DE102009044323A1

DE102009044323A1 - Herstellungsverfahren einer strukturierten Materialschicht, Verwendung des Herstellungsverfahrens bei der Solarzellenherstellung sowie Solarzelle

Info

Publication number: DE102009044323A1
Application number: DE102009044323A
Authority: DE
Inventors: Markus Hlusiak; Reik Jesswein; Maximilian Scherff
Original assignee: Q Cells SE
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2010-10-28
Anticipated expiration: 2029-10-24
Also published as: DE102009044323B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer strukturierten Materialschicht (2) einer Solarzelle, insbesondere einer rückseitenkontaktierten Solarzelle, eine Verwendung des Herstellungsverfahrens und eine Solarzelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer Opferstruktur (4) auf einer Solarzellensubstratoberfläche (60); Aufbringen einer Materialschicht (2) auf die Solarzellensubstratoberfläche (60) derart, dass die Opferstruktur (4) im Wesentlichen bedeckt wird; und zumindest teilweises Entfernen der Opferstruktur (4) derart, dass die Materialschicht (2) strukturiert zurückbleibt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Opferstruktur (4) zumindest teilweise mechanisch entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft strukturierte Materialschichten auf Solarzellen und ihre Herstellung.
Eine derartige Materialschicht kann beispielsweise aus Metall oder einem anderen leitfähigen Material gebildet und zu Kontakten für die Solarzelle strukturiert sein. Alternativ können sich die nachfolgenden Erläuterungen jedoch auch auf andere Materialschichten der Solarzelle beziehen, welche strukturiert auf einer Oberfläche eines Solarzellensubstrates aufgebracht sein müssen, beispielsweise auf Halbleiter- oder Isolierschichten.
Eine bekannte Möglichkeit, strukturierte Materialschichten zu erzeugen, besteht im strukturierten Aufbringen von Materialschichten beispielsweise mittels Siebdruckverfahren. Hierbei wird eine mittels eines Siebes strukturierte Metallpaste auf die Solarzellensubstratoberfläche aufgebracht und anschließend einem Sinterprozess unterzogen. Neben der Tatsache, dass für den Sinterprozess hohe Temperaturen notwendig sind, hat dieses Verfahren den Nachteil, dass die Metallpaste im Gegensatz zu einem entsprechenden Reinmetall wesentlich teurer ist. Zudem weist die auf diese Weise erzeugte Metallschicht eine geringere elektrische Leitfähigkeit auf, als bei Verwendung anderer Abscheideverfahren.
Alternativ hierzu sind Verfahren bekannt, bei denen die Materialschicht ganzflächig auf der Solarzellensubstratoberfläche aufgebracht und anschließend in einem Strukturierungsprozess strukturiert wird. Dieser Strukturierungsprozess umfasst in der Regel das Aufbringen einer strukturierten Maske auf der Materialschicht und ein anschließendes nasschemisches Verfahren zum Entfernen von nicht mittels der strukturierten Maske geschützten Bereichen der Materialschicht.
Der Strukturierungsprozess kann jedoch auch ein unter Lift-Off-Verfahren bekanntes Verfahren umfassen, bei dem auf der Solarzellensubstratoberfläche zunächst eine dicke strukturierte Lackschicht mit steilen Flanken erzeugt wird. Hierauf wird mit einem gerichteten Verfahren, beispielsweise mittels Aufdampfen, eine Metallschicht abgeschieden, welche die steilen Flanken nur schlecht bedeckt. In einer anschließenden Lackätze wird das oberhalb der Lackschicht liegende Metall untergraben und löst sich vom Substrat, so dass eine strukturierte Metallschicht zurückbleibt. Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahren besteht in der Notwendigkeit nasschemischer Verfahrensschritte, was zu einer Aufwands- und Kostensteigerung führt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Solarzelle mit strukturierter Materialschicht und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustellen, wobei Herstellungsaufwand und -kosten vermindert sind.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1, durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 sowie durch eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Wie einleitend im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert, kann auch das hier beschriebene Herstellungsverfahren zur Erzeugung strukturierter Materialschichten aus unterschiedlichen Materialien auf einer Solarzellensubstratoberfläche verwendet werden, insbesondere von Kontaktschichten aus Metall oder einem anderen elektrisch leitenden Material. Als Solarzellensubstratoberfläche ist hierbei diejenige Oberfläche zu verstehen, auf welche die Materialschicht erzeugt werden soll. Bei einer Wafersolarzelle ist das Solarzellensubstrat beispielsweise der Wafer, in dem sich zum Beispiel schon ein p-n-Übergang befinden kann.
Bei Dünnschichtsolarzellen, bei deren Herstellung dieses Herstellungsverfahren insbesondere verwendbar ist, ist das Solarzellensubstrat demgegenüber beispielsweise eine Glas-, Metall- oder Polymerscheibe, auf der sich gegebenenfalls bereits eine oder mehrere Dünnschichten befinden. Gegenüber Wafersolarzellen, bei denen unterschiedliche Halbleiterbereiche in einem Halbleiterkristall mittels Dotierung definiert werden, werden Dünnschichtsolarzellen mittels Abscheidung unterschiedlich dotierter Schichten und/oder von Schichten unterschiedlicher Kristallstruktur (zur Bildung von Heteroübergängen) hergestellt, wobei auch gegebenenfalls nachträgliche Dotierungen möglich sind.
Die Opferstruktur wird auf der Oberfläche des Solarzellensubstrates derart erzeugt, dass sie jene Bereiche der Oberfläche bedeckt, welche letztendlich (also nach dem Strukturieren) von der Materialschicht im Wesentlichen frei sein sollen. Anschließend wird über die Anordnung eine Materialschicht aufgebracht. Diese Materialschicht bedeckt sowohl Oberflächenbereiche des Solarzellensubstrats, welche frei liegen und nicht durch die Opferstruktur bedeckt sind, als auch zumindest Teile der Opferstruktur. Vorzugsweise wird die gesamte Solarzellensubstratoberfläche inklusive der sich hierauf befindenden Opferstruktur durch die Materialschicht bedeckt.
Anschließend wird die Opferstruktur zumindest teilweise entfernt. In diesem Zusammenhang bedeutet „teilweise”, dass ein Abschnitt der Opferstruktur benachbart der Materialschicht entfernt wird. Hierdurch wird erreicht, dass der sich auf diesem Opferstrukturabschnitt befindende Bereich der Materialschicht zusammen mit dem Opferstrukturabschnitt entfernt wird und die Materialschicht somit entsprechend strukturiert zurückbleibt. Das zumindest teilweise Entfernen der Opferstruktur erfolgt hierbei auf mechanischem Wege und somit ohne chemische Ablösung oder chemische oder physikalische Zersetzung der Opferstruktur, beispielsweise mittels Lösungsmitteln oder Laserablation. Auf diese Wiese entfällt die Notwendigkeit der Verwendung von Lösungsmitteln, was zu einer kostengünstigeren Herstellung führt. Darüber hinaus wird der Herstellungsprozess vereinfacht und eine bessere Prozesskontrolle erzielt, weil eine geringere Anzahl an Prozessparametern zu regeln sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Opferstruktur mittels eines spanenden Verfahrens abgetragen wird. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Opferstruktur mittels eines mechanischen Hilfsmittels stückweise entfernt wird. Hierunter fallen beispielsweise Verarbeitungsverfahren wie Schneiden, Sägen, Hobeln, Fräsen, Schleifen und dergleichen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Opferstruktur mittels an einem Abrissabschnitt der Opferstruktur angreifender Zugkraft abgerissen wird. Der Abrissabschnitt stellt somit einen Angriffspunkt beziehungsweise einen Greifpunkt für ein Abziehen der Opferstruktur von der Solarzellensubstratoberfläche dar. Im Gegensatz zu dem spanenden Verfahren wird hierbei also die Opferstruktur in einem Stück oder in mehreren Stücken abschnittsweise entfernt. Bei dem Abrissabschnitt kann es sich beispielsweise um einen hervorstehenden Abschnitt der Opferstruktur handeln, der nicht durch die Materialschicht bedeckt ist und gegebenenfalls über einen Rand des Solarzellensubstrates hinausragt.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwischen der Opferstruktur und der Solarzellensubstratoberfläche ein Haftmittel oder Klebemittel angeordnet wird. Diese Ausführungsform ist von besonderer Bedeutung bei der Entfernung der Opferstruktur mittels Abreißens. Hier soll das Haftmittel ein Verrutschen der Opferstruktur verhindern. Die Hafteigenschaften des Haftmittels sollten in diesem Fall entsprechend eingestellt sein, um ein Entfernen der Opferstruktur bei Aufwendung einer angemessenen beziehungsweise gewünschten Zugkraft zu erlauben. Aber auch bei der Anwendung spanender Verfahren kann die Verwendung eines Haftvermittlers sinnvoll sein, um die Opferstruktur an der Solarzellensubstratoberfläche zu halten.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Opferstruktur als eine strukturierte Opferschicht aufgebracht wird. Die Opferschicht kann hierbei entweder strukturiert aufgebracht werden, beispielsweise mittels Siebdruck oder Inkjetdruck-Verfahren, oder sie kann (ganz-)flächig aufgetragen und anschließend mittels geeigneter Verfahren strukturiert werden. Die Opferschicht, wie auch jede andere Form der Opferstruktur, kann aus vernetzten Polymeren oder auf Acryl- oder Silikonbasis gebildet sein. Eine Vernetzung oder Aufspaltung des Polymers in einer Opferschicht oder Opferstruktur kann mit Hilfe einer Schreibvorrichtung (zum Beispiel eines Laserstrahls) nach dem Aufbringen der Opferschicht auf der Substratoberfläche erfolgen.
Das Material der Opferschicht sollte jedenfalls so gewählt sein, dass es nachfolgende Verfahrensschritte ohne Beschädigung oder Degradation aushalten kann. Beispielsweise sollte er genügend temperaturstabil (vorzugsweise bis mindestens etwa 300°C) und/oder vakuumstabil sein, um einen nachfolgenden Metallisierungsprozess zu überstehen. Hierzu können beispielweise UV-härtende Lacke geeignet sein, welche anschließendes Sputtern oder Aufdampfen einer Metallschicht unbeschädigt überstehen können.
Wenn vorgesehen ist, die Opferschicht, beispielsweise eine aufgetragene Lackschicht, abzureißen, sollte sie eine entsprechende Zähigkeit aufweisen, um während des Abziehens von der Solarzellensubstratoberfläche nicht auseinander gerissen zu werden.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Opferstruktur als eine flächendeckende Opferschicht aufgebracht wird, welche anschließend strukturiert wird. Das Aufbringen der Opferschicht kann mittels Aufschleudern erfolgen. Die anschließende Strukturierung kann beispielsweise mittels Photolithographie vorgenommen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Opferstruktur ein fadenförmiges Element umfasst, welches an der Solarzellensubstratoberfläche befestigt wird. Ein derartiges fadenförmiges Element kann zur Verstärkung der Opferstruktur auf die oder unterhalb der vorangehend beschriebenen Opferschicht angeordnet sein. Das fadenförmige Element kann beispielsweise aus einer Schnur oder einem Draht aus einem geeigneten Material, beispielsweise Metall, gebildet sein. Vorzugsweise ist das Material reißfest und elastisch.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Opferstruktur mehrere fadenförmige Elemente umfasst, welche miteinander verbunden sind und an der Solarzellensubstratoberfläche befestigt werden. Auf diese Weise können mehrere Eigenschaften der Opferstruktur durch Auswahl mehrerer geeigneter Elemente, gegebenenfalls aus unterschiedlichem Material, optimiert werden. Beispielsweise kann ein elastisches fadenförmiges Element mit einem weiteren fadenförmigen Element mit hoher Temperaturstabilität kombiniert werden, um das elastische Element vor hohen Temperaturen zu schützen.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass als fadenförmiges Element ein Faden aus Textil- oder Kunststoff oder ein metallischer Draht verwendet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Opferstruktur aus einem einzelnen fadenförmigen Element besteht, welches an der Solarzellensubstratoberfläche befestigt wird. Mit anderen Worten, die gesamte Opferstruktur ist aus einem einzelnen fadenförmigen Element gebildet, welches gegebenenfalls streckenweise sich selbst überlagert. Eine derartige Opferstruktur kann bei entsprechender Materialauswahl in einem Stück abgerissen werden. An den Überlagerungspunkten können sich überlagernde Elementabschnitte miteinander verbunden oder verschmolzen sein.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Opferstruktur beim mechanischen Entfernen entlang einer im Wesentlichen parallel zur Solarzellensubstrat oberfläche verlaufenden Sollbruchstelle auseinander bricht. Die Sollbruchstelle kann beispielsweise als Abschnitt aus einem porösen Material gebildet sein.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Opferstruktur mit einer Mindestdicke senkrecht zur Solarzellensubstratoberfläche von etwa 100 μm, vorzugsweise von etwa 200 μm erzeugt wird. Es können auch dünnere Opferstrukturen verwendet werden. Dickere Opferstrukturen haben jedoch den Vorteil einer gesteigerten Reißfestigkeit. Auch bei dickeren Opferstrukturen sollte jedoch eine ausreichende Flankensteilheit vorliegen. Hierzu können bei der Bildung einer Opferschicht mehrere Auftragungsschritte erforderlich sein, beispielsweise ein mehrmaliges Aufdrucken mittels Inkjet-Verfahren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Opferstruktur aus mehreren beabstandeten und im Wesentlichen parallel verlaufenden Strängen gebildet wird. Die Stränge können mittels Halteleisten an ihren Enden aufgespannt sein, beispielsweise indem ihre Enden in Klemmleisten geklemmt oder auf Rollleisten aufgerollt werden. Die Stränge können alternativ oder zusätzlich als Endlosstränge ausgelegt sein, die gegebenenfalls über Rollen geführt entlang einer Abscheidevorrichtung zum Abscheiden der Materialschicht aufgespannt werden.
Nach dem Abscheiden der Materialschicht und dem Lösen der Stränge von der Solarzellensubstratoberfläche bleiben in der Materialschicht auf der Solarzellensubstratoberfläche grabenförmige Ausnehmungen zurück, welche einzelne Materialschichtabschnitte elektrisch voneinander trennen. Die Stränge können anschließend auf einer weiteren Solarzellensubstratoberfläche platziert werden. Gegebenenfalls auf ihnen zurückbleibende Materialreste können entweder nach jeder Materialschichtabscheidung oder erst nach einer bestimmten Anzahl von Materialschichtabscheidungen mittels Reinigung der Stränge entfernt werden. Alternativ können die Stränge entsorgt und neue Stränge oder, wenn Endlosstränge verwendet werden, unverbrauchte Strangabschnitte verwendet werden.
Wie aus dem vorangehenden Abschnitt deutlich wird, ist die Opferstruktur durchaus wiederverwendbar und nicht in jedem Fall nach dem Entfernen von der Solarzellensubstratoberfläche unbrauchbar. Dies kann für alle hierin beschriebenen Ausführungsformen der Opferstruktur gelten, solange die Opferstruktur nicht aufgrund des verwendeten Verfahrens zum Entfernen zerstört wird, wie beispielsweise bei Anwendung eines spanenden Verfahrens.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Stränge gespannt werden. Das Spannen der Stränge vor, während oder nach ihrem Anordnen auf der Solarzellensubstratoberfläche hat den Vorteil, dass die Stränge keine Wellen aufweisen und somit während der Materialabscheidung entlang ihrer Gesamtlänge auf der Solarzellensubstratoberfläche aufliegen können. Eine hinreichende Vorspannung der Stränge verhindert zudem ein mögliches Ablösen der Stränge von der Solarzellensubstratoberfläche aufgrund thermischer Ausdehnung während der Materialabscheidung.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Stränge auf der Solarzellensubstratoberfläche eines Solarzellensubstrates angeordnet werden, indem das Solarzellensubstrat mittels eines Stempels gegen die Stränge gedrückt wird. Die Stränge können zudem durch das Andrücken des Solarzellensubstrates gestreckt und/oder gespannt werden. Der Stempel kann flächig, punktförmig oder rahmenförmig rückseitig gegen das Solarzellensubstrat drücken. Vorteilhafterweise ist der Stempel zudem durch geeignete Wahl seiner Größe und seines Materials als Wärmesenke ausgelegt.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass eine gegen das Solarzellensubstrat drückende Andrückoberfläche des Stempels konvex gewölbt ist. Aufgrund der geringen Dicke des Solarzellensubstrates schmiegt sich das Solarzellensubstrat an die Andrückoberfläche des Stempels an und übernimmt seine Wölbung. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Stränge gleichmäßig an die Solarzellensubstratoberfläche gedrückt werden. Vorteilhafterweise ist die Andrückoberfläche des Stempels zylindermantelförmig gewölbt. Die zylindermantelförmige Wölbung kann einen Krümmungsradius von etwa 0,1 bis 10 Metern aufweisen. Gute Ergebnisse werden insbesondere mit einem Krümmungsradius von etwa 3 Metern erreicht.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Stempel gegen eine Stempelanschlagsfläche eines Halterahmens gedrückt wird, auf dem das Solarzellensubstrat angeordnet ist. Die Stempelanschlagsfläche kann als umlaufender Rand eine im Halterahmen gebildete Rahmenöffnung umgeben, in welche das Solarzellensubstrat angeordnet und gehalten wird.
Um ein Verrutschen des Stempels, des Halterahmens, des Solarzellensubstrates und/oder der Stränge zu vermeiden, kann der Stempel während der Materialabscheidung am Halteramen befestigt sein. Dies kann mittels Festklemmen des Stempels am Halterahmen erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Stränge aus Textilstoff, aus Kunststoff oder aus metallischem Draht gebildet werden. Vorteilhafterweise sind die Stränge zudem aus einem elastischen Material gebildet, um ein Anschmiegen an die Solarzellensubstratoberfläche zu erlauben.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Stränge jeweils eine Auflagefläche ausweisen, die schmaler ist, als eine Projektion eines Stranges auf die Solarzellensubstratoberfläche. Insbesondere ist bevorzugt, dass die Stränge jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Gegenüber Strängen mit drei- oder viereckigen Querschnitten haben kreisförmige beziehungsweise runde Querschnitte den Vorteil, dass bei geeignet gewählten Abscheideparametern die Materialschicht, die sich auf dem Substratmaterial und dem Strang abscheidet, nicht durchgängig sondern unterbrochen ist und sich dadurch der Strang leichter nach der Abscheidung ablösen lässt. Dies kann immer dann der Fall sein, wenn die Auflagefläche eines Stranges kleiner ist, als seine Projektion auf die Solarzellensubstratoberfläche, die ihrer maximalen Breite entspricht. Beispielsweise auf bei Strängen mit kreisförmigen Querschnitten, die an der Auflagefläche abgeflacht sind.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Stränge jeweils eine ebene Auflagefläche ausweisen. Gegenüber möglicherweise kostengünstigeren kreisförmigen Querschnitten haben Stränge mit einer ebenen Auflagefläche den Vorteil, dass eine optimale Abschattung der Solarzellensubstratoberfläche erfolgt und die Materialschicht die Stränge nicht unterwandern kann.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Stränge beschichtet sind. Durch Auswahl geeigneter Beschichtungsmaterialien, beispielsweise Aluminium, kann die Benetzung der Stränge durch die Materialschicht beeinflusst werden. Mittels geeigneter Auswahl unterschiedlicher Materialien für Strang und Beschichtung lassen sich die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften einer derartigen Kombination für den jeweiligen Anwendungsfall optimieren. Beispielsweise können die Stränge aus einem metallischen Material gebildet und anschließend mit einem anderen metallischen Material beschichtet sein.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die Materialschicht als elektrisch leitfähige Kontaktschicht ganzflächig auf der Solarzellensubstratoberfläche aufgebracht wird. Dies kann beispielsweise mittels Sputtern, Aufdampfen oder anderen geeigneten Depositionsverfahren erfolgen, gegebenenfalls mit einem nachfolgenden Galvanisierungsschritt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein verbleibender Rest der Opferstruktur nach dem mechanischen Entfernen eines Opferstrukturabschnittes abgetragen wird, beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens. Mit anderen Worten, nachdem das Entfernen des Opferstrukturabschnittes zu der Strukturierung der darüber liegenden Materialschicht geführt hat, wird der verbleibende Rest der Opferschicht ebenfalls entfernt.
Alternativ hierzu kann der verbleibende Rest der Opferschicht auf der Solarzellensubstratoberfläche belassen werden. Zum Einen hat dies den Vorteil, dass ein Prozessschritt eingespart und somit das Herstellungsverfahren vereinfacht wird. Darüber hinaus kann der verbleibende Rest der Opferschicht dazu dienen, die hierunter liegende Solarzellensubstratoberfläche vor Umwelteinflüssen zu schützen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
1a) bis 1f) Zwischenprodukte bei der Herstellung einer strukturierten Materialschicht gemäß einer Ausführungsform;
2a) bis 2d) Zwischenprodukte bei der Herstellung einer strukturierten Materialschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3a) und 3b) Einen Halterahmen mit hierin angeordneten strangförmigen Opferstrukturen in schematischer Draufsicht und Querschnittsansicht; und
4a) und 4b) Den Vorgang des Andrückens eines Solarzellensubstrates gegen eine aus Strängen gebildete Opferstruktur mittels eines Stempels.
Die 1a) bis 1f) veranschaulichen die Herstellung einer strukturierten Materialschicht 2 auf einer Oberfläche 60 eines Solarzellensubstrates 6 mit Hilfe einer Opferstruktur 4, welche aus einem fadenförmigen Element gebildet ist. Während die 1a), 1c) und 1e) die sich bei der Herstellung ergebenden Zwischenstadien in perspektivischer Ansicht darstellen, zeigen die 1b), 1d) und 1f) jeweils die zugehörigen Querschnittsansichten.
Gemäß den 1a) und 1b) wird zunächst die Opferstruktur 4 auf der Solarzellensubstratoberfläche 60 angeordnet, wobei zwischen der Opferstruktur 4 und der Solarzellensubstratoberfläche 60 ein Haftmittel 5 vorgesehen ist, um ein Verrutschen der Opferstruktur 4 während nachfolgender Prozessschritte zu vermeiden. Das hier dargestellte fadenförmige Element, welches die Opferstruktur 4 bildet, ist mit einem kreisförmigen Querschnitt dargestellt.
Sein Querschnitt kann jedoch jede andere geeignete Form annehmen. Zudem kann die Opferstruktur 4 röhrenförmig oder schlauchförmig ausgebildet sein. In einer einfachen Ausführungsform handelt es sich bei der Opferstruktur 4 um einen gegebenenfalls beschichteten metallischen Draht, welcher mittels eines Haftmittels 5 entlang eines Pfades auf der Solarzellensubstratoberfläche 60 angeklebt wird, der später einer Trennlinie zwischen isolierten Teilen einer strukturierten Materialschicht 2 entspricht.
Wie in den 1c) und 1d) dargestellt, wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die Solarzellensubstratoberfläche 60 mit der hieran haftenden Opferstruktur 4 flächig mit der Materialschicht 2 bedeckt. Anschließend wird die Opferstruktur 4 von der Solarzellensubstratoberfläche 60 abgerissen, wobei vorteilhafterweise auch das Haftmittel 5 entfernt wird. Hierbei wird ein sich auf der Opferstruktur 4 befindender Teil der Materialschicht 2 ebenfalls entfernt, so dass an dieser Stelle die Solarzellensubstratoberfläche 60 freigelegt ist.
Die sich hierdurch ergebende Struktur ist in den 1e) und 1f) im Querschnitt dargestellt. In der Materialschicht 2 ist eine Ausnehmung oder Rille gebildet, welcher zwei Teilbereiche 21, 22 der Materialschicht 2 voneinander trennt. Wenn die Materialschicht 2 aus einem leitenden Material gebildet ist, beispielsweise aus Metall, dient die so gebildete Rille zur elektrischen Isolierung dieser beiden Teilbereiche 21, 22.
Demgegenüber veranschaulichen die 2a) bis 2d) ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Materialschicht 2. Das hier dargestellte Solarzellensubstrat 6 weist zwei Substratbereiche 61, 62 auf, bei denen es sich zum Beispiel um unterschiedlich dotierte Halbleiterbereiche handelt, beispielsweise in einem Halbleiterwafer. Die Opferstruktur 4 ist als eine Opferschicht ausgebildet und auf der Solarzellensubstratoberfläche 60 entlang einer Grenzfläche zwischen den Substratbereichen 61, 62 angeordnet.
In einem nächsten Schritt wird eine Materialschicht 2 aufgebracht, welche die Solarzellensubstratoberfläche 60 und die Opferstruktur 4 wie in der 2b) dargestellt bedeckt. Die Materialschicht 2 kann beispielsweise aus einem Kontaktmaterial zur Kontaktierung der beiden Substratbereiche 61, 62 gebildet sein.
Anschließend wird mittels eines Schneidewerkzeugs 8 ein Abschnitt 41 der Opferstruktur 4 mechanisch entfernt, siehe 2c). Hierbei soll das Schneidewerkzeug 8 jedes Werkzeug repräsentieren, welches zum spanenden Abtragen geeignet ist, beispielsweise eine Klinge, eine Fräse oder dergleichen. Mit dem Abtragen des Opferstrukturabschnittes 41 wird auch ein darüber liegender Abschnitt der Materialschicht 2 entfernt, so dass zwei voneinander isolierte Materialschichtbereiche 21, 22 entstehen, wie dies in der 2d) dargestellt ist.
Von der Opferstruktur 4 bleibt lediglich ein verbleibender Rest 42 zurück, welcher in der fertigen Solarzelle beibehalten werden kann, beispielsweise um die Solarzellensubstratoberfläche 60 vor Umwelteinflüssen zu schützen. Alternativ kann diese verbleibende Opferstrukturrest 42 in einem nachfolgenden Prozessschritt entfernt werden, beispielsweise auf nasschemische Weise.
In der 3a) ist in einer Draufsicht ein Halterahmen 9 mit sechs Rahmenöffnungen 91 dargestellt. Jede Rahmenöffnung 91 ist dazu geeignet, ein Solarzellensubstrat 6 aufzunehmen. Über den Halterahmen 9 sind eine Vielzahl zueinander parallel verlaufender Stränge 42 harfenförmig gespannt, welche an entgegengesetzten Enden mittels Halteleisten 46 gehalten werden und bei einem Materialabscheideverfahren als Opferstruktur 4 genutzt werden. Die 3b zeigt eine Querschnittsansicht der Anordnung aus der 3a entlang der Linie B-B. Hier wird deutlich, dass jeder Strang 45 in einem zugehörigen Stranglager 93 angeordnet ist, der als Ausnehmung in dem Halterahmen 9 gebildet ist. In alternativen Ausführungsformen können mehrere Stränge 45 zusammen in einem Stranglager 93 eingelegt sein, oder die Stranglager 93 können gänzlich fehlen.
Die vorzugsweise als Metalldrähte gebildeten Stränge 45 werden mittels der Halteleisten 46 beim Einsetzen in die Stranglager 93 vorgespannt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Abstand zwischen den beiden Halteleisten 46 bei gespannten Strängen 45 kleiner ist, als die zugehörige Länge (gemessen in entlang einer Längsrichtung der Stränge 45) des Halterahmens 9. Werden die Halteleisten 46 um den Halterahmen 9 so angelegt, dass der Halterahmen 9 zwischen den Halteleisten 46 eingeklemmt ist, so werden die von den Halteleisten 46 gehaltenen Stränge 45 in einem vorgespannten Zustand gehalten.
Wie in der 4b dargestellt, kann die aus den Strängen 45 gebildete Opferstruktur 4 auf der Solarzellensubstratoberfläche 60 angeordnet werden, indem das Solarzellensubstrat 6 über einem der Rahmenöffnungen 91 platziert auf den Strängen 45 aufgelegt wird. Ein Stempel 7 wird so angeordnet, dass er mit einer Stempeloberfläche 71 gegen das Solarzellensubstrat 6 drückt. Dieser Vorgang wird in der 4b veranschaulicht. Wie darin zu sehen, wird der Stempel 7 in Richtung des Halterahmens 9 gedrückt, so dass er auf eine Stempelanschlagsfläche 95 zu liegen kommt. Die Stempelanschlagsfläche 95 umgibt im vorliegenden Fall umlaufend die Rahmenöffnung 91.
Hierbei drückt die Stempeloberfläche 71 das Solarzellensubstrat 6 so gegen die Stränge 45, dass diese an Rändern der Rahmenöffnung 91 gebogen und über der Solarzellensubstratoberfläche 60 gespannt werden. Die Stempeloberfläche 71 des Stempels 7 weist eine leichte Wölbung auf. Da die Stränge 45 das Solarzellensubstrat 6 gegen die gewölbte Stempeloberfläche 71 drücken, nimmt das Solarzellensubstrat 6 die Biegung der gewölbten Stempeloberfläche 71 an. Dies führt dazu, dass die Stränge 45 optimal gegen die Solarzellensubstratoberfläche 60 zur Anlage kommen. Die Wölbung der Stempeloberfläche 71 ist vorzugsweise zylindermantelförmig mit einem Zylinderradius von etwa 3 Metern.
Bevor das Solarzellensubstrat 6 mit Hilfe des Stempels 7 gegen die Stränge 45 gedrückt wird, ist es vorteilhaft, einen Positionierungsschritt durchzuführen. Bei einem derartigen, in den Figuren nicht dargestellten Positionierungsschritt wird das Solarzellensubstrat 6 an dem Stempel 7 gehalten, beispielsweise mittels Vakuumsansaugung, während die Position und der Winkel des Solarzellensubstrats 6 relativ zu den Strängen 45 in der Rahmenöffnung 91 justiert wird. Dies kann mittels Rotations- und/oder Translationsbewegungen des Stempels 7 unter Beobachtung mittels einer Kamera erfolgen. Anschließend wird der Stempel 7 auf dem Halterahmen 9 festgeklemmt.
Nachdem die Opferstruktur 4 wie in der 4b dargestellt auf der Solarzellensubstratoberfläche 60 angeordnet ist, erfolgt die Materialabscheidung durch die Rahmenöffnung 91 hindurch, um auf der Solarzellensubstratoberfläche 60 eine Materialschicht zu erzeugen (in den 4a und 4b nicht dargestellt). Anschließend wird die Opferstruktur 4 von der Solarzellensubstratoberfläche 60 entfernt, indem der Stempel 7 abgenommen und das Solarzellensubstrat 6 von den Strängen 45 gelöst wird. Hiernach bleibt auf der Solarzellensubstratoberfläche 60 eine Materialschicht zurück, welche rillenförmige Ausnehmungen aufweist.

2: Materialschicht
21, 22: Materialschichtteilbereiche
4: Opferstruktur
41: Opferstrukturabschnitt
42: verbleibender Opferstrukturrest
45: Stränge
46: Halteleiste
5: Haftmittel
6: Solarzellensubstrat
60: Solarzellensubstratoberfläche
61, 62: Substratbereiche
7: Stempel
71: Stempeloberfläche
8: Schneidewerkzeug
9: Halterahmen
91: Rahmenöffnungen
93: Stranglager
95: Stempelanschlagsfläche

Claims

Herstellungsverfahren einer strukturierten Materialschicht (2) einer Solarzelle, insbesondere einer rückseitenkontaktierten Solarzelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Erzeugen einer Opferstruktur (4) auf einer Solarzellensubstratoberfläche (60); – Aufbringen einer Materialschicht (2) auf die Solarzellensubstratoberfläche (60) derart, dass die Opferstruktur (4) im Wesentlichen bedeckt wird; und – zumindest teilweises Entfernen der Opferstruktur (4) derart, dass die Materialschicht (2) strukturiert zurückbleibt, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise Entfernen der Opferstruktur (4) mechanisch erfolgt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstruktur (4) mittels eines spanenden Verfahrens abgetragen wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstruktur (4) mittels an einem Abrissabschnitt der Opferstruktur (4) angreifender Zugkraft abgerissen wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Opferstruktur (4) und der Solarzellensubstratoberfläche (61) ein Haftmittel (5) angeordnet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstruktur (4) als eine strukturierte Opferschicht aufgebracht wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstruktur (4) als eine flächendeckende Opferschicht aufgebracht wird, welche anschließend strukturiert wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstruktur (4) ein fadenförmiges Element umfasst, welches an der Solarzellensubstratoberfläche (60) befestigt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstruktur (4) mehrere fadenförmige Elemente umfasst, welche miteinander verbunden sind und an der Solarzellensubstratoberfläche (60) befestigt werden.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als fadenförmiges Element ein Faden aus Textil- oder Kunststoff oder ein metallischer Draht verwendet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstruktur (4) aus einem einzelnen fadenförmigen Element besteht, welches an der Solarzellensubstratoberfläche (60) befestigt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstruktur (4) beim mechanischen Entfernen entlang einer im Wesentlichen parallel zur Solarzellensubstratoberfläche (60) verlaufenden Sollbruchstelle auseinander bricht.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstruktur (4) mit einer Mindestdicke senkrecht zur Solarzellensubstratoberfläche (60) von etwa 100 μm, vorzugsweise von etwa 200 μm erzeugt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstruktur (4) aus mehreren beabstandeten und im Wesentlichen parallel verlaufenden Strängen (45) gebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (45) gespannt werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (45) auf der Solarzellensubstratoberfläche (60) eines Solarzellensubstrates (6) angeordnet werden, indem das Solarzellensubstrat (6) mittels eines Stempels (7) gegen die Stränge gedrückt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine gegen das Solarzellensubstrat (6) drückende Andrückoberfläche (71) des Stempels (7) konvex gewölbt ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (7) gegen eine Stempelanschlagsfläche (95) eines Halterahmens (9) gedrückt wird, auf dem das Solarzellensubstrat (6) angeordnet ist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (45) aus Textil- oder Kunststoff oder aus metallischem Draht gebildet werden.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (45) jeweils eine ebene Auflagefläche ausweisen.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (45) jeweils eine Auflagefläche ausweisen, die schmaler ist, als eine Projektion eines Stranges (45) auf die Solarzellensubstratoberfläche (60).
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (45) beschichtet sind.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (2) als elektrisch leitfähige Kontaktschicht ganzflächig auf der Solarzellensubstratoberfläche (60) aufgebracht wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein verbleibender Rest (42) der Opferstruktur (4) nach dem mechanischen Entfernen eines Opferstrukturabschnittes (41) abgetragen wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein verbleibender Rest (42) der Opferstruktur (4) nach dem mechanischen Entfernen eines Opferstrukturabschnittes (41) bis zur Fertigstellung der Solarzelle auf der Solarzellensubstratoberfläche (60) belassen wird.
Verwendung eines Herstellungsverfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche bei der Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle.
Solarzelle, insbesondere eine rückseitenkontaktierten Solarzelle, mit einer strukturierten Materialschicht (2), welche mittels mechanisch zumindest teilweisen Entfernens einer unterhalb der Materialschicht abschnittsweise auf einer Solarzellensubstratoberfläche (60) der Solarzelle angeordneten Opferschicht (4) strukturiert ist.