DE102009034594A1 - Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Silizium-Solarzelle mit ganzflächiger, legierter Rückseitenmetallisierung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Silizium-Solarzelle mit ganzflächiger, legierter Rückseitenmetallisierung mit folgenden Schritten: - nach der Grunddotierung und dem Abscheiden einer Vorderseiten-Antireflexionsschicht erfolgendes Ausbilden einer rückseitigen Aluminium-Dünnschicht, welche einen vorgegebenen Abstand vom Waferrand einhält; - Aufbringen und Trocknen der Vorder- und Rückseiten-Busbars, - Bedrucken der Rückseite des Wafers mit einer Aluminium enthaltenden Dickschichtpaste, wobei die Aluminium-Dünnschicht auch randseitig überdeckt und die Rückseiten-Busbars leicht überlappt werden sowie die Dickschichtpaste im Ergebnis des Beschichtungsschritts eine deutlich geringere mittlere Dicke aufweist; - Sintern der Dickschichten in einem gemeinsamen Temperaturbehandlungsschritt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Silizium-Solarzelle mit ganzflächiger, legierter Rückseitenmetallisierung.
- Es ist bekannt, Silizium-Solarzellen mit einer passivierenden Antireflexschicht auf der vorderseitigen n+-Emitterschicht und mit einer ganzflächigen Metallisierung des rückseitigen Basisbereichs zur Verspiegelung und zur Bandverbiegung, d. h. zur Ausbildung eines Back Surface Field (BSF) auf der Rückseite zu versehen.
- Diese Rückseitenmetallisierung besteht üblicherweise aus einer Aluminiumbasierten Dickschichtpaste, die großflächig zwischen den Silber-basierten Busbars in einem Druckverfahren aufgebracht wird.
- Beim Sintervorgang oberhalb von 800°C legiert das Aluminium durch Bildung des niederschmelzenden AlSi-Eutektikums mit späterer Rekristallisation an die Halbleiteroberfläche an. Dabei erfolgt eine Überkompensation der vorhandenen n+-Dotierung aus der vorher rundum erfolgten Phosphordiffusion zu einer starken p-dotierten Schicht. Da für die Modulintegration lötfähige Kontakte auf der Rückseite der Zellen notwendig sind, findet vorab ein Druck mit Silber-basierter Paste statt. Dieser Druck reproduziert überwiegend die Zahl und die Position der Busbars der Vorderseite. Wie in der
1 , die den Stand der Technik repräsentiert, dargestellt wurde, werden die Rückseitenbusbars5 in breiteren streifenförmigen Bereichen unterhalb schmalerer Vorderseitenbusbars4 gedruckt, bevor ein abschließender Aluminium-Pastendruck die restlichen Flächen6 seitlich der Busbars füllt. Das Aluminium überlappt das Silber oder AgAl entlang der Kanten jedes Busbars in einem schmalen Bereich7 . - Bei der Abkühlung der Wafer unter die Eutektikumstemperatur von 577°C rekristallisiert die flüssige AlSi-Phase zwischen dem Halbleiterkristall und der Aluminium-Pastenschicht von innen nach außen zu einer teilweisen einkristallinen p+-Siliziumschicht, während der Rest des Eutektikums zu einer Zwischenschicht mit einem Gefüge aus AlSi-Körnern und SiAl-Körnern erstarrt.
- Eine ähnliche Struktur wird seit längerer Zeit auch auf n-dotiertem Silizium ausgebildet. Dabei wird die besagte Aluminium-Dotierung der Rückseite zum Emitter und die Phosphor-dotierte Schicht der Vorderseite zum sogenannten Front Surface Field (FSF).
- Prinzipiell bleiben hierbei alle Prozessschritte und die Kontaktgeometrie ähnlich, jedoch sind die Schichten bezüglich der Funktionsänderungen variiert. So muss die Vorderseiten-Silberpaste nicht mehr, wie beim p-Material, darauf optimiert werden, dass diese nach Durchdringen der Antireflexschicht, meist Siliziumnitrid, nicht auch den relativ flachen n+-Emitter durchdringt und somit die Zelle kurzschließt, denn die n+-Schicht ist nur ein High-Low-Übergang.
- Die vorstehend kurz geschilderten Technologien einer anlegierten Aluminiumschicht auf der Rückseite von Silizium-Solarzellen besitzen folgende Nachteile:
Wie aus der1 nachvollzogen werden kann, gibt es unter den rückseitigen Silber-basierten Busbars5 im Bereich8 beim p-Material keinen BSF-Bereich9 bzw. beim n-Material keinen Emitter9 , weil das Aluminium nur bis zum Rand der Silber-basierten Bahnen5 einlegiert und nur dort im rekristallisierten Silizium eine Dotierung bewirkt wird, die für die elektrostatische Passivierung verantwortlich ist. Aus diesem Grunde ist ein nicht zu vernachlässigender Anteil der Waferfläche nicht passiviert, so dass ein dazu proportionaler Anteil an der offenen Klemmspannung verloren geht. - Aufgrund der relativ großen Schichtdicke der Aluminium-Paste von ca. 40 μm und mehr nach dem Sinterprozess und dem Bimetalleffekt aufgrund verschiedener Ausdehnungskoeffizienten führt jede weitere Verringerung der Waferdicke unter bisher erreichte 180 μm zu einer nicht mehr tolerierbaren Waferverbiegung, dem sogenannten Bow.
- Da aber für eine weitere Kostensenkung bei der Herstellung von Solarzellen auf dem Weg zur Netzparität eine massive Einsparung von Silizium pro erzeugter Wattleistung unbedingt erforderlich ist, kann eine solche Beschränkung auf eine gegenwärtige Waferdicke nicht hingenommen werden.
- Darüber hinaus weist die Dickschichtmetallisierung auf der Rückseite nur einen unzureichenden Reflexionsfaktor für langwellige Anteile des Sonnenlichts auf, der bis zur Rückseite das Silizium durchdringt. Eine verbesserte Reflexion würde den Wirklungsgrad der Zelle erhöhen.
- Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Silizium-Solarzelle mit ganzflächiger, legierter Rückseitenmetallisierung anzugeben, welches die geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet, wobei es insbesondere darum geht, die Klemmspannung zu erhöhen, den Wirkungsgrad durch eine verbesserte rückseitige Reflexion des Sonnenlichts zu steigern und die Waferverbiegung auch bei einer geringeren Waferdicke in Grenzen zu halten.
- Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Lehre des Anspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
- Erfindungsgemäß wird bei dem vorgestellten Verfahren die Dünnschichttechnik mit der Dickschicht-, insbesondere Siebdrucktechnik kombiniert, so dass sich die gewünschte Effizienzerhöhung bei der Herstellung und dem Betrieb einer entsprechenden Solarzelle ergibt.
- Das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren kombiniert für eine Rückseitendotierung mit Aluminium in vorteilhafter Weise die verschiedenen Möglichkeiten der Aluminiumabscheidung auf der Halbleiteroberfläche. Die vorgestellte Prozessfolge führt zwar zu bekannten Zellstrukturen n+pp+ oder n+np+, weist aber gegenüber dem Bekannten mehrere Vorteile auf.
- So wird zunächst unter Nutzung eines physikalischen Abscheideverfahrens eine Dünnschicht in direkten Kontakt zur Rückseitenoberfläche des Wafers aufgebracht. Beim Aufschmelzen am eutektischen Punkt kann die gesamte Schichtmenge an Aluminium unmittelbar, d. h. unverzögert und unbehindert, zur Schmelzenbildung verbraucht werden. Bei einem Kontakt zu einer Pastenschicht hingegen behindert die poröse Kornstruktur und die Glasfritte eine optimale Al-Si-Verschmelzung.
- Andererseits wird die erzeugte Dünnschicht durch die schon trockenen Aluminium- und Silber-Dickschichtpasten vollständig abgedeckt, so dass beim Aufschmelzen an keiner Stelle die Schmelze offenliegt, dort verlaufen, verspritzen oder oxidieren kann.
- Da die Aluminium-Dotierung auch unter den Silber-basierten Busbars vorliegt, ergibt sich eine deutliche Erhöhung der offenen Klemmspannung.
- Die Aluminium-Dickschichtpaste kann aufgrund der Wirkung der Dünnschicht als Dotand und als leitfähige Zwischenschicht mit geringerer Dicke aufgebracht werden. Hierdurch ist die Waferverbiegung nach dem Sinterschritt erheblich geringer.
- Die hochdotierte Aluminium-Silizium-Eutektikumsschicht, die sich zwischen der p+-Dotierschicht und der Al-Dickschicht ausbildet, stellt einen deutlich besseren Reflektor bezüglich infraroter Strahlung dar, als es eine poröse Aluminium-Schicht allein ist. Dies führt zu einem verbesserten Stromertrag je Flächenabschnitt der Zellen.
- Insgesamt ergibt sich also der angestrebte Vorteil, dass einerseits der Wirkungsgrad der Zellen steigt und dass andererseits aufgrund geringerer mechanischer Spannungen zwischen dem Wafer und der Metallschicht die Waferdicke deutlich reduziert werden kann mit der Folge reduzierter Kosten bei der Zellenherstellung.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Silizium-Solarzelle mit ganzflächiger, legierter Rückseitenmetallisierung gestaltet sich wie folgt.
- Zunächst erfolgt nach der Grunddotierung und dem Abscheiden einer Vorderseiten-Antireflexionsschicht das Ausbilden einer rückseitigen Aluminium-Dünnschicht, welche einen vorgegebenen seitlichen Abstand vom Waferrand einhält.
- Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Vorderseite der Solarzelle diejenige ist, die im Betrieb der Zelle solarer Strahlung ausgesetzt ist. Demgemäß liegt die Rückseite der Zelle der Vorderseite gegenüber.
- In einem weiteren Schritt erfolgt ein Aufbringen und Trocknen der Vorder- und Rückseiten-Busbars in an sich bekannter Weise.
- Im Anschluss daran wird ein Bedrucken der Rückseite des Wafers mit einer Aluminium-enthaltenden Dickschichtpaste vorgenommen, wobei die Aluminium-Dünnschicht bei diesem Beschichtungsschritt auch randseitig überdeckt und die Rückseiten-Busbars leicht überlappt werden. Die Dickschichtpaste weist im Ergebnis des Beschichtungsschritts eine deutlich geringere mittlere Dicke im Vergleich zum bekannten Stand der Technik auf.
- Letztendlich erfolgt ein Sintern der Dickschichten in einem gemeinsamen Temperaturbehandlungsschritt.
- Ausgestaltend liegt der oben genannte Randabstand der Aluminium-Dünnschicht im Bereich von ca. 1,0 bis 2,0 mm, bevorzugt bei 1,5 mm.
- Die Aluminium-Dünnschicht kann durch Sputtern oder Aufdampfen, d. h. durch einen physikalischen Abscheideschritt ausgebildet werden.
- In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst die Silber-Busbar-Vorderseitenstruktur und nach deren Trocknung die Silber-Busbar-Rückseitenstruktur realisiert.
- Die Schichtdicke der Aluminium enthaltenden Dickschichtpaste wird mit der Maßgabe reduziert, wie die Aluminium-Dünnschicht einen Teil zur Legierungsbildung im Sinterschritt und zum Gewährleisten einer ausreichenden Querleitfähigkeit beiträgt, wobei das diesbezügliche Finden eines Optimums im Rahmen des fachgemäßen Handelns liegt.
- Der Sinterschritt erfolgt mit Temperaturen von größer 800°C, wobei die Aluminium-haltige Dickschicht und die Silber-haltige Dickschicht mit der Aluminium-Dünnschicht verschmelzen und letztere mit dem darunter befindlichen Silizium eine eutektische Verbindung eingeht.
- Nach Abkühlung unter die jeweilige Eutektikumstemperatur wird durch Rekristallisation eine Aluminium-dotierte Schicht auf der gesamten Waferrückseite, einschließlich der Flächen unter den Rückseiten-Busbars erzeugt.
- Bei einer Ausgestaltung ist das Wafermaterial p-dotiert, wobei die Aluminium-dotierte Rückseitenschicht ein Back-Surface-Field zur gezielten Bandverbiegung erzeugt.
- Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Wafer-Basismaterial n-dotiert, wobei die Aluminium-dotierte Rückseitenschicht einen Emitter bildet.
- Die Erfindung soll nachstehend anhand von Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
- Hierbei zeigen:
-
1 eine Rückseitenstruktur sowie einen Querschnitt einer Drei-Busbar-Standardzelle des Standes der Technik; -
2a bis e Abbildungen, die die erfindungsgemäße Verfahrensabfolge erläutern, und -
3 eine erfindungsgemäße Rückseitenstruktur sowie einen Querschnitt dieser nach dem Sinterschritt, jedoch vor der sich dann anschließenden Kantenisolierung. - Für dieselben technischen Merkmale und Ausgestaltungen werden in der folgenden Figurenbeschreibung identische Bezugszeichen verwendet.
- Bei den figürlichen Darstellungen und der folgenden Erläuterung erfolgt eine Beschränkung auf den Fall des p-Wafers mit rückseitigem Aluminium-BSF-Bereich.
- Der Fall eines grundsätzlich möglichen n-Materials mit rückseitigem Aluminium-Emitter ist hierzu analog betrachtbar.
- Zur Vereinfachung ist die Textur der Oberflächen und die eintretende Waferverbiegung aufgrund des eingangs erläuterten Bimetalleffekts zeichnerisch nicht dargestellt.
- Die
2 zeigt vereinfacht das Ergebnis der jeweiligen Prozessschritte, in deren Ergebnis die erfindungsgemäße Zelle realisierbar ist. - Gemäß
2a liegt im Ausgangszustand der Zelle ein p-Siliziumwafer1 , bereits mit Textur versehen, vor, wobei der Wafer beidseitig eine eindiffundierte n+-Schicht besitzt. Diese in der Regel mit Phosphor dotierte Schicht bildet auf der Vorderseite den Emitter2 . Weiterhin ist eine Antireflexionsschicht3 vorhanden. - Bei dem ersten erfindungsgemäßen Prozessschritt nach
2b erfolgt eine vollflächige Abscheidung einer Aluminium-Dünnschicht bzw. einer Aluminiumhaltigen Dünnschicht10a auf der Rückseite des Wafers, z. B. durch Aufdampfen oder Sputtern, und zwar hin bis zu einem minimalen Abstand von der Waferkante von z. B. 1,5 mm. - Die Schichtdicke wird hierbei hinsichtlich der beim Sintern erreichten BSF-Tiefe, d. h. der Passivierwirkung, und der angestrebten niederohmigen Querleitung (Füllfaktor) optimiert. Diese Schichtdicke kann im Bereich zwischen 1 μm und 10 μm liegen.
- Im Prozessschritt gemäß
2c erfolgt ein standardgemäßer Druck und eine Trocknung der vorderseitigen Busbars4 , wobei als Paste Silberpaste Verwendung findet. - Im Prozessschritt gemäß
2d erfolgt ein ebenso standardgemäßer Druck und eine Trocknung der rückseitigen Silberpaste oder einer Silber-Aluminium-Paste zur Bildung der Rückseiten-Busbars5 . - Im ebenfalls erfindungsgemäßen Prozessschritt nach
2e wird eine rückseitige Aluminium-Fläche6 im Dickschichtverfahren, insbesondere im Siebdruck aufgebracht. Dieser Druck erfolgt mit einer Überlappung7 bezüglich der Silber-basierten Busbars5 . Gedruckt wird mit einer deutlich reduzierten Pastendicke, weil die Aluminium-Dünnschicht (PVD-Schicht) bereits einen großen Teil des benötigten Aluminiums zur Verfügung stellt, das für die Bildung der dotierten BSF-Schicht erforderlich ist. Die Pastendicke wird also im Zusammenhang mit der Aluminium-Dünnschicht des Prozessschritts1 hinsichtlich der Füllfaktoranforderungen optimiert. Nach dem Druck erfolgt eine Trocknung der aufgebrachten Aluminium-Dickschicht. - In einem weiteren, figürlich nicht dargestellten Prozessschritt wird ein standardgemäßes gemeinsames Sintern aller drei Siebdruckpasten, typischerweise bei Temperaturen oberhalb von 800°C vorgenommen.
- Dabei bilden beim Aufheizen die PVD-Schicht und die Silberpaste bei ca. 566°C eine eutektische Ag-Al-Legierung, bevor im Anschluss darin bei ca. 577°C die PVD-Schicht und das Silizium eine flüssige eutektische Aluminium-Silizium-Phase eingehen.
- Die Dicke der flüssigen Schichten richtet sich nach der jeweils herrschenden Temperatur und den gemäß dem Al-Ag-Phasendiagramm bzw. dem Al-Si-Phasendiagramm benötigten bzw. den davon lokal jeweils zur Verfügung stehenden Mengen von Aluminium und Silber bzw. Silizium. Im Bereich
8 (siehe3 ) unter den Silber-basierten Busbars kann es durch Vereinigung der beiden Schmelzen auch zu einer ternären eutektischen AlAgSi-Phase kommen. - Nach einem kurzen Temperaturpeak oberhalb von 800°C rekristallisieren beim Abkühlen unter die beiden eutektischen Temperaturen die Al-dotierten Kristallschichten von innen nach außen (siehe Dotierschicht
9a und9b gemäß3 ), bevor die eutektischen Schmelzen in Form der Randphasen des Phasendiagramms zur AlSi-Schicht10b (3 ) endgültig erstarren. - Ein wesentlicher Unterschied zur standardgemäßen Herstellung einer Solarzelle mit Aluminium-basierter p+-Rückseite ist demnach der Prozessschritt, der das Aufbringen der Aluminium- oder Aluminium-haltigen Dünnschicht
10a mit einer PVD-Methode umfasst. Dabei ist wesentlich, dass der Randabstand der PVD-Schicht10a etwas größer ist, als der der Siebdruck-Aluminium-Schicht6 , damit die PVD-Schicht vollständig abgedeckt wird und an keiner Stelle des Wafers offenliegt. - In den Bereichen
8 wird diese Schicht von der Silber-basierten Busbar-Paste abgedeckt. In allen übrigen Flächenbereichen liegt die Aluminium-Paste auf der gesputterten Aluminium-Dünnschicht. Dadurch kann letztendlich die Dicke der Aluminium-Dickschichtpaste reduziert und die Waferverbiegung verringert werden.
Claims (9)
- Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Silizium-Solarzelle mit ganzflächiger, legierter Rückseitenmetallisierung mit folgenden Schritten: – nach der Grunddotierung und dem Abscheiden einer Vorderseiten-Antireflexionsschicht erfolgendes Ausbilden einer rückseitigen Aluminium-Dünnschicht, welche einen vorgegebenen Abstand vom Waferrand einhält; – Aufbringen und Trocknen der Vorder- und Rückseiten-Busbars, – Bedrucken der Rückseite des Wafers mit einer Aluminium-enthaltenden Dickschichtpaste, wobei die Aluminium-Dünnschicht auch randseitig überdeckt und die Rückseiten-Busbars leicht überlappt werden sowie die Dickschichtpaste im Ergebnis des Beschichtungsschritts eine deutlich geringere mittlere Dicke aufweist; – Sintern der Dickschichten in einem gemeinsamen Temperaturbehandlungsschritt.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Randabstand der Aluminium-Dünnschicht im Bereich von ca. 1,0 bis 2,0 mm, bevorzugt bei ca. 1,5 mm liegt.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Dünnschicht durch Sputtern oder Aufdampfen ausgebildet wird.
- Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Silber-Busbar-Vorderseitenstruktur erzeugt und nach deren Trocknung die Silber-Busbar-Rückseitenstruktur realisiert wird.
- Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Aluminium-enthaltenden Dickschichtpaste mit der Maßgabe reduziert wird, wie die Aluminium-Dünnschicht einen Teil zur Legierungsbildung im Sinterschritt und zum Gewährleisten einer ausreichenden Querleitfähigkeit beiträgt.
- Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterschritt bei Temperaturen > 800°C erfolgt, wobei die Aluminium-haltige Dickschicht und die Silber-haltige Dickschicht mit der Aluminium-Dünnschicht verschmelzen und letztere mit dem darunter befindlichen Silizium eine eutektische Verbindung eingeht.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abkühlung unter die jeweiligen Eutektikumstemperaturen durch Rekristallisation eine Aluminium-dotierte Schicht auf der gesamten Waferrückseite, einschließlich der Flächen unter den Rückseiten-Busbars erzeugt wird.
- Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wafer-Basismaterial p-dotiert ist, wobei die Aluminium-dotierte Rückseitenschicht ein Back Surface Field (BSF) zur gezielten Bandverbiegung hervorruft.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wafer-Basismaterial p-dotiert ist, wobei die Aluminium-dotierte Rückseitenschicht einen Emitter bildet.
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