DE102011055143A1

DE102011055143A1 - Beidseitig kontaktierte Halbleiterwafer-Solarzelle mit oberflächenpassivierter Rückseite

Info

Publication number: DE102011055143A1
Application number: DE102011055143A
Authority: DE
Inventors: Max Köntopp; Stefan Peters; Andreas Mohr; Andrey STEKOLNIKOV; Matthias Hofmann; Maximilian Scherff
Original assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2013-05-08
Also published as: CN104145343A; WO2013067998A1; CN104145343B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine beidseitig kontaktierte Halbleiterwafer-Solarzelle (31) mit oberflächenpassivierter Rückseite aufweisend: einen Halbleiterwafer aus einem Halbleitermaterial mit • einer für den Lichteinfall vorgesehenen Frontseite mit einer Frontseitenelektrodenstruktur und • einer Rückseite mit einer Rückseitenoberfläche (38), die mittels einer dielektrischen Passivierungsschicht oberflächenpassiviert ist, und auf der Passivierungsschicht eine versinterte Metallpartikel umfassende Rückseitenmetallelektrodenstruktur(39) angeordnet ist und die Rückseitenmetallelektrodenstruktur (39) das Halbleitermaterial des Halbleiterwafers über eine Vielzahl lokaler Kontaktbereiche (36) elektrisch kontaktiert, wobei die Kontaktbereiche (36) als Öffnungen der Passivierungsschicht ausgebildet sind und insgesamt eine elektrische Kontaktfläche von weniger als 5%, bevorzugt von weniger als 2%, der Rückseitenoberfläche (38) einnehmen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Rückseitenmetallelektrodenstruktur (39) weniger als 95% und mehr als 6%, 10%, 20% oder 50%, bevorzugt weniger als 75% und mehr als 6%, 10%, 20% oder 50%, besonders bevorzugt weniger als 50% und mehr als 6%, 10% oder 20% oder weniger als 25% und mehr als 6% oder 10% der Rückseitenoberfläche (38) bedeckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine beidseitig kontaktierte Halbleiterwafer-Solarzelle mit oberflächenpassivierter Rückseite. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Solarmodul, das derartige Halbleiterwafer-Solarzellen enthält.
Eine solche beidseitig kontaktierte Halbleiterwafer-Solarzelle mit oberflächenpassivierter Rückseite weist einen Halbleiterwafer aus einem Halbleitermaterial mit einer für den Lichteinfall vorgesehenen Frontseite mit einer Frontseitenelektrodenstruktur und einer Rückseite mit einer Rückseitenoberfläche auf, die mittels einer dielektrischen Passivierungsschicht oberflächenpassiviert ist. Auf der Passivierungsschicht ist eine versinterte Metallpartikel umfassende Rückseitenmetallelektrodenstruktur angeordnet. Die Rückseitenmetallelektrodenstruktur kontaktiert das Halbleitermaterial des Halbleiterwafers über eine Vielzahl lokaler Kontaktbereiche elektrisch. Dabei sind die Kontaktbereiche als Öffnungen der Passivierungsschicht ausgebildet und nehmen insgesamt eine elektrische Kontaktfläche von weniger als 5%, bevorzugt von weniger als 2%, der Rückseitenoberfläche ein.
Eine derartige Halbleiterwafer-Solarzelle wird auch als (Passivated Emitter and Rear Cell) PERC-Zelle bezeichnet. Zur Herstellung der lokal begrenzten elektrischen Kontaktbereiche einer solchen Solarzelle sind verschiedene Verfahren bekannt. Dazu zählen insbesondere LFC (Laser Fired Contacts), dabei wird zunächst eine vollflächige Passivierungsschicht abgeschieden, auf die anschließend mittels Siebdruck die Rückseitenmetallelektrodenstruktur aufgebracht wird. Nach dem Feuern der Elektrodenstruktur werden mit Hilfe eines Lasers elektrische Kontaktbereiche in dieses Schichtpaket „hineingeschossen“. Das heißt, der Laserstrahl schmilzt das Material lokal auf, so dass die Rückseitenmetallelektrodenstruktur durch die Passivierungsschicht hindurch in elektrischen Kontakt mit der Halbleiterstruktur des Wafers gelangt.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin mittels Laserablation nach dem vollflächigen Abscheiden der Passivierungsschicht diese an definierten Stellen lokal wieder abzutragen.
Eine an definierten Stellen geöffnete Passivierungsschicht ist auch durch einen nasschemischen Prozess möglich. Dazu wird die vollflächige Passivierungsschicht beispielsweise mittels eines Inkjet-Verfahrens mit einer Maske versehen, die die definierten Öffnungen aufweist. Anschließend wird die Passivierungsschicht durch die Öffnungen hindurch nasschemisch entfernt, und am Ende entfernt man die applizierte Maskierungsschicht.
Wenn aus derartigen Halbleiterwafer-Solarzellen ein Solarmodul aufgebaut wird, ist auf der Rückseite des Solarmoduls zwischen den Solarzellen und der rückseitigen polymeren Rückseitenverkapselungsfolie üblicherweise ein Einbettungsmaterial vorgesehen. Die Solarzellen, die Verkapselungsfolie und das Einbettungsmaterial werden während eines Laminationsprozesses erhöhtem Druck und Temperatur ausgesetzt. Dabei kommt es üblicherweise zu einem Aufschmelzen und Vernetzen des Einbettungsmaterials, so dass dieses mit den Rückseiten der Halbleiterwafer-Solarzellen einen stabilen Verbund bildet.
Die mittels Siebdruck aus metallhaltigen Pasten hergestellten rückseitigen Metallelektrodenstrukturen von Halbleiterwafer-Solarzellen weisen aufgrund ihres Aufbaus aus gesinterten Metallpartikeln regelmäßig eine gewisse Porosität auf.
Bei diesen Rückseitenmetallelektrodenstrukturen besteht das Problem, dass bei der Solarmodulherstellung nach dem Laminationsprozess die Haftung des rückseitigen Laminatverbundes mit dem Halbleitermaterial der Solarzelle nicht hinreichend langzeitstabil ist.
Es wurde festgestellt, dass die mechanische Stabilität von Rückseitenelektrodenstrukturen, die mittels Siebdruck aus Metall-Pasten oder mittels Inkjet-Verfahren aus metallpartikelhaltigen Tinten hergestellt wurden, nicht ausreicht, um einen langzeitstabilen Verbund der Halbleiterwafer-Solarzelle mit dem rückseitigen Solarmodul-Einbettungsmaterial zu gewährleisten. Es wurde beobachtet, dass die gesinterten Metallstrukturen der Rückseitenelektrode in sich reißen, d.h. die Haftungen des Einbettungsmaterials an der Oberfläche der Metallstrukturen besser sind, als die innere mechanische Stabilität der Metallstrukturen. Dies stellt angesichts der thermisch mechanischen Belastungen innerhalb der üblichen zwanzigjährigen Gewährleistungszeit für Solarmodule ein nicht hinnehmbares Risiko dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine beidseitig kontaktierte Halbleiterwafer-Solarzelle mit oberflächenpassivierter Rückseite zur Verfügung zu stellen, die geeignet ist, mit einem Einbettungsmaterial und einem Rückseitenverkapselungsmaterial einen hinreichend langzeitstabilen Verbund zu bilden.
Diese Aufgabe wird durch eine Halbleiterwafer-Solarzelle nach Anspruch 1 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen aufgezeigt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Rückseitenmetallelektrodenstruktur weniger als 95% und mehr als 6%, 10%, 20% oder 50%, bevorzugt weniger als 75% und mehr als 6%, 10%, 20% oder 50%, besonders bevorzugt weniger als 50% und mehr als 6%, 10% oder 20% oder weniger als 25% und mehr als 6% oder 10% der Rückseitenoberfläche bedeckt.
Dadurch, dass die Rückseitenmetallelektrodenstruktur nicht die vollständige Rückseitenseitenoberfläche bedeckt, wird die Möglichkeit geschaffen, dass beim Laminationsprozess das Einbettungsmaterial an die unbedeckten Bereiche der Rückseitenoberfläche gelangen kann. Es wurde festgestellt, dass die Haftung des Einbettungsmaterials auf der frei liegenden Passivierungsschicht oder dem frei liegenden Halbleiterwafer hinreichend langzeitstabil ist. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Solarzelle ermöglicht daher die Herstellung eines abrissfesten Solarmodul-Verbunds zwischen Rückseitenverkapselungsmaterial und Solarzellen-Rückseitenoberfläche.
Der Halbleiterwafer kann ein Substrat vom p-Typ oder n-Typ sein. Das Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium. An den lokalen Kontaktbereichen mit der Rückseitenmetallelektrodenstruktur kann das Silizium dotiert sein.
Die Passivierungsschicht umfasst mindestens eine Schicht. Sie kann beispielsweise Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxynitrid aufweisen.
Die Halbleiterwafer-Solarzelle weist eine nicht vollflächige Rückseitenmetallelektrodenstruktur auf. Darüber hinaus ist der elektrische Kontakt zwischen Rückseitenmetallelektrodenstruktur und Halbleiterwafer nur lokal ausgeführt, d.h. nur ein Teil der Rückseitenmetallelektrodenstruktur steht mit dem Halbleiter in elektrischem Kontakt und der restliche Anteil der Rückseitenmetallelektrodenstruktur ist durch die Passivierungsschicht vom Halbleiterwafer getrennt. Die Rückseitenmetallelektrodenstruktur erstreckt sich nicht ganzflächig über die Rückseitenoberfläche, sondern bedeckt nur einen Teil der Rückseitenoberfläche, so dass Bereiche ohne Rückseitenmetallelektrodenstruktur vorhanden sind, die beim Laminieren direkt mit dem Einbettungsmaterial in Kontakt treten können. Wenn die Rückseitenoberfläche mit Einbettungsmaterial laminiert wird, bewirken diese Bereiche eine hinreichende Haftung des gesamten Einbettungsmaterials mit der gesamten Zellrückseite. Bereiche, in denen das Einbettungsmaterial auf der Rückseitenmetallelektrodenstruktur haftet, wechseln sich mit Bereichen ab, wo das Einbettungsmaterial auf der Passivierungsschicht und/oder dem Halbleitermaterial des Halbleiterwafers haftet. Somit verhindert die gute Haftung in den Bereichen ohne Metallstruktur ein Abreißen in den benachbarten Bereichen, wo das Einbettungsmaterial auf der Metallstruktur haftet.
Die Frontseite kann auf verschiedene Weisen ausgestaltet sein. Beispielsweise kann auf der Frontseite des Halbleiterwafers eine Frontseitenelektrodenstruktur angeordnet sein, die als herkömmliche Elektrodenfingerstruktur mit senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Elektrodenfinger verlaufenden Busbars oder Lötpads ausgebildet ist.
Es jedoch ebenso möglich, die Rückseitenmetallelektrodenstruktur wie die vorangehend beschriebene Frontseitenelektrodenstruktur auszubilden.
Die Rückseitenmetallelektrodenstruktur bedeckt weniger als 95% und mehr als 6%, 10%, 20% oder 50% der Rückseitenoberfläche. Wenn die Rückseitenmetallelektrodenstruktur mehr als 95% der Rückseitenoberfläche bedeckt, bietet die Halbleiterwafer-Solarzelle nicht ausreichend große Bereiche zur Anordnung des Einbettungsmaterials zur Befestigung mit dem Rückseitenverkapselungsmaterial und ist daher nicht zur Herstellung in ein hinreichend langzeitstabiles Solarmodul geeignet. Ob der Anteil der Rückseitenmetallisierung mehr als 6%, 10%, 20% oder 50% der Rückseitenoberfläche einnehmen muss, hängt von den strukturellen und funktionalen Eigenschaften der Halbleiterwafer-Solarzellen ab. Grundsätzlich steigt mit dem Flächenanteil der Freibereiche auf der Rückseitenmetallisierung der Serienflächenwiderstand an. Der durch die Freibereiche verursachte Anstieg sollte unter 0,2 Ohm·cm² liegen. Je besser die Flächenleitfähigkeit der Paste ist, desto mehr Freibereiche können vorgesehen werden, ohne dass dadurch die vorangehend genannte Schwelle für die Flächenleitfähigkeit überschritten wird. Bei einer bifacialen Zelle, die für bifaciale Solarmodule benötigt wird, kann der Anteil der Rückseitenmetallisierung im Bereich von 6% oder 10% liegen. Außerdem könnte ein derartig großer Anteil an Freibereichen erforderlich sein, wenn die Haftung zwischen dem Halbleiterwafer und dem Einbettungsmaterial für die Rückseitenverkapselungsschicht gering ist. Um bei der Zellherstellung einen hinreichend geringen Serienflächenwiderstand zu erreichen, können bei der Siebdruckherstellung der Rückseitenmetallisierung durch Anwenden einer Mehrfachbedruckung besonders hohe Strukturen erzeugt werden.
Bevorzugt bedeckt die Rückseitenmetallelektrodenstruktur weniger als 75% und mehr als 6%, 10%, 20% oder 50% der Rückseitenoberfläche. Wenn die Rückseitenmetallelektrodenstruktur weniger als 75% der Rückseitenoberfläche bedeckt, wird eine Struktur bereitgestellt, die eine noch bessere Verankerung des Einbettungsmaterials auf der Solarzellen-Rückseite ermöglicht. Bevorzugt beträgt der Anteil der Rückseitenmetallisierung mehr als 50% und weniger als 75%. Mit solch einem Anteil werden sowohl ein zufrieden stellender Wirkungsgrad als auch ein abrissfester Solarmodul-Verbund zwischen Rückseitenverkapselungsmaterial und Solarzellen-Rückseitenoberfläche gewährleistet.
Besonders bevorzugt bedeckt die Rückseitenmetallelektrodenstruktur weniger als 50% und mehr als 6%, 10% oder 20% der Rückseitenoberfläche. Wenn die Rückseitenmetallelektrodenstruktur weniger als 50% der Rückseitenoberfläche bedeckt, nehmen die nicht von Rückseitenmetallelektroden bedeckten Flächen mehr als 50% der Rückseitenoberfläche ein, so dass eine besonders sichere langzeitstabile Verkapselung dieser Halbleiterwafer-Solarzellen im Solarmodul gewährleistet ist.
Noch bevorzugter bedeckt die Rückseitenmetallelektrodenstruktur weniger als 25% und mehr als 6% oder 10% der Rückseitenoberfläche. Wenn die Rückseitenmetallelektrodenstruktur weniger als 25% der Rückseitenoberfläche bedeckt, kann die Haftung des Einbettungsmaterials auf der Rückseitenoberfläche der Halbleiterwafer-Solarzellen noch besser gewährleistet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Passivierungsschicht und/oder das Halbleitermaterial in nicht von der Rückseitenmetallelektrodenstruktur abgedeckten Freibereichen frei. Die Rückseitenmetallelektrodenstruktur weist Zellverbinder-Kontaktabschnitte auf. Das Freiliegen der Passivierungsschicht und/oder des Halbleitermaterials in den Freibereichen ermöglicht einem Einbettungsmaterial, das als Haftmaterial zur Befestigung des Rückseitenverkapselungsmaterials auf die Rückseite der Halbleiterwafer-Solarzelle auflaminiert wird, einen direkten Kontakt mit der Passivierungsschicht und/oder dem Halbleitermaterial herzustellen. Die üblicherweise eingesetzten Einbettungsmaterialien, wie insbesondere Ethylenvinylacetat, zeigen nach dem Laminiervorgang eine hinreichend hohe und langzeitstabile Haftung auf Halbleiteroberflächen und/oder den Oberflächen üblicher Passivierungsschichten. Daher wird die Abrissfestigkeit der Rückseitenverkapselungsfolie des nach der Laminierung entstandenen Verbunds durch diese Freibereiche optimiert.
Der Flächenanteil und die Gestaltung der Freibereiche können variieren. Die Gestaltung wird entsprechend der verwendeten Zellstruktur, durch den erforderlichen Pitch der lokalen Kontaktbereiche und den lateralen Stromfluss zu Zellverbinder-Kontaktabschnitten beeinflusst. Die Freibereiche überlappen sich in optimierten Ausführungsformen der Halbleiterwafer-Solarzelle nicht mit den Kontaktbereichen und den Zellverbinder-Kontaktabschnitten, die zu der Kontaktierung der Halbleiterwafer-Solarzelle mit anderen Halbleiterwafer-Solarzellen zur Herstellung eines Solarmoduls eingesetzt werden. Die Zellverbinder-Kontaktabschnitte können als Pad oder als Busbar ausgestaltet sein.
Vorzugsweise weisen die Freibereiche eine gleiche Form auf. Dies hat den Vorteil, dass die Halbleiterwafer-Solarzelle gleichmäßig geformte Freibereiche bereitstellt, die mechanisch betrachtet eine über die Fläche betrachtet gleichmäßige Haftung des Einbettungsmaterials bewirkt. Somit kann im Verbund der Halbleiterwafer-Solarzelle mit Einbettungsmaterial und Rückseitenverkapselungsmaterial eine gleichförmige Haftung erzielt werden.
In einer bevorzugten Variante weisen die Freibereiche zusätzlich zur gleichen Form eine gleiche Größe auf. Dadurch, dass die Freibereiche die gleiche Größe aufweisen, stellt die Halbleiterwafer-Solarzelle über ihren gesamten Rückseitenbereich eine gleichmäßige Struktur an Freibereichen bereit. Die Halbleiterwafer-Solarzelle stellt eine Rückseitenstruktur bereit, die eine gleichmäßige Haftung an dem an ihr zu befestigenden Rückseitenverkapselungsmaterial gewährleistet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Freibereiche eine kreis-, stern-, linien- oder keilförmige Form auf. Kreisförmige Freibereiche stellen Flächen ohne Ecken und Kanten dar, die dadurch zur umgebenden Metallstruktur eine besonders gleichmäßige Haftung des Einbettungsmaterials an der Rückseite der Halbleiterwafer-Solarzelle realisiert. Keilförmige Freibereiche ermöglichen auf einfache Weise die Erzeugung von Strukturen, bei denen die räumliche Ausdehnung des Freibereichs von den Zellverbinder-Kontaktabschnitten weg weist, sodass die Struktur der durch die Freibereiche unterbrochenen Rückseitenmetallelektrodenstruktur derart strukturiert ist, dass diese optimal an den Stromfluss in der Rückseitenmetallelektrodenstruktur angepasst ist.
Vorzugsweise weisen die Freibereiche eine kreisförmige Gestalt auf, wenn weniger als 50% und mehr als 6%, 10% oder 20% der Rückseitenoberfläche von der Rückseitenmetallelektrodenstruktur bedeckt sind. Die kreisförmigen Freibereiche können abseits der Zellverbinder-Kontaktabschnitte in gleicher oder in unterschiedlichen Größen homogen, d.h. mit gleichbleibendem Anteil an der Rückseitenoberfläche, über die Rückseitenoberfläche verteilt sein. Alternativ nimmt der Flächenanteil der Freibereiche an der Rückseitenoberfläche mit der Entfernung zu den Zellverbinder-Kontaktabschnitten zu.
In einer anderen Variante weisen die Freibereiche vorzugsweise eine linienförmige Gestalt auf, wenn weniger als 95% und mehr als 6%, 10% oder 20% der Rückseitenoberfläche von der Rückseitenmetallelektrodenstruktur bedeckt sind. Die linienförmigen Freibereiche können abseits der Zellverbinder-Kontaktabschnitte in gleicher oder in unterschiedlichen Größen homogen, d.h. mit gleichbleibendem Anteil an der Rückseitenoberfläche, über die Rückseitenoberfläche verteilt sein. Alternativ nimmt der Flächenanteil der Freibereiche an der Rückseitenoberfläche mit der Entfernung zu den Zellverbinder-Kontaktabschnitten zu.
Bevorzugt sind die Freibereiche derart auf der Rückseitenoberfläche verteilt, dass der Flächenanteil der Freibereiche verglichen mit dem Flächenanteil der Rückseitenmetallelektrodenstruktur mit steigendem Abstand zu den Zellverbinder-Kontaktabschnitten zunimmt. Der laterale Widerstand der Rückseitenmetallelektrodenstruktur nimmt dadurch in Richtung der Zellverbinder-Kontaktabschnitte ab. Dadurch steigt der Flächenanteil der Metallstruktur der Rückelektrode je näher man an die Zellverbinder-Metallstruktur kommt, was der in dieser Richtung zunehmenden Stromstärke in der Metallstruktur Rechnung trägt.
In einer weiteren bevorzugten Variante sind die Freibereiche auf über 80% der Rückseitenoberfläche gleichmäßig verteilt, d.h. sie nehmen einen gleichmäßigen Anteil der Rückseitenoberfläche im Verhältnis zur Metallstruktur ein. Eine derartige Verteilung der Freibereiche bietet die Möglichkeit der Verankerung des Einbettungsmaterials in ausreichendem Maße an der Rückseitenoberfläche. Wenn das Einbettungsmaterial für das Rückseitenverkapselungsmaterial auf über 80% der Rückseitenoberfläche gleichmäßig verankert ist, wird eine für die geforderte Langzeitstabilität ausreichende Haftung zwischen Rückseitenoberfläche und Rückseitenverkapselungsmaterial erzielt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Rückseitenmetallelektrodenstruktur eine Schichtdicke auf, die mit steigendem Abstand zu den Zellverbinder-Kontaktabschnitten abnimmt. Alternativ oder kumulativ zur vorangehend beschriebenen erhöhten Flächendichte der Metallstruktur in Richtung der Zellverbinder-Kontaktabschnitte ist die Erhöhung der Schichtdicke der Metallstruktur eine weitere strukturelle Maßnahme, um den lateralen Leitungswiderstand der Metallstruktur an die steigende Stromstärke anzupassen.
Bevorzugt sind die Kontaktbereiche für die elektrische Kontaktierung der Rückseitenelektrode mit dem Halbleitermaterial des Wafers durch die Passivierungsschicht hindurch in einem regelmäßigen zweidimensionalen Kontaktraster auf der Rückseitenoberfläche angeordnet, wobei die Freibereiche in Zwischenbereichen des Kontaktrasters verteilt angeordnet sind. Dadurch wird der Stromfluss aus dem Halbleiterwafer heraus durch die Kontaktbereiche nicht durch ganze oder teilweise überlappende Freibereiche gestört bzw. unterbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Passivierungsschicht als Dünnschichtstapel aufgebaut. Der Dünnschichtstapel weist mindestens eine unmittelbar auf dem Halbleitermaterial aufgebrachte Passivierungsschicht und mindestens eine zweite Schicht auf, die ebenfalls Passivierungseigenschaften aufweisen kann oder nicht. Als bevorzugte Variante einer als Dünnschichtstapel aufgebauten Passivierungsschicht weist der Dünnschichtstapel als oberste Schicht eine Haftvermittlerschicht auf. Die oberste Schicht ist die Schicht, auf der die Rückseitenmetallelektrodenstruktur bzw. beim Laminieren das Einbettungsmaterial angeordnet ist. Wenn die Haftvermittlerschicht mit dem Einbettungsmaterial kontaktiert wird, bildet sich eine besonders gute Haftung aus. Durch den Kontakt des Einbettungsmaterials mit der obersten Schicht des Passivierungsschichtstapels wird eine ausreichende Haftung des herzustellenden Gesamtverbunds aus Solarzelle/Einbettungsmaterial/Rückseitenverkapselungsmaterial gewährleistet.
Die Passivierungsschicht kann transparent sein. In diesem Fall kann über die Freibereiche auch durch auf die Rückseite der Halbeiter-Solarzelle einfallendes Licht Strom erzeugt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls ein Solarmodul, das mindestens eine erfindungsgemäße Halbleiterwafer-Solarzelle umfasst. Das Solarmodul weist eine Frontseitenverkapselungsschicht, eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Halbleiterwafer-Solarzellen und eine Rückseitenverkapselungsschicht auf. Zwischen der Rückseitenverkapselungsschicht und in den Rückseitenoberflächen der Halbleiterwafer-Solarzellen ist ein Einbettungsmaterial eingeschlossen. Mit den erfindungsgemäßen Halbeiterwafer-Solarzellen wird ein hinreichend abreißfester Modulverbund zwischen Rückseitenverkapselungsschicht und Rückseitenoberflächen der Halbleiterwafer-Solarzellen gewährleistet. Als Einbettungsmaterial kommt insbesondere Ethylenvinylacetat in Frage. Weitere Beispiele für das Einbettungsmaterial sind Silikongummi, Polyvinylbutyral, Polyurethan oder Polyacrylat. Die Frontseitenverkapselungsschicht kann beispielsweise Glas umfassen. Beispiele für die Rückseitenverkapselungsschicht sind beispielsweise eine Rückseitenfolie aus TEDLAR ^® (eingetragenes Markenzeichen der DuPont, Wilmington, USA).
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Halbleiterwafer-Solarzelle werden anhand der nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen erläutert.
Es zeigt:
1 schematisch die Frontseite einer erfindungsgemäßen Halbleiterwafer-Solarzelle in Draufsicht;
2 schematisch einen Teil der Rückseitenoberfläche einer erfindungsgemäßen Halbleiterwafer-Solarzelle in Draufsicht;
3 schematisch einen Teil der Rückseitenoberfläche einer weiteren erfindungsgemäßen Halbleiterwafer-Solarzelle in Draufsicht;
4 schematisch einen Teil der Rückseitenoberfläche einer weiteren erfindungsgemäßen Halbleiterwafer-Solarzelle in Draufsicht; und
5 schematisch einen Teil der Rückseitenoberfläche einer weiteren erfindungsgemäßen Halbleiterwafer-Solarzelle in Draufsicht.
1 zeigt schematisch die Frontseite einer erfindungsgemäßen Halbleiterwafer-Solarzelle 11 in Draufsicht. Auf der für den Lichteinfall vorgesehenen Frontseite 13 ist der zur Solarzelle prozessierte Halbleiterwafer sichtbar. Auf der Frontseite 13 des Halbleiterwafers ist eine Frontseitenelektrodenstruktur 15 angeordnet. Die Frontseitenelektrodenstruktur 15 ist als typische Elektrodenfingerstruktur mit zwei senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Elektrodenfinger verlaufenden Busbars 17 ausgebildet. Die in 1 dargestellte Halbleiterwafer-Solarzelle 11 weist eine der in den 2 bis 5 gezeigten Varianten zur Ausbildung der Rückseite auf. Je nach Ausführungsform ihrer Rückseite entspricht die Halbleiterwafer-Solarzelle 11 daher den nachstehend beschriebenen Halbleiterwafer-Solarzellen 21, 31, 41 bzw. 51. Es ist jedoch auch möglich, dass die Rückseitenmetallelektrodenstruktur wie die in 1 dargestellte Frontseitenelektrodenstruktur 15 ausgebildet ist.
2 zeigt schematisch einen Teil der Rückseitenoberfläche 28 einer erfindungsgemäßen Halbleiterwafer-Solarzelle 21 in Draufsicht. Auf der Rückseitenoberfläche 28 ist die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 29 weiß dargestellt. Die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 29 weist Zellverbinder-Kontaktabschnitte 22, von denen hier nur einer gezeigt ist, auf, die eine Verschaltung der Halbleiterwafer-Solarzelle 21 mit weiteren Halbleiterwafer-Solarzellen beispielsweise mittels Kontaktbändchens zu einem Solarzellenstring für den Solarmodulbau ermöglicht. Die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 29 bedeckt nicht die ganze Rückseitenfläche des rückseitenoberflächenpassivierten Halbleiterwafers der Halbleiterwafer-Solarzelle 21, vielmehr liegen die Passivierungsschicht und/oder das Halbleitermaterial in nicht von der Rückseitenmetallelektrodenstruktur 29 abgedeckten Freibereichen 24 derart frei, dass die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 29 weniger als 95% und mehr als 6%, 10%, 20% oder 50% der Rückseite bedeckt. Die Freibereiche 24 weisen bei dieser Variante eine keilförmige Gestalt und jeweils die gleiche Größe auf. Die Spitze der Keilform ist zu dem Zellverbinder-Kontaktabschnitt 22 hin orientiert, der zu dem jeweiligen Freibereich 24 am nächsten liegt. D.h., die Freibereiche 24 sind derart auf der Rückseitenoberfläche 28 verteilt, dass der Flächenanteil der Freibereiche 24 verglichen mit dem Flächenanteil der Rückseitenmetallelektrodenstruktur 29 mit steigendem Abstand zu dem Zellverbinder-Kontaktabschnitt 22 zunimmt. Dies wird nicht nur durch die Keilform der Freibereiche 24 realisiert, sondern zusätzlich durch die Aufteilung der Keilform ab einer gewissen Breite in mehrere Keilformen. In 2 teilt sich ein keilförmiger Freibereich 24 ab einer vorbestimmten Breite in zwei keilförmige Freibereiche 24, deren Spitze ebenfalls zu dem Zellverbinder-Kontaktabschnitt 22 orientiert ist. Dadurch nimmt der laterale Widerstand der Rückseitenmetallelektrodenstruktur 29 in Richtung der Zellverbinder-Kontaktabschnitte 22 ab, und der Flächenanteil der Metallstruktur der Rückelektrode steigt, je näher man an die Zellverbinder-Metallstruktur kommt, was der in dieser Richtung zunehmenden Stromstärke in der Metallstruktur Rechnung trägt.
3 zeigt schematisch einen Teil der Rückseitenoberfläche 38 einer weiteren erfindungsgemäßen Halbleiterwafer-Solarzelle 31 in Draufsicht. Auf der Rückseitenoberfläche 38 ist die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 39 als weiß dargestellter Bereich sichtbar. Die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 39 kontaktiert das Halbleitermaterial des Halbleiterwafers über eine Vielzahl lokaler Kontaktbereiche 36 elektrisch, wobei die Kontaktbereiche 36 als Öffnungen oder Durchbrüche der Passivierungsschicht ausgebildet sind und insgesamt eine elektrische Kontaktfläche von weniger als 5% einnehmen. Diese Kontaktbereiche 36 weisen kreis- oder ovalartig üblicherweise Durchmesser im Bereich von 25 bis 70 µm auf und sind in einem Raster von beispielsweise 400 bis 800 µm angeordnet. Da es sich hier um eine schematische nicht maßstabsgetreue Darstellung handelt ist dieses feine Raster durch die punktförmig dargestellten Kontaktbereiche 36 nur angedeutet. Die Kontaktbereiche 36 sind auf der Rückseite der Halbleiterwafer-Solarzelle 31 nur dann sichtbar, wenn diese nach der Rückseitenmetallisierung als Laser Fired Contacts (LFC) realisiert sind. Wenn die Kontaktbereiche 36 vor der Rückseitenmetallisierung in die Passivierungsschicht eingebracht werden, beispielsweise durch Laserablation oder durch ein Masken-Ätzverfahren, so sind die Kontaktbereiche 36 durch die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 39 abgedeckt und somit nicht sichtbar.
Die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 39 ist bei dieser Variante durch periodisch angeordnete, gleich große, kreisförmige Freibereiche 34 unterbrochen, in denen die Passivierungsschicht und/oder der Halbleiter der Halbleiterwafer-Solarzelle 31 frei liegt. Die Kontaktbereiche 36 und die Freibereiche 34 überlappen im Wesentlichen nicht. Die Freibereiche 34 liegen derart frei, dass die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 39 weniger als 95% und mehr als 6%, 10%, 20% oder 50% der Rückseitenoberfläche 38 bedeckt. Genauso wie die Kontaktbereiche 36 sind die Freibereiche 34 über die Rückseitenoberfläche 38 homogen verteilt. Die homogene Verteilung der Freibereiche 34 ermöglicht eine gleichmäßige Verankerung eines Einbettungsmaterials, wenn die Halbleiterwafer-Solarzelle 31 als Bestandteil eines Solarzellenstrings in ein Solarmodul einlaminiert wird. Zur Unterstützung der Verankerung des Einbettungsmaterials kann die Passivierungsschicht als Dünnschichtstapel ausgebildet sein, dessen oberste Schicht eine Haftvermittlerschicht ist. Weiterhin ist auf der Rückseitenoberfläche 38 ein Zellverbinder-Kontaktabschnitt 32 in Form eines Lötpads sichtbar, der eine Verschaltung der Halbleiterwafer-Solarzelle 31 mit weiteren Halbleiterwafer-Solarzellen beispielsweise mittels Kontaktbändchens ermöglicht.
4 zeigt schematisch einen Teil der Rückseitenoberfläche 48 einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Halbleiterwafer-Solarzelle 41 in Draufsicht. Auf der Rückseitenoberfläche 48 ist die weiß dargestellte Rückseitenmetallelektrodenstruktur 49 sichtbar. In der Rückseitenmetallelektrodenstruktur 49 sind wiederum Lötpad-förmige Zellverbinder-Kontaktabschnitte 42, von denen einer gezeigt ist, angeordnet, die eine Verschaltung der Halbleiterwafer-Solarzelle 41 mit weiteren Halbleiterwafer-Solarzellen beispielsweise mittels Kontaktbändchens ermöglichen. Die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 49 bedeckt nicht die ganze Fläche des rückseitenoberflächenpassivierten Halbleiterwafers der Halbleiterwafer-Solarzelle 41, vielmehr liegen die Passivierungsschicht und/oder das Halbleitermaterial in nicht von der Rückseitenmetallelektrodenstruktur 49 abgedeckten Freibereichen 44 derart frei, dass die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 49 weniger als 95% und mehr als 6%, 10%, 20% oder 50% der Rückseite bedeckt. Die Freibereiche 44a, 44b, 44c, 44d, 44d und 44e, die, wenn von ihnen als Einheit gesprochen wird, als Freibereiche 44 bezeichnet werden, weisen eine kreisförmige bzw. ovale Gestalt auf. Die Freibereiche 44a, 44b, 44c und 44d weisen eine kreisförmige Gestalt auf, während die Freibereiche 44e eine ovale Gestalt aufweisen. Anders als bei der in 3 dargestellten Variante weisen die Freibereiche 44 eine unterschiedliche Größe auf und sind derart auf der Rückseitenoberfläche verteilt, dass der Flächenanteil der Freibereiche 44 verglichen mit dem Flächenanteil der Rückseitenmetallelektrodenstruktur 49 mit steigendem Abstand zu den Zellverbinder-Kontaktabschnitten 42 zunimmt. Die Freibereiche 44a weisen eine kleinere Größe als die Freibereiche 44b auf. Bei gedanklichen Verbinden der Außenkontour eines Freibereichs 44a mit der Außenkontour eines oder zweier Freibereichen 44b kann eine keilförmige Gestalt erkannt werden, deren Spitze durch den Freibereich 44a ausgebildet wird, die zu dem Zellverbinder-Kontaktabschnitt 42 hinweist. Die Freibereiche 44c weisen zwar eine kleinere Größe als die Freibereiche 44b auf, sind aber derart angeordnet, dass ein Freibereich 44b zusammen mit zwei Freibereichen 44c eine keilförmige Gestalt ausbildet, deren Spitze zu dem Zellverbinder-Kontaktabschnitt 42 hinweist, wenn die Mittelpunkte der kreisförmigen Freibereiche 44b und 44c gedanklich miteinander verbunden werden. Die Freibereiche 44d weisen eine größere Größe als die Freibereiche 44c auf und sind derart angeordnet, dass ein Freibereich 44c zusammen mit zwei Freibereichen 44d eine keilförmige Gestalt ausbildet, deren Spitze zu dem Zellverbinder-Kontaktabschnitt 42 hinweist, wenn die Mittelpunkte der kreisförmigen Freibereiche 44c und 44d gedanklich miteinander verbunden werden. Die Freibereiche 44e weisen eine größere Größe als die Freibereiche 44a, 44b, 44c und 44d und eine ovale Gestalt auf. Die Freibereiche 44e sind in Bezug zu den Freibereichen 44d derart angeordnet, dass einige der Freibereiche 44d zusammen mit einem Freibereich 44e bei gedanklichem Verbinden der Außenkontouren eine keilförmige Gestalt ausbilden, dessen Spitze durch den jeweiligen Freibereich 44d gebildet wird. D.h., die Fläche der Freibereiche 44 nimmt mit steigendem Abstand von dem Zellverbinder-Kontaktabschnitt 42 zu. Dadurch nimmt der laterale Widerstand der Rückseitenmetallelektrodenstruktur 49 in Richtung des Zellverbinder-Kontaktabschnitts 42 ab, und der Flächenanteil der Metallstruktur der Rückelektrode steigt, je näher man an die Zellverbinder-Metallstruktur kommt, so dass in dieser Richtung die Stromstärke in der Metallstruktur zunimmt. In 4 sind wie in 3 schematisch die Kontaktbereiche 46 gezeigt, die den elektrischen Kontakt zwischen Halbleitermaterial und Rückseitenmetallelektrodenmaterial 49 darstellen. Die in 3 gemachten Ausführungen gelten daher hier entsprechend.
5 zeigt schematisch einen Teil der Rückseitenoberfläche 58 einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Halbleiterwafer-Solarzelle 51 in Draufsicht. Auf der Rückseitenoberfläche sind die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 59 und Lötpad-förmige Zellverbinder-Kontaktabschnitte 52 weiß dargestellt. Die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 59 bedeckt nicht die ganze Fläche des rückseitenoberflächenpassivierten Halbleiterwafers der Halbleiterwafer-Solarzelle 51, vielmehr liegen die Passivierungsschicht und/oder das Halbleitermaterial in nicht von der Rückseitenmetallelektrodenstruktur 59 abgedeckten, in dieser Figur grau dargestellten, Freibereichen 54 derart frei, dass die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 59 weniger als 50% und mehr als 6%, 10%, 20% der Rückseite bedeckt. Die Rückseitenmetallelektrodenstruktur 59 weist bei dieser Variante eine baumstrukturartige Gestalt auf, so dass der Flächenanteil der Freibereiche 54 verglichen mit dem Flächenanteil der Rückseitenmetallelektrodenstruktur 59 mit steigendem Abstand zu den Zellverbinder-Kontaktabschnitten 52 abnimmt. Die baumartige Gestalt der Rückseitenelektrodenstruktur 59 ist derart, dass von den Zellverbinder-Kontaktabschnitten 52 stammartige Strukturen wegführen, die sich mit weiterem Abstand zu den Kontaktabschnitten 52 verästeln.
Bezugszeichenliste

11: Halbleiterwafer-Solarzelle
13: Frontseite
15: Frontseitenelektrodenstruktur
17: Busbars
21: Halbleiterwafer-Solarzelle
22: Zellverbinder-Kontaktabschnitt
24: Freibereich
28: Rückseitenoberfläche
29: Rückseitenmetallelektrodenstruktur
31: Halbleiterwafer-Solarzelle
32: Zellverbinder-Kontaktabschnitt
34: Freibereich
36: Kontaktbereich
38: Rückseitenoberfläche
39: Rückseitenmetallelektrodenstruktur
41: Halbleiterwafer-Solarzelle
42: Zellverbinder-Kontaktabschnitt
44, 44a, 44b, 44c, 44d, 44e: Freibereiche
46: Kontaktbereich
48: Rückseitenoberfläche
49: Rückseitenmetallelektrodenstruktur
51: Halbleiterwafer-Solarzelle
52: Zellverbinder-Kontaktabschnitt
54: Freibereich
58: Rückseitenoberfläche
59: Rückseitenmetallelektrodenstruktur

Claims

Beidseitig kontaktierte Halbleiterwafer-Solarzelle (11, 21, 31, 41, 51) mit oberflächenpassivierter Rückseite aufweisend: einen Halbleiterwafer aus einem Halbleitermaterial mit • einer für den Lichteinfall vorgesehenen Frontseite (13) mit einer Frontseitenelektrodenstruktur (15) und • einer Rückseite mit einer Rückseitenoberfläche (28, 38, 48, 58), die mittels einer dielektrischen Passivierungsschicht oberflächenpassiviert ist, und auf der Passivierungsschicht eine versinterte Metallpartikel umfassende Rückseitenmetallelektrodenstruktur (29, 39, 49, 59) angeordnet ist und die Rückseitenmetallelektrodenstruktur (29, 39, 49, 59) das Halbleitermaterial des Halbleiterwafers über eine Vielzahl lokaler Kontaktbereiche (36, 46) elektrisch kontaktiert, wobei die Kontaktbereiche (36, 46) als Öffnungen der Passivierungsschicht ausgebildet sind und insgesamt eine elektrische Kontaktfläche von weniger als 5%, bevorzugt von weniger als 2%, der Rückseitenoberfläche (28, 38, 48, 58) einnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseitenmetallelektrodenstruktur (29, 39, 49, 59) weniger als 95% und mehr als 6%, 10%, 20% oder 50%, bevorzugt weniger als 75% und mehr als 6%, 10%, 20% oder 50%, besonders bevorzugt weniger als 50% und mehr als 6%, 10% oder 20% oder weniger als 25% und mehr als 6% oder 10% der Rückseitenoberfläche (28, 38, 48, 58) bedeckt.
Halbleiterwafer-Solarzelle (21, 31, 41, 51) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht und/oder das Halbleitermaterial in nicht von der Rückseitenmetallelektrodenstruktur (29, 39, 49, 59) abgedeckten Freibereichen (24, 34, 44, 54) frei liegen und die Rückseitenmetallelektrodenstruktur (29, 39, 49, 59) Zellverbinder-Kontaktabschnitte (22, 32, 42, 52) aufweist.
Halbleiterwafer-Solarzelle (21, 31, 41, 51) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Freibereiche (24, 34, 44, 54) eine gleiche Form aufweisen.
Halbleiterwafer-Solarzelle (21, 31, 51) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Freibereiche (24, 34, 54) eine gleiche Größe aufweisen.
Halbleiterwafer-Solarzelle (21, 31, 41) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Freibereiche (24, 34, 44) eine kreis-, stern-, linien- oder keilförmige Form aufweisen.
Halbleiterwafer-Solarzelle (21, 31, 41, 51) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Freibereiche (24, 34, 44, 54) auf über 80% der Rückseitenoberfläche (28, 38, 48, 58) gleichmäßig verteilt sind.
Halbleiterwafer-Solarzelle (21, 41, 51) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Freibereiche (24, 44, 54) derart auf der Rückseitenoberfläche (28, 48, 58) verteilt sind, dass der Flächenanteil der Freibereiche (24, 44, 54) verglichen mit dem Flächenanteil der Rückseitenmetallelektrodenstruktur (29, 49, 59) mit steigendem Abstand zu den Zellverbinder-Kontaktabschnitten (22, 42, 52) zunimmt.
Halbleiterwafer-Solarzelle (21, 31, 41, 51) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseitenmetallelektrodenstruktur (29, 39, 49, 59) eine Schichtdicke aufweist, die mit steigendem Abstand zu den Zellverbinder-Kontaktabschnitten (22, 32, 42, 52) abnimmt.
Halbleiterwafer-Solarzelle (31, 41) gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (36, 46) in einem regelmäßigen zweidimensionalen Kontaktraster auf der Rückseitenoberfläche (38, 48) angeordnet sind, wobei die Freibereiche (34, 44) in Zwischenbereichen des Kontaktrasters verteilt angeordnet sind.
Halbleiterwafer-Solarzelle (11, 21, 31, 41, 51) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht als Dünnschichtstapel aufgebaut ist.
Halbleiterwafer-Solarzelle (11, 21, 31, 41, 51) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Dünnschichtstapel als oberste Schicht eine Haftvermittlerschicht aufweist.
Solarmodul aufweisend eine Frontseitenverkapselungsschicht, eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Halbleiterwafer-Solarzellen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 und einer Rückseitenverkapselungsschicht, wobei zwischen der Rückseitenverkapselungsschicht und den Rückseitenoberflächen der Halbleiterwafer-Solarzellen ein Einbettungsmaterial eingeschlossen ist.