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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Metallstruktur zur lokalen elektrischen Kontaktierung einer Halbleiterstruktur gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei photovoltaischen Solarzellen werden Ladungsträger typischerweise durch Metallstrukturen abgeführt. Hierbei sind ganzflächig kontaktierende Metallstrukturen bekannt. Zur Anwendung auf der bei Betrieb dem Lichteinfall zugewandten Seite der Solarzelle und/oder zur Verringerung von Rekombinationsverlusten an den Kontaktflächen werden häufig Metallstrukturen verwendet, welche eine oder mehrere lokale elektrische Kontaktierungen mit der Halbleiterstruktur aufweisen.
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Die Halbleiterstruktur ist somit eine photovoltaische Solarzelle oder eine Vorstufe einer photovoltaischen Solarzelle im Herstellungsprozess und weist mindestens eine Halbleiterschicht auf.
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Hierbei ist es bekannt, die Metallstruktur mittels eines Lift-off-Prozesses zu erzeugen:
Beispielsweise ist in Knorz, A., A. Grohe, and R. Preu. Laser ablation of etch resists for structuring and lift-off processes. in Proceedings of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference. 2009. Hamburg, Germany, ein Verfahren beschrieben, bei dem auf ein Siliziumsubstrat zunächst eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht und hierauf eine Lift-off-Schicht aufgebracht wird. Anschließend wird mittels eines Lasers die Lift-off-Schicht lokal geöffnet und in einem weiteren Schritt mittels nasschemischen Ätzen die Isolierungsschicht in den Bereichen geöffnet, in denen zuvor die Lift-off-Schicht geöffnet wurde. Bei dem nasschemischen Ätzen dient die Lift-off-Schicht somit als Maskierungsschicht.
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Anschließend wird ganzflächig eine Metallschicht aufgetragen, welche somit die Lift-off-Schicht bedeckt und in den lokal geöffneten Bereichen das Siliziumsubstrat bedeckt. Nach nasschemischem Entfernen der Lift-off-Schicht und somit auch der sich auf der Lift-off-Schicht befindenden Metallschicht verbleibt eine Metallstruktur in den zuvor lokal geöffneten Bereichen der Isolierungsschicht auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung einer Metallstruktur zur lokalen elektrischen Kontaktierung einer Halbleiterstruktur zu schaffen, welches eine geringere Prozesskomplexität aufweist, so dass eine Kostenreduzierung bei dem Herstellungsverfahren erreicht und/oder die industrielle Umsetzung des Herstellungsverfahrens vereinfacht wird.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 17. Hiermit wird der Wortlaut der Ansprüche durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Erzeugung einer Metallstruktur zur lokalen elektrischen Kontaktierung einer Halbleiterstruktur. Die Halbleiterstruktur ist eine photovoltaische Solarzelle oder eine Vorstufe einer photovoltaischen Solarzelle im Herstellungsverfahren und umfasst mindestens eine Halbleiterschicht. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass die Halbleiterschicht als Halbleitersubstrat, insbesondere als Siliziumwafer ausgebildet ist. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Halbleiterschicht eine Schicht eines Mehrschichtsystems, beispielsweise bei einer Dünnschichtsolarzelle oder einer Vorstufe hiervon ist.
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Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt a wird zumindest eine elektrisch isolierende Isolierungsschicht auf die Halbleiterschicht aufgebracht.
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In einem Verfahrensschritt b wird zumindest eine Lift-off-Schicht auf die Isolierungsschicht aufgebracht.
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In einem Verfahrensschritt c erfolgt ein lokales Öffnen der Lift-off-Schicht.
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In einem Verfahrensschritt d erfolgt ein lokales Öffnen der Isolierungsschicht.
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In einem Verfahrensschritt e wird eine metallische Schicht zumindest teilweise auf die Lift-off-Schicht und in den geöffneten Bereichen von Lift-off-Schicht und Isolierungsschicht auf die Halbleiterschicht aufgebracht.
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In einem Verfahrensschritt f erfolgt ein Entfernen der Lift-off-Schicht.
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Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass gegebenenfalls vor den Verfahrensschritten a und/oder b weitere Zwischenschichten aufgebracht werden.
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Wesentlich ist, dass die zuvor genannten Verfahrensschritte c und d in einem gemeinsamen Verfahrensschritt CD integriert sind, indem in Verfahrensschritt CD durch eine gemeinsame Materialabtragungsmethode sowohl Lift-off-Schicht als auch Isolierungsschicht lokal geöffnet werden.
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Die Erfindung ist in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass überraschenderweise beide genannten Schichten durch eine gemeinsame Materialabtragungsmethode in einem gemeinsamen Verfahrensschritt abgetragen werden können, ohne dass Schädigungen, die die elektrischen Eigenschaften der Solarzelle erheblich verschlechtern, an der darunterliegenden Oberfläche der Halbleiterschicht entstehen und/oder dass diese Schädigungen mit unaufwendigem Verfahren verringert und/oder entfernt werden können.
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Bisher wurde davon ausgegangen, dass eine derartige lokale Öffnung sowohl der Lift-off-Schicht als auch der Isolierungsschicht mit einer gemeinsamen Abtragungsmethode in einem Verfahrensschritt nicht sinnvoll einsetzbar ist, da davon ausgegangen wurde, dass erhebliche Schädigungen in der Halbleiterschicht in diesem Verfahrensschritt entstehen, die zu erheblichen Verringerungen des Wirkungsgrades der Solarzelle, insbesondere aufgrund von Rekombinations- und/oder Leitungswiderstandsverlusten führen. Dies ist nach Erkenntnis des Anmelders überraschenderweise nicht der Fall und darüber hinaus können durch eine geeignete Prozessgestaltung nötige Folgeprozesse vermieden werden, um den Einfluss der entstehenden Schädigung auf die Solarzellenleistung zu minimieren.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit erstmals möglich, die Prozesskomplexität bei Erzeugung einer Metallstruktur zur lokalen elektrischen Kontaktierung einer Halbleiterstruktur mittels eines Lift-off-Verfahrens erheblich zu verringern. Insbesondere ist die bisher notwendige aufeinander folgende lokale Öffnung von Lift-off-Schicht einerseits und Isolierungsschicht andererseits durch zwei unterschiedliche Materialabtragungsmethoden, welche erhebliche Anforderungen an die Prozessgestaltung und damit einen erheblichen Kostenfaktor darstellen, reduziert durch die gemeinsam im Verfahrensschritt CD angewandte Materialabtragungsmethode sowohl für Lift-off-Schicht als auch für die Isolierungsschicht.
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Vorzugsweise erfolgt im Verfahrensschritt CD das lokale Öffnen von Lift-off-Schicht und Isolierungsschicht mittels eines Lasers. Die Verwendung eines Lasers zum Abtragen einzelner Schichten, insbesondere durch Materialabtrag mittels Verdampfen, ist an sich bekannt und es sind bereits Vorrichtungen für den industriellen Einsatz bei der Herstellung von photovoltaischen Solarzellen erhältlich, bei denen mit hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit und einer entsprechend hohen Durchsatzrate vorgegebene Muster in einer Schicht mittels eines Lasers lokal geöffnet werden können.
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Insbesondere bei lokalem Öffnen der Lift-Off-Schicht und der Isolierungsschicht mittels eines Laser wie vorhergehend beschrieben, wird die darunter liegende Halbleiterschicht nicht oder nur geringfügig geschädigt, so dass bei geeigneter Wahl der Parameter des Laserabtrags keine anschließende Behandlung der Halbleiteroberfläche, insbesondere kein nasschemisches Ätzen etwaiger geschädigter Oberflächenbereiche des Halbleiters notwendig ist. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, bei Bedarf gegebenenfalls zusätzlich einen Ätzschritt anzufügen, wie nachfolgend zu Verfahrensschritt e1 beschrieben.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt das lokale Öffnen mittels Laser Chemical Processing (LCP). Dieses Verfahren ist an sich bekannt und beispielsweise in Kray, D., et al., Laser Chemical Processing (LCP) – A versatile tool for microstructing applications. Applied Physics A, 2008 beschrieben. Wesentlich ist, dass der Laserstrahl innerhalb eines Flüssigkeitsstrahls geführt wird, wodurch insbesondere ein Materialabtrag mit geringer Schädigung der verbleibenden Oberfläche möglich ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass das lokale Öffnen in Verfahrensschritt CD mittels LCP erfolgt und gleichzeitig an den lokal geöffneten Bereichen in der Halbleiterschicht lokale Dotierungsbereiche erzeugt werden. Die erzeugten Dotierungen führen dazu, dass auftretende Schädigungen abgeschirmt werden und somit der negative Einfluss der Rekombinationsverluste minimiert werden kann. Hierzu kann auf vorbekannte Verfahren des LCP zurückgegriffen werden, bei denen den Flüssigkeitsstrahl, in dem der Laserstrahl geführt ist, Dotierstoffe beigemischt sind, welche an der mittels des Laserstrahls aufgeschmolzenen oder zumindest erwärmten Oberfläche der Halbleiterschicht zu einem dotierten Halbleiterbereich führen.
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Es ist bekannt, bei photovoltaischen Solarzellen an den Bereichen, an denen eine Kontaktierung mittels einer Metallstruktur erfolgt, lokale Hochdotierungsbereiche auszubilden. Hierdurch wird der elektrische Leitungswiderstand zwischen Metallstruktur und Halbleiter verringert. Durch die vorbeschriebene Vorzugsweise Ausführungsform wird somit beim Verfahrensschritt CD ein lokales Öffnen sowohl der Lift-off-Schicht als auch der Isolierungsschicht erzielt und darüber hinaus an den lokal geöffneten Bereichen in der Halbleiterschicht lokale Dotierungsbereiche erzeugt, ohne dass hierfür eine zusätzliche Justierung oder zusätzliche Prozessierungsschritte notwendig sind.
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Bei einer Vielzahl photovoltaischer Solarzellenstrukturen ist es vorteilhaft, wenn verschiedene lokale Kontaktierungsbereiche mit zueinander entgegengesetzten Dotierungstypen aufweisen. Dotierungstypen sind hierbei die n-Dotierung und die hierzu entgegengesetzte p-Dotierung. Typischerweise ist es vorteilhaft, bei den lokalen Kontaktierungsbereichen, welche der elektrischen Kontaktierung des Emitters dienen, hochdotierte Bereiche des Emitterdotierungstyps auszubilden und/oder an den lokalen Dotierungsbereichen, welche zur elektrischen Kontaktierung der Basis dienen, lokale Hochdotierungsbereiche des Basisdotierungstyps auszubilden.
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Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl Emitter als auch Basis jeweils mit einer metallischen Kontaktierungsstruktur kontaktiert, wobei jeweils mittels LCP und Hinzufügen eines Dotierstoffes zu dem Flüssigkeitsstrahl ein Hochdotierungsbereich in der Halbleiterschicht erzeugt wird, der jeweils dem Dotierungstyps des Emitters bzw. der Basis entspricht. Hierdurch ist mit erheblicher Verringerung der Prozesskomplexität die Herstellung hocheffizienter Solarzellenstrukturen möglich.
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Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, die Solarzelle in an sich bekannter Weise auszubilden, in dem eine Kontaktierungsart, typischerweise die elektrische Kontaktierung des Emitters, auf der bei Betrieb dem Lichteinfall zugewandten Seite der Solarzelle ausgebildet ist und die hierzu entgegengesetzte Kontaktierung, typischerweise die elektrische Kontaktierung der Basis, auf der bei Betrieb dem Lichteinfall abgewandten Seite der Solarzelle ausgebildet wird. Ebenso liegt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einseitig kontaktierter photovoltaischer Solarzellen im Rahmen der Erfindung, bei denen sowohl die elektrische Kontaktierung des Emitters als auch der Basis auf einer Seite der Solarzellen, typischerweise auf der bei Betrieb dem Lichteinfall abgewandten Seite der Solarzelle, liegen. Insbesondere bei einseitig kontaktierten Solarzellen ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der vorbeschriebenen vorteilhaften Ausführungsform vorteilhaft, bei der mittels LCP mindestens zwei Bereiche mit zueinander entgegengesetzten Dotierungstypen in der Halbleiterschicht erzeugt werden.
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Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt e die metallische Schicht mittels eines gerichteten Metallisierungsverfahrens aufgebracht. Gerichtete Metallisierungsverfahren sind solche, bei denen die Abscheidung der Metallisierungsschicht im Wesentlichen in einer durch das Verfahren vorgegebenen Abscheiderichtung erfolgt. Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der metallischen Schicht mittels eines Verfahrens, dessen Abscheiderichtung in etwa senkrecht zur Oberfläche der Lift-off-Schicht steht.
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Hierdurch ist gewährleistet, dass keine Verbindung zwischen der sich auf der Lift-off-Schicht findenden Metallschicht und der sich in den lokal geöffneten Bereichen auf der Halbleiterschicht befindenden Metallschicht besteht, so dass in Verfahrensschritt f an den Flanken der Lift-off-Schicht keine Bedeckung durch die Metallschicht stattfindet und somit beispielsweise für ein flüssiges Lösungsmittel ausreichend Ansatzfläche zum Ablösen der Lift-off-Schicht gegeben ist. Würde hierbei ein nicht gerichtetes Metallisierungsverfahren, wie beispielsweise Siebdruck, verwendet werden, so bestünde ein erhebliches Risiko, dass auch die Flanken der Lift-off-Schicht vollständig durch die metallische Schicht bedeckt sind und somit ein Ablösen mittels eines flüssigen Lösungsmittels nicht oder nur mit erheblich höherem Zeitaufwand erfolgt.
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Gerichtete Metallisierungsverfahren sind hierbei Aufdampfverfahren wie thermisches Aufdampfen oder e-Gun-Verfahren. Ebenso kann mittels Sputtern ein gerichtetes Aufbringen einer metallischen Schicht erfolgen.
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Vorzugsweise wird hierbei die Lift-off-Schicht nasschemisch entfernt, insbesondere wie zuvor beschrieben durch ein flüssiges Lösungsmittel.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird in Verfahrensschritt f die Lift-off-Schicht thermisch entfernt, vorzugsweise thermisch-nasschemisch. Durch die thermische Entfernung und insbesondere die thermisch-nasschemische Entfernung wird eine Beschleunigung in Verfahrensschritt f erzielt.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird im Verfahrensschritt F die Lift-off-Schicht mechanisch abgelöst. Hierdurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass eine breitere Bandbreite von Verfahren zum Aufbringen der metallischen Schicht im Verfahrensschritt e einsetzbar ist, da für das mechanische Ablösen keine unbedeckten Flanken der Lift-off-Schicht in den lokal geöffneten Bereichen notwendig sind.
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Insbesondere ist in dieser vorzugsweisen Ausführungsform somit das Aufbringen der metallischen Schicht in Verfahrensschritt e mittels Siebdruck möglich. Dies führt zu einem Vorteil in Bezug auf Prozesskosten und Prozesszeit. Einzig das erfindungsgemäße Verfahren in der beschriebenen vorzugsweisen Ausführungsform ermöglicht die Erzeugung von metallischen Kontaktstrukturen mittels Siebdruck in einem vorteilhaften Aspektverhältnis, insbesondere in einem Verhältnis von 1:2 bis 2:1 bevorzugt von 1:1 bis 1,7:1 von Höhe zu Breite der Metallstruktur, insbesondere einer linienartigen Metallstruktur. Gleichzeitig ist eine exakte Überlagerung der Metallstruktur mit den geöffneten Bereichen gewährleistet.
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In einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Verfahrensschritt b eine abziehbare Lift-off-Schicht aufgebracht, welche Lift-off-Schicht in Verfahrensschritt f mechanisch abgezogen wird. Diese vorzugsweise Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist erhebliche Vorteile verglichen mit bisher bei der Herstellung von photovoltaischen Solarzellen bekannten Lift-off-Verfahren auf:
Durch die Ausbildung der Lift-off-Schicht als abziehbare Schicht und das mechanische Abziehen der Lift-off-Schicht wird eine Verringerung der Prozesskomplexität erreicht, da keine nasschemischen Prozessschritte zum Ablösen der Lift-off-Schicht notwendig sind. Darüber hinaus ist durch das mechanische Abziehen der Schicht ein schneller und vollständiger Lift-off-Prozess gewährleistet unabhängig von der Bedeckung der Flanken der Lift-off-Schicht in den lokal geöffneten Bereichen.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass in Verfahrensschritt B eine folienartige Lift-off-Schicht aufgebracht wird. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Lift-off-Schicht als Folie aufgebracht wird, das heißt, dass in Verfahrensschritt b eine bestehende Folie aufgebracht wird, vorzugsweise durch ein Abrollverfahren. Die Folie ist vorzugsweise eine adhäsive Folie.
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Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, in Verfahrensschritt b die Lift-off-Schicht durch Aufbringen eines sich verfestigenden Materials zu erzeugen. Hierbei kann auf bekannte Lacke, welche nach Aufbringen eine folienartige Schicht ausbilden, zurückgegriffen werden. Dies weist den Vorteil auf, dass auf an sich bekannte Spin-on- oder Spray-on-Prozesse zurückgegriffen werden kann. Ebenso kann das Material zur Ausbildung der Folie mittels eines Inkjet-Verfahrens oder eines Siebdruckprozesses aufgebracht werden.
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Insbesondere ist die Verwendung so genannter „Abziehlacke”, welche eine starke Quervernetzung ausbilden, vorteilhaft. Vorteilhafterweise wird ein Abziehlack verwendet, welcher mindestens eine, vorzugsweise alle der folgenden Eigenschaften aufweist: Chemikalienbeständigkeit, kurzzeitige thermische Beständigkeit im Temperaturbereich 80°C bis 150°C, rückstandsfreie Entfernbarkeit.
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Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in oder nach Verfahrensschritt CD eine Vertiefung durch Materialabtrag in der Halbleiterschicht in etwa im Bereich der lokalen Öffnung der Isolierungsschicht erzeugt.
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Hierdurch erfolgt somit die Ausbildung der metallischen Kontaktierungsstruktur zumindest teilweise in der durch Materialabtrag in der Halbleiterschicht erzeugten Vertiefung, wodurch sich mehrere Vorteile ergeben:
Zum einen kann hierdurch ein vorteilhaftes Aspektverhältnis erzielt werden, das heißt, dass gleichzeitig eine Verringerung einer Abschattungswirkung durch die metallische Kontaktierungsstruktur und eine Verringerung des Ohmschen Leitungswiderstandes aufgrund der Erhöhung des Querschnittes der metallischen Kontaktierungsstruktur aufgrund der Vertiefung erzielt werden kann.
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Insbesondere bei Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mechanischem Abziehen der Lift-off-Schicht in Verfahrensschritt f ist die vorgenannte Ausbildung einer Vertiefung vorteilhaft, da hierdurch das Risiko, dass bei dem Abziehen der Lift-off-Schicht auch die Metallisierung in den lokal geöffneten Bereichen herausgerissen wird, erheblich verringert wird.
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Vorzugsweise wird eine Vertiefung mit einer Tiefe 30 μm, bevorzugt größer 50 μm, weiter bevorzugt > 75 μm, insbesondere im Bereich 50 μm bis 100 μm ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ wird vorzugsweise die Vertiefung mit einer Breite < 100 μm, bevorzugt < 60 μm, weiter bevorzugt < 50 μm ausgebildet.
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Insbesondere ist es vorteilhaft die Gräben mit LCP zu erzeugen, um einen optimale Grabengeometrie mit parallelen Grabenwänden zu erhalten und durch gleichzeitige Dotierung den Einfluss der erzeugten Schädigung zu minimieren.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Vertiefung mit zumindest einer schräg zur Oberfläche der Halbleiterschicht stehenden Seitenfläche ausgebildet wird, vorzugsweise, dass die Vertiefung in Tiefenrichtung mit einem schräg zur Oberfläche der Halbleiterschicht stehenden Verlauf ausgebildet wird. Durch die schräg stehende Oberfläche bzw. den schrägen Verlauf wird insbesondere bei Ausbildung der Lift-off-Schicht als Folie und mechanischem Abziehen der Lift-off-Schicht im Verfahrensschritt F zusätzlich ein Herausziehen der metallischen Kontaktierungsstruktur verhindert.
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Insbesondere ist es hierbei vorteilhaft, dass die Vertiefung derart ausgebildet wird, dass eine erste schräg ausgebildete Oberfläche der Vertiefung mit der Oberfläche der Halbleiterschicht einen stumpfen Winkel und eine zweite schräg ausgebildete Oberfläche der Vertiefung mit der Oberfläche der Halbleiterschicht einen spitzen Winkel einschließt und dass in Verfahrensschritt f die Lift-off-Schicht derart mechanisch von der Halbleiterschicht abgezogen wird, dass die Lift-off-Schicht zunächst an einer Schnittlinie zwischen erster Oberfläche und Oberfläche der Halbleiterschicht und danach an einer Schnittlinie zwischen der zweiten Oberfläche und der Oberfläche der Halbleiterschicht abgezogen wird.
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Alternativ ist es vorteilhaft, dass die Lift-Off-Schicht in einer Abziehrichtung in etwa parallel zu den Gräben abgezogen wird. Hierdurch wird vermieden, dass durch Gräben durchtrennte Teilstücke der Lift-Off-Schicht einzeln abgelöst werden müssen.
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Da eventuelle Kräfte auf die metallische Kontaktierungsstruktur beim Abziehen der Lift-off-Schicht somit zunächst an der Oberfläche angreifen, welche einen stumpfen Winkel zu der Oberfläche der Halbleiterschicht aufweist, werden solche in etwa senkrecht zur Oberfläche der Halbleiterschicht stehenden Kräfte somit zumindest teilweise auf die Halbleiterschicht übertragen und somit zusätzlich ein Herausziehen der metallischen kontaktierten Struktur in der Vertiefung verhindert.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass zwischen Verfahrensschritt d und e in einem Verfahrensschritt e1 ein Ätzschritt erfolgt, um zumindest in den lokal geöffneten Bereichen mittels Materialabtrag (durch Ätzen) geschädigte Schichten der Oberfläche der Halbleiterschicht zu entfernen.
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Insbesondere bei Verwendung eines Lasers zum Materialabtrag und zur Erzeugung einer Vertiefung in Verfahrensschritt CD ist es vorteilhaft, zusätzlich vorgenannten Verfahrensschritt e1 durchzuführen, da hierdurch in einfacher Weise die eventuell durch den Laser geschädigte Oberfläche der Halbleiterschicht abgetragen wird.
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Wie zuvor ausgeführt, ist es bei mechanischem Entfernen der Lift-off-Schicht in Verfahrensschritt f unerheblich, ob die Flanke der Lift-off-Schicht im lokal geöffneten Bereich durch die metallische Schicht bedeckt ist oder nicht. Zur Kosteneinsparung ist es daher vorteilhaft, dass bei dieser vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verfahrensschritt e die metallische Schicht mittels eines ungerichteten Verfahrens aufgebracht wird, vorzugsweise mittels Siebdruck.
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Vorzugsweise erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Verfahrensschritt f eine Verstärkung der Metallschicht, insbesondere eine an sich bekannte galvanische Verstärkung. Hierbei ist die Verwendung sämtlicher bei der Herstellung photovoltaischer Solarzellen vorbekannter Verfahren zur galvanischen Verstärkung möglich, insbesondere die durch elektrische Kontaktierung stromindizierte galvanische Verstärkung oder die durch Bestrahlung der Solarzelle lichtinduzierte galvanische Verstärkung.
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Durch die galvanische Verstärkung wird die Querschnittsfläche der metallischen Kontaktstruktur erhöht und somit der Querleitungswiderstand und damit ohmsche Widerstandsverluste verringert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit gegenüber vorbekannten Verfahren einige Vorteile auf:
Beispielsweise bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einseitig kontaktierter Solarzellen, deren Kontaktierung an der bei Betrieb der lichtabgewandten Seite erfolgt (so genannter Rückseitenkontakt-Solarzellen „RSK”-Solarzellen) zeigt sich eine drastische Reduzierung der notwendigen Prozessschritte, der Prozesszeit und somit auch ein dadurch entstehender Kostenvorteil. Zusätzlich reduziert sich durch die gesunkene Zahl von Prozess- und Handlingsschritten zwischen den Prozessen auch das Risiko des Waferbruchs. Weiterhin ergibt sich durch Anwendung des LCP-Verfahrens wie vor beschrieben die Möglichkeit, lokale Dotierungen beispielsweise mit einer Breite im Bereich von 50 μm herzustellen, was zu einer deutlichen Reduzierung der Wirkungsgradverluste führt, im Vergleich zu vorbekannten industriell umsetzbaren Herstellungsprozessen beispielsweise durch Siebdruckmaskierung, welche eine Strukturbreite der lokalen Dotierungen von minimal 300 μm erreichen.
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Des Weiteren bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, kostengünstige Metallisierungsverfahren, wie z. B. Sputtern von Aluminium zu verwenden, die im Vergleich zu vorbekannten, konventionellen Verfahren deutliche Kostenvorteile (insbesondere im Vergleich zu Ag-Galvanik oder Ag-Siebdruck) haben.
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Zusätzlich können durch die freie Wahl des aufgebrachten Metalls auch die Metalle spezifisch auf die darunterliegenden Dotierungen angepasst werden bzw. es können Barriereschichten aufgebracht werden, die für eine reduzierte Wahrscheinlichkeit von potentiell negativen Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der Solarzelle sorgen (z. B. Erhöhung der Rekombinationsverluste durch eindiffundiertes Kupfer nach Cu-Galvanik-Prozessen). Dabei ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich von vorbekannten Verfahren möglich, auf zusätzliche Maskierungsschritte zu verzichten, da die notwendige Maskierung gleichzeitig zu dem Dotierungsprozess erzeugt wird, bei Verwendung des LCP-Verfahrens mit Dotierstoffen in dem Flüssigkeitsstrahl. Weiterhin ist es durch den beschriebenen Einsatz des LCP-Verfahrens möglich, parallel hochdotierte Bereiche entgegengesetzter Dotierungstypen, das heißt parallel p-dotierte Bereiche und n-dotierte Bereiche zu erzeugen.
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Die Herstellung solcher lokaler Dotierungen und lokaler Kontaktierungen ist insbesondere für die Herstellung von rückseitig sammelnden Solarzellen wichtig. Typischerweise weisen solche einseitig kontaktierbaren Solarzellen ineinander verzahnte kammartige metallische Kontaktierungsstrukturen auf der bei Betrieb dem Lichteinfall abgewandten Rückseite der Solarzelle auf. Bei vorbekannten Verfahren ist zur Erzeugung solcher ineinander verschränkter, kammartiger Metallisierungsstrukturen eine Vielzahl von Maskierungs-, Strukturierungs-, Dotierungs- und Metallisierungsprozessen notwendig. Diese Prozesskomplexität wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erheblich vereinfacht und führt somit zu einer erheblichen Kosteneinsparung.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
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1 bis 2 Verfahrensschritte a–g eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 Verfahrensschritt e einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4 bis 5 Verfahrensschritte a–f eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6 Verfahrensschritte CD–f einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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7 schematische Darstellung des Ergebnisses einer weiteren Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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8 bis 9 Verfahrensschritte a–f eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Figuren stellen schematische Ansichten einer photovoltaischen Solarzelle bzw. einer Vorstufe einer solchen Solarzelle während des Herstellungsprozesses dar. Hierbei ist jeweils ein Teilausschnitt schematisch dargestellt. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche Elemente.
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In den 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. 1a, b zeigt das Ergebnis nach Durchführen der Verfahrensschritte a und b, wobei auf eine als Siliziumsubstrat ausgebildete Halbleiterschicht 1 eine als Siliziumdioxidschicht ausgebildete elektrisch isolierende Isolierungsschicht 2 und anschließend eine als Folie ausgebildete Lift-off-Schicht 3 aufgebracht wurde. Das Ergebnis ist in 1a, b dargestellt. Die Isolierungsschicht ist einerseits elektrisch isolierend ausgebildet und weist darüber hinaus eine Passivierungswirkung hinsichtlich der an die Isolierungsschicht 2 angrenzenden Oberfläche der Halbleiterschicht 1 auf, so dass an dieser Oberfläche die Ladungsträgerrekombinationsgeschwindigkeit und damit Rekombinationsverluste verringert werden.
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In einem Verfahrensschritt CD wird mittels eines Laserstrahls, welcher durch den Pfeil in 1CD angedeutet ist, lokal sowohl die Isolierungsschicht 2 als auch die Lift-off-Schicht 3 geöffnet und darüber hinaus eine Vertiefung in der Halbleiterschicht 1 erzeugt. Es wird somit mittels einer gemeinsamen Materialabtragungsmethode (in diesem Fall durch Laserablation) sowohl Material der Isolierungsschicht, der Lift-off-Schicht als auch der Halbleiterschicht entfernt. Das Ergebnis ist schematisch in 1CD dargestellt.
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Das lokale Öffnen erfolgt linienartig, so dass Gräben entstehen, wobei der in 1CD dargestellte Graben senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Der Graben weist eine Breite (horizontal in 1) von etwa 50 μm bei einer Tiefe (senkrecht in 1) von etwa 100 μm auf.
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In einem Verfahrensschritt e wird ganzflächig auf die obenliegende Vorderseite eine als Aluminiumschicht ausgebildete metallische Schicht 4 auf die Lift-off-Schicht 3 und den lokal geöffneten Bereich im Lift-off-Schicht 3, Isolierungsschicht 2 und die in der Halbleiterschicht 1 erzeugte Vertiefung aufgebracht. Das Ergebnis ist in 1e dargestellt.
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Da in diesem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens die Lift-off-Schicht 3 als Folie ausgebildet ist, kann in einem Verfahrensschritt f die Lift-off-Schicht durch Abziehen der Folie realisiert werden, wie in 2f schematisch dargestellt. Hierdurch wird in einfacher Weise die Lift-off-Schicht 3 und die sich auf der Lift-off-Schicht 3 befindende metallische Schicht 4 entfernt, wobei eine Metallstruktur 4a in der ausgebildeten Vertiefung verbleibt, mittels welcher eine metallische Kontaktierungsstruktur der Solarzelle ausgebildet wird.
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In diesem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit eine linienartige metallische Kontaktierungsstruktur für eine Solarzelle erzeugt, welche grabenartig sich in die Halbleiterschicht 1 hineinerstreckt, wobei das Aspektverhältnis derart gewählt ist, dass die Grabenbreite kleiner als die Grabentiefe ist. Hierdurch wird somit einerseits eine Verringerung der Verluste aufgrund von Ohmschen Widerständen in der Metallisierung durch die entsprechend gewählte Tiefe des Grabens und andererseits eine Verringerung von Abschattungsverlusten durch die gewählte Breite des Grabens realisiert.
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Darüber hinaus ist die Herstellung der Metallstruktur ohne nasschemische Prozesse und damit kostengünstig durchführbar.
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Zur weiteren Verringerung von Rekombinationsverlusten ist es vorteilhaft, zwischen Verfahrensschritt CD und Vefahrensschritt e in einem nasschemischen Schritt die Oberfläche der Halbleiterschicht 1 in der mittels des Laserstrahls erzeugten Ausnehmung etwas abzuätzen, so dass durch die Laserbehandlung geschädigte Bereiche der Halbleiterschicht 1 an den Wänden der Vertiefung abgetragen werden und somit Rekombinationsverluste verringert werden.
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In 3 ist eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem in Verfahrensschritt CD der Laserstrahl nicht senkrecht zur Oberfläche der Lift-off-Schicht 3 sondern schräg hierzu, vorzugsweise in einem Winkel zwischen 30° und 60°, eingesetzt wird, so dass entsprechend ein schräg zur Oberfläche stehender Graben ausgebildet wird. Das Ergebnis nach Aufbringen der metallischen Schicht 4 gemäß Verfahrensschritt e ist in 3e dargestellt.
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In dem nachfolgenden Verfahrensschritt f wird nun analog wie zu 2 beschrieben die Lift-off-Schicht 3 entfernt. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Schicht gemäß des in 3 dargestellten Pfeils zu entfernen, das heißt, das Ablösen der Schicht an der rechten Seite zu beginnen und von hier aus das Ablösen nach links fortzusetzen. Denn durch den schräg ausgebildeten Graben wird auf diese Weise das Risiko, dass bei dem Ablösen der Folie Metallisierung aus der Vertiefung der Halbleiterschicht 1 herausgezogen wird, zusätzlich verringert.
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Das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. die beschriebenen Abwandlung hiervon wird vorzugsweise in einer der folgenden Ausgestaltungen durchgeführt. Die Tabelle 1 und die nachfolgenden Tabellen zeigen jeweils den in dem Ausführungsbeispiel verwendeten Wert des Parameters sowie einen vorzugsweisen Bereich bzw. alternative vorzugsweise Werte für diesen Parameter:
| | konkretes Beispiel | Parameterbereich |
| Folienparameter: | | |
| Material | PP | PP, PVC, Abziehlacke |
| Aufbringung | Abrollverfahren | PP (Polypropylen), PVC (Polyvenylchlorid):
Abrollverfahren, Laminierverfahren Abziehlacke:
Siebdruck, Spray on, Spin-on |
| Farbe | nicht transparent | nicht-transparent, semi-transparent |
| Dicke | < 55 μm | 5 μm–55 μm |
| | | |
| LCP-Parameter: | | |
| Repetitionsfrequenz | 50 kHz | 10 kHz–500 kHz |
| Wellenlänge | 532 nm | 515 nm–1070 nm |
| Pulsdauer | 200 ns | 5 ns–1000 ns, continous wave(cw)-mode |
| Pulsenergie | 1000 μJ | 100 μJ–10000 μJ |
| Düsendurchmesser | 50 μm | 20 μm–100 μm |
| LCP-Flüssigkeit | 85%ige Phosphorsäure (H3PO4) | Phosphorsäure (H3PO4, Konzentration: 10–85%), Wasser (H2O), Natriumborhydridlösung (NaBH4) |
| | | |
| Siebdruckparameter: | | |
| Siebdruckpaste | Aluminiumsiebdruckpaste | Aluminiumsiebdruckpaste, Silbersiebdruckpaste |
Tabelle 1
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4–5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird wie schon zu 1a, b beschrieben auf die Halbleiterschicht 1 eine Isolierungsschicht 2 und anschließend eine Lift-off-Schicht 3 aufgebracht. Das Ergebnis ist in 4a, b dargestellt.
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Anschließend wird mittels eines Lasers sowohl die Lift-off-Schicht 3 als auch die Isolierungsschicht 2 lokal geöffnet, in einem Verfahrensschritt CD. Wesentlich ist, dass in diesem zweiten Ausführungsbeispiel das lokale Öffnen mittels der zuvor beschriebenen LCP-Methode durchgeführt wird, das heißt, der Laserstrahl wird in einem laminaren Flüssigkeitsstrahl geführt, welcher Flüssigkeitsstrahl einen Dotierstoff 5 enthält. Wie in 4CD dargestellt wird somit in einem gemeinsamen Verfahrensschritt CD sowohl Lift-off-Schicht 3 als Isolierungsschicht 2 lokal geöffnet und gleichzeitig an dem geöffneten Bereich in einem oberflächennahen Bereich der Halbleiterschicht 1 eine lokale Dotierung 5a der Halbleiterschicht 1 erzielt. In den darauf folgenden Verfahrensschritt e wird die metallische Schicht 4 abgeschieden (siehe 5e), so dass nach Ablösen der Lift-off-Schicht 3 (5f) lediglich in dem lokal geöffneten Bereich der Isolierungsschicht 2 eine Metallisierung verbleibt, welche über dem mit Dotierstoff 5 lokal dotierten Bereich 5a der Halbleiterschicht 1 angeordnet ist.
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In diesem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit in einfacher Weise eine höchst effiziente metallische Kontaktierungsstruktur auf einem hochdotierten Halbleiterbereich erzeugt, welche somit insbesondere einen niedrigen Kontaktwiderstand zwischen Metallstruktur und Halbleiter aufweist.
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Weiterhin wird auf der in 5 unten dargestellten Rückseite der Solarzelle ganzflächig eine zweite Metallschicht 6 aufgebracht, welche die Halbleiterschicht 1 elektrisch kontaktiert.
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Wesentlich ist, dass einerseits die Halbleiterschicht 1 eine Dotierung eines ersten Dotierungstyps, welcher der Basisdotierungstyp ist, aufweist und der Dotierstoff 5 einer hierzu entgegengesetzten Dotierung zugeordnet ist. Durch Ausbildung des Dotierungsbereiches 5a wird somit in einfacher Weise ein Emitterbereich erzeugt, an dessen Grenze zu demjenigen Bereich der Halbleiterschicht, welche eine Basisdotierung aufweisen, sich ein pn-Übergang zur Ladungsträgertrennung ausbildet.
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Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel wurde in Verfahrensschritt e die Metallschicht mittels eines gerichteten Verfahrens aufgebracht, wobei die Abscheiderichtung in etwa senkrecht zur Oberfläche der Lift-off-Schicht 3 steht. Hierdurch bildet sich keine durchgängige metallische Schicht 4 auf, sondern die metallische Schicht 4 ist unterteilt in Segmente, die auf der Lift-off-Schicht 3 angeordnet sind und Segmente, die in den lokal geöffneten Bereichen auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 1 angeordnet sind, wie in 5e dargestellt. Hierdurch ist die senkrecht stehende Flanke der Lift-off-Schicht 3 nicht durch die metallische Schicht 4 bedeckt, so dass in einem nasschemischen Verfahren in Verfahrensschritt f die Lift-off-Schicht abgelöst werden kann.
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Nachfolgende Tabelle 2 gibt die für dieses Ausführungsbeispiel verwendeten Parameterwerte an sowie vorzugsweise Parameterbereiche oder alternative vorzugsweise Parameterwerte:
| | konkretes Beispiel | Parameterbereich |
| Lack-Parameter: | | |
| Lackart | 1-Komponenten Ätzresist | 1-Komponenten Ätzresist,
Photosensitive Lacke: positiv oder negativ-Lacke,
kurzfristig Chemie resistente Schutzlacke |
| Aufbringung | Siebdruckverfahren optional noch mit nachträglichem Temperaturschritt (–170°C) zur Verfestigung/Trocknung | Siebdruck, Spin-on, Spay-on, |
| Farbe | blau | nicht transparent, semitransparent |
| Dicke | 2,5 μm–5 μm | 1 um–20 μm |
| | | |
| LCP-Parameter | | |
| Repetitionsfrequenz | 35 kHz | 10 kHz–500 kHz |
| Wellenlänge | 532 nm | 515 nm–1070 nm |
| Pulsdauer | 20 ns | 5 ns–1000 ns, continous wave(cw)-mode |
| Pulsenergie | 35 μJ | 10 μJ–100 μJ |
| Düsedurchmesser | 50 μm | 20 μm–100 μm |
| LCP-Flüssigkeit | n-Dotierung: 85%ige Phosphorsäure (H3PO4) p-Dotierung: Natriumborhydrid (NaBH4) gelöst in 14M Natronlauge (NaOH) | Phosphorsäure (H3PO4, Konzentration: 10%–85%), Wasser (H2O), Natriumborhydridlösung (NaBH4) |
| | | |
| Metallisierungsparameter | | |
| Aufbringungsart | Sputterverfahren mit der e-gun | Sputtern, thermisches Aufdampfen |
| Metall | Aluminium | Aluminium, Nickel, Wolfram, Silber, Titan, Palladium, Chrom, Nickel-Chrom-Verbindungen, sowie gestapelte Schichtsysteme von diesen Metallen |
| Dicke | 2 μm | 0.2 μm–10 μm |
Tabelle 2
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In 6 ist eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Bei der in Verfahrensschritt CD gleichzeitig mehrere Laser zur Durchführung des LCP-Verfahrens eingesetzt werden, so dass in kostensparender Weise parallele linienartige lokale Öffnungen und entsprechende Dotierungen der Halbleiterschicht in den lokalen geöffneten Bereichen erzeugt werden (siehe 6 CD). Anschließend erfolgen analog die Verfahrensschritte e und f wie zuvor beschrieben.
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Hierdurch wird eine erhebliche Beschleunigung des Feststellungsprozesses erzielt.
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7 zeigt im oberen Bereich eine schematische perspektivische Ansicht der Rückseite einer photovoltaischen Solarzelle, welche zwei kammartig, ineinander verschränkte metallische Kontaktierungsstrukturen aufweist. Die Solarzelle stellt somit eine an sich bekannte rückseitenkontaktierte Solarzelle dar. Gemäß der Schnittlinie A-B ist im unteren Bereich eine schematische Schnittdarstellung gezeigt.
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Zur Herstellung der in 7 dargestellten Metallisierungsstrukturen wurde ein Verfahren analog zu dem zweiten Ausführungsbeispiel, das heißt analog zu den 4 und 5 unter Verwendung des LCP-Verfahrens verwendet. Hierbei wurden jedoch bei benachbarten linienartig ausgebildeten lokalen Öffnungen einander entgegengesetzte Dotierstoffe mit zueinander entgegengesetzten Dotierungstypen verwendet, so dass – wie in 7 im unteren Bereich dargestellt – ein n-dotierter Bereich 5a und hierzu benachbart ein p-dotierter Bereich 6 erzeugt wurde. Die Halbleiterschicht 1 ist ebenfalls p-dotiert, wobei der Dotierungsbereich 6 eine hierzu höhere Dotierung aufweist, somit ein so genanntes Backsurfacefield (BSF) ausbildet. Der Dotierbereich 5a stellt somit den Emitter dar, welcher zu der Basis einen pn-Übergang ausbildet.
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Es ist somit mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in einfacher Weise eine rückseitenkontaktierte Solarzelle, welche darüber hinaus in den Bereichen der elektrischen Kontaktierung der Basis mittels einer Metallstruktur einen hochdotierten, gegenüber der restlichen Basis höher dotierten Bereich aufweist, so dass zusätzlich ohmsche Verluste vermieden werden.
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Im unteren Bereich der 7 ist somit die Rückseite der Solarzelle oben liegend und die vordere Seite der Solarzelle untenliegend dargestellt, wobei an der Vorderseite zusätzlich eine reflektionsverminderndes Siliziumnitridschicht zur Erhöhung des Lichteinfalls ausgebildet ist.
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Die Parameter sind vorzugsweise gemäß Tabelle 2 gewählt.
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In den 8 und 9 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, welches auf dem in den 4 und 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens aufbaut: In einem Verfahrensschritt a werden sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite des als Siliziumwafer ausgebildeten Halbleitersubstrates 1 jeweils eine Isolierungsschicht 2 und 2a und hierauf in Verfahrensschritt b jeweils eine Lift-off-Schicht 3 und 3a ausgebildet. Das Ergebnis ist in 8a, 8b dargestellt.
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In einem Verfahrensschritt CD wird nun mittels des LCP-Verfahrens analog zu dem zu 4 beschriebenen Verfahrensschritt CD sowohl Lift-off-Schicht, als auch Isolierungsschicht lokal geöffnet und gleichzeitig an der im geöffneten Bereich liegenden Oberfläche der Halbleiterschicht 1 jeweils aufgrund von im Flüssigkeitsstrahl enthaltender Dotierstoffe ein Dotierungsbereich ausgebildet.
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Hierbei wird auf der Vorderseite der Solarzelle durch Verwendung eines Dotierstoffes 5 ein n-dotierter Bereich 5a erzeugt und auf der Rückseite der Solarzelle durch Verwendung eines Dotierstoffes 6 ein p-dotierter Bereich 6a erzeugt.
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Entsprechend erfolgt in Verfahrensschritt e ein Aufbringen einer metallischen Schicht 4 sowohl auf die Vorder- als auch auf die Rückseite. Das Ergebnis ist in 9e dargestellt.
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Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt f ein nasschemisches Entfernen sowohl der Lift-off-Schicht 3 auf der Vorderseite als auf der Lift-off-Schicht 3a auf der Rückseite (siehe 9f).
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Auch hier weist das Halbleitersubstrat 1 eine p-Dotierung als Basisdotierung auf, so dass in diesem Ausführungsbeispiel somit an der Vorderseite der Solarzelle in den Bereichen 5a ein Emitter ausgebildet wird, welcher durch die Metallisierung 4a kontaktiert ist und an der Rückseite der Solarzelle Bereiche mit hoher Basisdotierung 6a ausgebildet werden, welche durch die Metallstrukturen 4'a kontaktiert sind.
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Die Parameter sind vorzugsweise gemäß Tabelle 2 gewählt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Knorz, A., A. Grohe, and R. Preu. Laser ablation of etch resists for structuring and lift-off processes. in Proceedings of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference. 2009. Hamburg, Germany [0004]
- Kray, D., et al., Laser Chemical Processing (LCP) – A versatile tool for microstructing applications. Applied Physics A, 2008 [0022]
