siebdruckprozesses circa 250 μm, die Lötfläche 10 ist 3,5 mm breit.
3b zeigt eine Querschnittsansicht durch die Wafersolarzelle aus 2 entlang der Pfeile IIIa-IIIa. Anders als in 3a verläuft dieser Schnitt im Bereich der Lötband-Kante 100 der Lötfläche 10. Es ist erkennbar, wie die Lötfläche 10 von der Metallisierungsschicht 20 durch den Spalt 30, der bis auf die Rückseite des Halbleiterwafers hinunter reicht, beabstandet ist. Die Anordnung und Dimensionierung des Spaltes 30 hängt im Wesentlichen mit den Toleranzen der bei der Herstellung zum Einsatz kommenden Verfahren zusammen. Üblicherweise werden die Lötflächen 10 und die Metallisierungsschicht 20 in zwei aufeinanderfolgenden Siebdruckschritten auf die Rückseite des Halbleiterwafers aufgebracht. Die Justagetoleranz des Siebdruckprozesses liegt bei circa 200 μm. Folglich sollte der Spalt 30 deutlich größer als 200 μm sein, um eine lokale Überhöhung des Grenzbereiches zwischen Lötfläche 10 und Metallisierungsschicht 20 im Bereich der Lötband-Kante 100 durch einen unerwünschten Überlapp mit Sicherheit zu vermeiden.
Kämen jedoch andere Beschichtungs- und Strukturierungsverfahren (z. B. CVD-Verfahren kombiniert mit Maskierung und Ätzung) zum Einsatz, die eine deutlich bessere Toleranz als 200 μm gewährleisten, so könnte der Spalt 30 auch deutlich schmaler ausgebildet sein, oder im nicht erfindungsgemäßen Idealfall komplett verschwinden, wenn die Schichten ohne Überlapp aneinandergrenzen.
Bezugszeichenliste

1: Rückelektroden-Struktur
10: Lötflächen
100: Lötband-Kante
110: Kontaktierungs-Kante
20: Metallisierungsschicht
21: Überlapp-Bereich
30: Spalt

Claims

Wafersolarzelle aufweisend – einen Halbleiterwafer mit einer Vorderseite samt einer Vorderelektroden-Struktur zum elektrischen Kontaktieren der Wafersolarzelle mit einem Lötband und einer Rückseite – und einer auf der Rückseite des Halbleiterwafers angeordneten Rückelektroden-Struktur (1), die Rückelektroden-Struktur (1) aufweisend: – mindestens einen unterbrochenen Busbar, aufgebaut aus mindestens zwei metallischen Lötflächen (10) – und eine zwischen den beiden Lötflächen (10) angeordnete, die Lötflächen (10) zumindest teilweise umschließende Metallisierungsschicht (20) zur Zuleitung von Elektronen zu den Lötflächen (10) des unterbrochenen Busbars, wobei die beiden Lötflächen (10) jeweils eine Lötband-Kante (100) aufweisen, die entlang des geringst möglichen Abstands zwischen den beiden Lötflächen (10) betrachtet gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sich nach dem elektrischen Kontaktieren der Wafersolarzelle mit dem Lötband das Lötband über die Lötband-Kanten (100) der Lötflächen (10) erstreckt und wobei die beiden Lötflächen (10) jeweils mindestens eine Kontaktierungs-Kante (110) aufweisen, entlang derer die Metallisierungsschicht (20) mit einem über die Kontaktierungs-Kante (110) der Lötfläche greifenden Überlapp-Bereich (21) zum elektrischen Kontaktieren zwischen der Metallisierungsschicht (20) und der Lötfläche (10) ausgebildet ist, wobei die Metallisierungsschicht (20) im Bereich der Lötband-Kante (100) in Richtung der Lötfläche (10) betrachtet vor der Lötband-Kante (100) endet und wobei zwischen jeder Lötband-Kante (100) der Lötflächen und der zu den jeweiligen Lötband-Kanten (100) benachbarten Metallisierungsschicht (20) ein Spalt (30) in der Metallisierungsschicht (20) ausgebildet ist.
Wafersolarzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Spalt (30) entlang der gesamten Lötband-Kante (100) der Lötfläche (10) erstreckt.
Wafersolarzelle gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötband-Kante (100) der Lötfläche (10) gekrümmt ausgebildet ist.
Wafersolarzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (30) eine Breite von kleiner gleich 600 μm aufweist.
Wafersolarzelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lötfläche (10) zwei einander spiegelsymmetrisch gegenüber liegende Kontaktierungs-Kanten (110) aufweist.
Wafersolarzelle gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungs-Kanten (110) einen Abstand von kleiner gleich 4 mm aufweisen.
Wafersolarzelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lötfläche (10) eine zu der Lötband-Kante (100) spiegelsymmetrisch gegenüber liegende weitere Lötband-Kante (100) aufweist.
Wafersolarzelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit insgesamt achtzehn identisch ausgebildeten Lötflächen (10), wobei diese in drei gleichmäßig zueinander beabstandeten Reihen mit je sechs Lötflächen (10) angeordnet sind und die jeweils sechs Lötflächen (10) in jeder Reihe in gleicher Weise als unterbrochener Busbar periodisch angeordnet sind.