DE102011056087B4 - Solarzellen-Wafer und Verfahren zum Metallisieren einer Solarzelle - Google Patents

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Abstract

Solarzellen-Wafer, aufweisend:
• in zumindest einem ersten Bereich eine erste Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung, aufweisend zumindest: Aluminium-Partikel und Silizium-Partikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße in einem Bereich von ungefähr 0,5 µm bis ungefähr 20 µm, wobei der Masseanteil der Silizium-Partikel in einem Bereich von ungefähr 5% bis ungefähr 95% der Summe der Masseanteile der Silizium-Partikel und der Aluminium-Partikel liegt; und
• in zumindest einem zweiten Bereich eine zweite Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung, die im Wesentlichen frei von Silizium ist,
• wobei der zweite Bereich an den ersten Bereich lateral angrenzt.

Description

  • Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen eine Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung, eine Solarzelle und ein Verfahren zum Herstellen einer Metallisierungsstruktur.
  • Für die Herstellung einer Rückseitenmetallisierung einer Solarzelle wird im Allgemeinen eine Aluminium-Rückseitenpaste durch Siebdrucken auf die Rückseite der Solarzelle aufgedruckt und dann die Solarzelle mit der aufgedruckten Aluminium-Rückseitenpaste erhitzt. Die Aluminium-Rückseitenpaste ist hochgradig porös, um das Verbiegen der Solarzelle beim Abkühlen nach dem Erwärmen wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aluminiums der Rückseitenpaste und des Halbleitermaterials der Solarzelle zu vermeiden. Durch die Porosität der Aluminium-Rückseitenpaste (auch nach dem Aufdrucken und Erwärmen) verschlechtern sich die ohnehin schon schlechten mechanischen Eigenschaften des Aluminiums weiter; so nimmt beispielsweise die geringe Fließspannung des Aluminiums noch weiter ab.
  • Wegen der schlechten mechanischen Eigenschaften der Aluminium-Rückseitenpaste (bzw. von Schichten, die aus dieser bestehen) schlagen viele direkte Verbindungstechnologien von typischen Zellverbindern oder auch Drähten auf Aluminiumschichten, die mit solch einer herkömmlichen Aluminium-Rückseitenpaste gedruckt wurden, fehl, obwohl die Verbindung zwischen Zellverbinder und poröser Aluminiumschicht selbst sehr stabil ist, da die aufgedruckte Aluminiumschicht in-sich kohäsiv reißt.
  • Unter Verwendung einer herkömmlichen Aluminium-Rückseitenpaste kann somit mit Druckverfahren keine mechanisch stabile Aluminiumschicht auf eine Solarzelle aufgebracht werden, da diese entweder beim Abkühlen zu einer zu großen Verbiegung bzw. zum Bruch der Solarzelle führt, oder wegen ihrer Porosität, die notwendig ist, um die mechanischen Spannungen zu verhindern, schlechte mechanische Eigenschaften hat.
  • Um die Zellrückseite einer Solarzelle zu kontaktieren, werden aus diesen Gründen üblicherweise silberhaltige Busbars auf die Rückseite einer Solarzelle gedruckt. Silber ist jedoch teuer (ferner sind steigende Preise und eine Verknappung des Silbers für die Zukunft zu erwarten) und außerdem kann in den Bereichen, in denen ein silberhaltiger Busbar aufgedruckt ist, kein elektrisches Rückseitenfeld (auch bezeichnet als „back surface field“, kurz BSF) gebildet werden. Dies führt zu einer Verringerung der Effizienz der Solarzelle. Auch durch das Aufdrucken von so genannten Lötpads anstatt von durchgängigen Busbars kann auf den Einsatz von Silber nicht völlig verzichtet werden, noch kann auf diese Weise ein durchgängiges elektrisches Rückseitenfeld bereitgestellt werden.
  • DE 10 2009 034 594 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Silizium-Solarzelle mit ganzflächiger, legierter Rückseitenmetallisierung. Gemäß DE 10 2009 034 594 A1 wird eine dünne Aluminiumschicht auf die gesamte Rückseite einer Solarzelle aufgesputtert oder aufgedampft. Dann werden Rückseiten-Busbars unter Verwendung einer Silber- oder Silber-Aluminium-Paste aufgedruckt und im Folgenden wird der Bereich zwischen den Silber-aufweisenden Busbars mit einer dickeren Schicht aus Aluminium-Siebdruckpaste bedruckt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es aufgrund des Silberbedarfs und des Aufwands für den Verfahrensschritt zum Aufbringen der dünnen Aluminiumschicht kostenaufwändig ist.
  • US 4 029 605 A beschreibt Metallisierungsgemische, die ein elektrisch leitfähiges Metall, beispielsweise ein bestimmtes Alkalimetall, und eine kristallisierbare Fritte enthalten und im Feuerprozess auf dem Substrat eine leitfähige Metallbeschichtung bilden, die gute Haftung auf einer Reihe von Substraten aufweisen, wobei mittels Änderung der Zusammensetzung der Metallisierungsgemische eine Verbesserung der Haftung erzielt werden kann.
  • US 2011/0217809 A1 beschreibt das Bilden einer Silizium-Solarzelle, in der unter anderem zum Bilden der Rückseiten-Kontaktelektrode ein Aluminium-Tintengemisch auf der Rückseite des Siliziumwafers aufgedruckt wird, wobei die Rückseiten-Kontaktelektrode zum Bilden eines Ohm'schen Kontakts zwischen der Elektrode und der Siliziumschicht aufgesintert wird. Das Aluminium-Tintengemisch enthält dabei Aluminiumpulver, ein anorganisches Polymer und ein Dispersionsmittel.
  • Der Artikel „Al-Si Alloy Formation in Narrow P-Si-Contact Areas“ („Proceedings of the 2nd Workshop on Metallization for Crystalline Silicon Solar Cells“ 14./15. April 2010, Konstanz; S. 11-21) gibt eine spezifische Analyse der Bildung von lokalisierten Siebdruck-gedruckten Al-Si-Kontakten. Dabei hängt der Kontaktwiderstand von der Breite der Kontaktöffnungen ab und nimmt ab, wenn die Kontaktfläche reduziert wird, wobei die optimale Kontaktbildung für seitliche Kontaktbreiten von weniger als 50-80 µm beobachtet wird.
  • US 2010/0269893 A1 beschreibt Metallpasten, die mindestens ein elektrisch leitfähiges Metallpulver (Si, Cu oder Ni), mindestens ein p-Typ-Siliziumlegierungspulver und eine anorganische Trägersubstanz enthalten. Dabei wird das p-Typ-Siliziumlegierungspulver aus einer Gruppe ausgewählt, die Legierungen, die Silizium und Bor, Silizium und Aluminium oder Silizium, Bor und Aluminium aufweisen.
  • JP 2010 - 272 890 A beschreibt eine Solarzelle mit einer Elektrode, die durch Brennen eines Pastenmaterials, das Aluminium und Silizium aufweist, auf einem Siliziumsubstrat gebildet wird, wobei die Krümmung des Siliziumsubstrats nach dem Brennen durch Anwesenheit des Siliziums in der Paste verringert wird.
  • Es wird ein Solarzellen-Wafer gemäß dem Patentanspruch 1 bereitgestellt.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung bereitgestellt, aufweisend: Aluminium; und Silizium; wobei der Masseanteil an Silizium mindestens 0,05-mal so hoch und maximal 0,95-mal so hoch ist wie die Summe der Masseanteile von Silizium und Aluminium.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann der Masseanteil an Silizium maximal 0,33-mal so hoch sein wie die Summe der Masseanteile von Silizium und Aluminium.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann der Masseanteil an Silizium in einem Bereich von ungefähr 5 % bis ungefähr 15% der Summe der Masseanteile von Silizium und Aluminium liegen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann der Masseanteil an Silizium in einem Bereich von ungefähr 30 % bis ungefähr 95% der Summe der Masseanteile von Silizium und Aluminium liegen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann der Masseanteil an Silizium maximal 0,15-mal so hoch sein wie die Summe der Masseanteile von Silizium und Aluminium.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann der Masseanteil an Silizium mindestens 0,33-mal so hoch sein wie die Summe der Masseanteile von Silizium und Aluminium.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann der Masseanteil an Silizium mindestens 0,7-mal so hoch sein wie die Summe der Messeanteile von Silizium und Aluminium.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung eine Paste mit einer Viskosität sein in einem Bereich von ungefähr 10 Pa s bis ungefähr 500 Pa s.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Zusammensetzung zusätzlich eine Glasfritte enthalten.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Zusammensetzung Ätz- und Lösungsmittel mit einem maximalen Masseanteil von 25 % aufweisen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Zusammensetzung im Wesentlichen frei von Silber sein.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Solarzelle bereitgestellt, aufweisend eine Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung, wie sie oben sowie im Weiteren beschrieben ist.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann die Solarzelle einen n-Typ-Emitter aufweisen und die Rückseite der Solarzelle kann die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung aufweisen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Rückseite der Solarzelle die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung aufweisen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung die Rückseiten vollflächig bedecken.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung die Rückseiten nur teilweise bedecken.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Solarzelle einen p-Typ-Emitter aufweisen und die Vorderseite der Solarzelle kann die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung aufweisen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Rückseite der Solarzelle ein elektrisches Rückseiten-Feld aufweisen.
  • Es wird ein Verfahren zum Metallisieren einer Solarzelle gemäß dem Patentanspruch 10 bereitgestellt.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann in der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung der Masseanteil an Silizium mindestens 0,05-mal so hoch und maximal 0,95-mal so hoch sein wie die Summe der Masseanteile von Silizium und Aluminium.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung auf der Rückseite der Solarzelle beschichtet werden.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann nach dem Erwärmen der Solarzelle eine zusätzliche Schicht, die ein lötbares Material enthält, auf oder über der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung aufgebracht werden.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die zusätzliche Schicht auch über einem Teil des anderen Bereichs abgeschieden werden.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die zusätzliche Schicht den Bereich vollständig überdecken.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die zusätzliche Schicht den anderen Bereich vollständig überdecken.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann das lötbare Material durch Aufdampfen, Sputtern, Galvanisieren, mittels eines chemischen Abscheideverfahrens aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition, CVD), oder mittels thermischen Spritzens abgeschieden werden.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann das lötbare Material mindestens eines aus Cu, Ni, Sn, Pb, Bi, In, Zn oder Ag aufweisen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Solarzelle beim Erwärmen auf eine Temperatur erwärmt werden in einem Bereich von ungefähr 700 °C bis ungefähr 900 °C, beispielsweise auf eine Temperatur von ungefähr 800 °C.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann das Erwärmen in einer reduzierenden Gasatmosphäre durchgeführt werden.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann zum Beschichten der Solarzelle mit der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung ein Siebdruck-Verfahren eingesetzt werden.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann der Bereich mehrere, nicht aneinander angrenzende Teilbereiche aufweisen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung können zumindest einige der mehreren, nicht aneinander angrenzenden Teilbereiche eine längliche Form aufweisen und sich jeweils entlang einer Längsachse erstrecken, wobei die aneinander angrenzenden Teilbereiche mit ihren jeweiligen Längsachsen zueinander parallel angeordnet sind.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Anzahl der Teilbereiche zwei oder drei oder mehr als drei sein.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung können die mehreren, nicht aneinander angrenzenden Teilbereiche sich jeweils entlang einer Längsachse erstrecken und wobei die jeweiligen Längsachsen auf einer gedachten Geraden liegen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Anzahl der Teilbereiche weniger als vier oder vier oder mehr als vier betragen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung können die mehreren, nicht aneinander angrenzenden Teilbereiche sich jeweils entlang einer Längsachse erstrecken, wobei es mindestens zwei Teilbereiche gibt, deren Längsachsen parallel zueinander sind und mindestens zwei Teilbereiche gibt, deren Längsachsen auf einer gedachten Geraden liegen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann jeder Teilbereich eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen, wobei die kürzere der Rechteckseiten eine Länge in einem Bereich von ungefähr 0,2 mm bis ungefähr 10 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 1 mm bis ungefähr 2 mm hat.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Solarzelle einen p-Typ Emitter oder einen n-Typ Emitter aufweisen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Solarzelle einen n-Typ Emitter aufweisen und die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung kann auf der Rückseite der Solarzelle aufgebracht werden.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Solarzelle einen p-Typ Emitter aufweisen und die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung kann auf der Vorderseite der Solarzelle aufgebracht werden.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann wobei die Solarzelle zu Beginn des Verfahrens, anders ausgedrückt vor dem Beschichten mit der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung, im Wesentlichen frei sein von Phosphorglas.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Solarzelle zu Beginn des Verfahrens, anders ausgedrückt vor dem Beschichten mit der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung, eine Antireflexbeschichtung aufweisen.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann das Erwärmen so durchgeführt werden, dass die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung vollständig schmilzt.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann das Erwärmen so durchgeführt werden, dass die im Wesentlichen Siliziumaufweisende Phase der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung nicht schmilzt.
  • Gemäß noch einer Ausgestaltung kann das Verfahren ferner aufweisen ein Drucken einer Vorderseitenmetallisierung auf eine Vorderseite der Solarzelle.
  • Verschiedene Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
  • Es zeigen
    • 1 eine REM(Rasterelektronenmikroskop)-Ansicht einer Zellrückseite, die mit einer herkömmlichen Aluminium-Rückseitenpaste bedruckt ist;
    • 2 ein Diagramm, das den Verlauf der Abzugskraft eines Zellverbinders von einer Oberfläche der Solarzelle zeigt, wobei die Oberfläche teilweise mit einer herkömmlichen Aluminium-Rückseitenpaste bedruckt ist und vollständig mit Nickel übersputtert ist;
    • 3 eine REM-Ansicht eines Zellverbinders, der von einer Solarzelle, die mit einer herkömmlichen Aluminium-Rückseitenpaste beschichtet wurde, abgerissen ist;
    • 4 eine REM-Aufnahme, die eine Detailansicht des Zellverbinders der 3 zeigt;
    • 5 ein Aluminium-Silizium Phasendiagramm;
    • 6 eine schematische Gefügestruktur einer Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
    • 7 ein Prozessdiagramm eines Verfahrens zum Beschichten einer Solarzelle gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
    • 8a ein schematisches herkömmliches Solarzellen-Substrat;
    • 8b und 8c schematische Solarzellen-Substrate gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen und 8d ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;
    • 9a und 9b schematische Solarzellen-Substrate gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
    • 10 eine Lichtmikroskop-Ansicht eines Solarzellen-Substrats mit Beschichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
    • 11a bis 11c Lichtmikroskop-Ansichten eines Solarzellen-Substrats mit Beschichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; und
    • 12 eine REM-Ansicht einer Oberfläche Solarzellen-Substrats mit Beschichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen nach einem Abzugsversuch.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird unter einer Solarzelle eine Einrichtung verstanden, die Strahlungsenergie von überwiegend sichtbarem Licht (beispielsweise zumindest ein Teil des Lichts im sichtbaren Wellenlängenbereich von ungefähr 300 nm bis ungefähr 1150 nm; es ist anzumerken, dass zusätzlich auch Ultraviolett(UV)-Strahlung und/oder Infrarot(IR)-Strahlung umgewandelt werden kann), beispielsweise von Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie umwandelt mittels des so genannten photovoltaischen Effekts.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird unter einem Solarmodul eine elektrisch anschlussfähige Einrichtung verstanden mit mehreren Solarzellen (die miteinander in Serie und/oder parallel verschaltet sind), und optional mit einem Witterungsschutz (beispielsweise Glas), einer Einbettung und einer Rahmung.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen wurde festgestellt, dass, wie mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben ist, keine mechanische stabile Aluminiumschicht mittels Druckverfahren/Drucktechniken (z.B. mittels Siebdruck oder mittels Tampondruck) und herkömmliche Druck-Zusammensetzungen auf Solarzellen aufgebracht werden kann.
  • 1 zeigt eine REM(Rasterelektronenmikroskop)-Ansicht einer Zellrückseite, die mit einer herkömmlichen Aluminium-Rückseitenpaste bedruckt ist, wobei die poröse Struktur einer herkömmlichen Aluminium-Druck-Zusammensetzung 100 nach einem Erhitzen auf eine Temperatur auf 800 °C dargestellt ist. Es sind viele, nur teilweise miteinander verbundene Partikel sichtbar. Diese Porosität bedingt die schlechten mechanischen Eigenschaften der Druck-Zusammensetzung, da die Partikel 102, 104, 106, 108, 110 beim Auftreten von mechanischen Spannungen leicht den Kontakt zueinander verlieren können, was zu einem Riss der Aluminium-Rückseitenpaste führt.
  • Die 2 zeigt ein Diagramm 200, das den Verlauf der Abzugskraft 202 eines Solarzellen-Zellverbinders, der von einer Solarzelle abgezogen wird, zeigt. Die Solarzelle ist dabei teilweise so mit einer herkömmlichen Aluminium-Druck-Zusammensetzung 100 beschichtet, dass ein Bereich der Solarzelle unbeschichtet bleibt (erster Bereich 204 in 2). Die Solarzelle ist ferner auf ihrer gesamten Oberfläche mit einer dünnen Nickelschicht, die durch das Sputtern von Nickel erzeugt wurde, beschichtet. Die Solarzelle weist also einen Bereich auf, der mit einer herkömmlichen Aluminium-Druck-Zusammensetzung und einer darüber liegenden dünnen Nickelschicht beschichtet ist, und einen Bereich, der nur mit der dünnen Nickelschicht beschichtet ist (zweiter Bereich 206 in 2). Aus dem Diagramm 200 ist ersichtlich, dass die Abzugskraft des Zellverbinders von der Solarzelle in dem Bereich, der die Aluminium-Druck-Zusammensetzung aufweist, sehr niedrig ist, während sie in dem Bereich, der nur die dünne Nickelschicht aufweist, deutlich erhöht ist. Dies zeigt, dass Zellverbinder eine mechanische stabile Verbindung mit einer Solarzelle aufweisen können, jedoch eine Aluminium-Druck-Zusammensetzung 100 aus dem Stand der Technik keiner hohen mechanischen Belastung standhalten kann.
  • Im Hinblick darauf zeigen die 3 und 4 eine REM(Rasterelektronenmikroskop)-Ansicht 300, 400 einer Oberfläche eines von der Oberfläche einer mit einer herkömmlichen Aluminium-Druck-Zusammensetzung 100 beschichteten Solarzelle abgerissenen Zellverbinders 302. Die 3 zeigt eine Ansicht 300 auf diejenige Seite des Zellverbinders 302, die mit der herkömmlichen Aluminium-Druck-Zusammensetzung 100 in Kontakt war (d.h. anschaulich die „Unterseite“ des Zellverbinders 302). Die poröse Struktur der Aluminium-Druck-Zusammensetzung 100 ist sichtbar, was zeigt, dass die herkömmliche Aluminium-Druck-Zusammensetzung 100 in-sich gerissen ist.
  • Die 4, die eine Detailansicht 400 der 3 zeigt, zeigt im oberen Bereich das Lot des Zellverbinders 302 und im unteren Bereich die herkömmliche poröse Aluminium-Druck-Zusammensetzung 100. Es ist ersichtlich, dass nicht die Verbindung zwischen dem Zellverbinder 302 und der herkömmlichen Aluminium-Druck-Zusammensetzung 100 gerissen ist, sondern dass die herkömmliche Aluminium-Druck-Zusammensetzung 100 wegen ihrer schlechten mechanischen Eigenschaften in-sich gerissen ist.
  • Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung stellen daher eine Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung bereit, die sowohl kohäsionsstabilisiert ist, d.h. die in sich reißfest ist, als auch keine oder nur geringe mechanische Spannungen auf eine Solarzelle ausübt.
  • Mit Bezug auf 5, die ein Aluminium-Silizium-Phasendiagram 500 zeigt, stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung eine Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung bereit, die zumindest Aluminium und Silizium aufweist. Die in der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung enthaltenen Mengen an Aluminium und/oder Silizium können gemäß Ausführungsbeispielen voneinander abhängig gewählt sein. Der Siliziumanteil kann dabei erfindungsgemäß in einem Bereich von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 95 Gewichtsprozent (z.B. Masseprozent) der Summe des Gewichts (z.B. der Masse) von Silizium und Aluminium in der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung betragen.
  • In anderen Ausführungsbeispielen kann der Siliziumanteil in einem Bereich von ungefähr 5 Masseprozent bis ungefähr 15 Masseprozent der Summe der Massen des Aluminiums und des Siliziums in der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung liegen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen beträgt der Siliziumanteil genau oder im Wesentlichen 12,6 Masseprozent der Summe der Masse des Aluminiums und des Silizium in der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung. Diese Ausführungsbeispiele stellen im Wesentlichen ein Aluminium-Silizium-Eutektikum bereit, das einen geringeren Schmelzpunkt (etwa 577°C) als reines Aluminium (etwa 660°C) aufweist.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Siliziumanteil in einem Bereich von ungefähr 5 Masseprozent bis ungefähr 30 Masseprozent der Summe der Masse des Aluminiums und der Masse des Siliziums in der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung liegen. Dies kann zu einer Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung führen, die beispielsweise bei Temperaturen unter etwa 800°C (die zum Beispiel bei einem Solarzellen-Feuerprozess erreicht werden) vollständig schmilzt.
  • In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Siliziumanteil in einem Bereich von ungefähr 30 Masseprozent bis ungefähr 95 Masseprozent der Summe der Masse des Aluminiums und der Masse des Siliziums in der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung liegen. Dies kann zu einer Solarzellen-SiebdruckZusammensetzung führen, die erst bei höheren Temperaturen vollständig schmilzt, beispielsweise erst bei Temperaturen über 800°C.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung bereitgestellt, die einen Siliziumanteil, der ungefähr 70 Masseprozent bis ungefähr 95 Masseprozent der Summe der Massen von Aluminium und Silizium in der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung entspricht, aufweist. Das Silizium dieser Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung wird im Wesentlichen während eines Solarzellen-Herstellungsprozesses (wie er unten detaillierter beschrieben wird) nicht aufgeschmolzen, sondern bleibt breiig, was zu der in 6 schematisch gezeigten Gefügestruktur 600 führt. Die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizient, der dem eines Halbleiters, wie zum Beispiel Silizium oder Gallium-Arsenid, sehr ähnlich ist. Dies führt dazu, dass die Verbindung eines Halbleiters (z.B. Solarzellen-Substrat) und der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen nach einem Erwärmen im Wesentlichen frei von thermischen Spannungen ist, auch bei großflächigen Verbindungen.
  • 6 zeigt die Gefügestruktur 600 einer Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen (z.B. nach einem Solarzellen-Metallisierungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel), die mehr Siliziummasse als Aluminiummasse aufweist, z.B. die einen Siliziumanteil, der ungefähr 70 Masseprozent bis ungefähr 95 Masseprozent der Summe der Massen von Aluminium und Silizium in der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung entspricht, aufweist. 6 zeigt die Gefügestruktur 600, die im Wesentlichen zwei Phasen 602, 604 (d.h. zwei Festkörper-Phasen) aufweist: eine erste Phase 602, die im Wesentlichen Silizium (z.B. Körner aus im Wesentlichen Silizium) aufweist, und eine zweite Phase 604, die aus einem eutektischen Aluminium-Silizium-Gefüge (z.B. aus einer Aluminium-Unterphase und einer Silizium-Unterphase, die gemeinsam ein eutektisches Gefüge bilden) besteht. Die thermische Ausdehnung der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung entspricht aufgrund des erhöhten Siliziumanteils im Wesentlichen der thermischen Ausdehnung von Silizium, wodurch die Solarzelle beim Erwärmen und/oder Abkühlen nicht verspannt ist oder im Wesentlichen nicht verspannt ist.
  • Wie unter anderem in 6 gezeigt ist, ist die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung im Wesentlichen nicht porös, d.h. sie bildet einen Festkörper ohne Lufteinschlüsse, wodurch die mechanischen Eigenschaften verbessert sein können.
  • Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung auch eine Glasfritte, d.h. oberflächlich angeschmolzenes und teilweise zusammen-gebackenes Glaspulver, oder Glaspulver aufweisen. Die Glasfritte kann dabei zum Beispiel dem Standard ISO 4793 entsprechen. Das Glaspulver kann z.B. SiO2, Na2O, B2O3 und/oder K2O aufweisen.
  • Einige Ausführungsbeispiele der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung bilden ein Feststoff-Flüssigkeitsgemisch aufweisend Aluminium und Silizium, die als Feststoff vorliegen, und ein oder mehrere flüssige Lösungsmittel, wie z.B. Dialkylglykolether, Kiefernöl und/oder Butoxyehtoxyethanol. Die Partikelgröße und/oder die Menge der Feststoffe und die Art des/der Lösungsmittel können so gewählt sein, dass sich eine Paste mit einer Viskosität von ungefähr 10 Pa s bis ungefähr 500 Pa s ergibt.
  • Erfindungsgemäß beträgt der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Feststoffe der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung ungefähr 0,5 µm bis ungefähr 20 µm.
  • Alle Ausführungsbeispiele der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung können sich dadurch auszeichnen, dass sie im Wesentlichen kein Silber aufweisen.
  • 7 zeigt ein Verfahren 700 zum Metallisieren einer Solarzelle (oder eines Solarzellen-Substrats) gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 700 andere, zusätzliche Verfahrensschritte aufweisen, die Reihenfolge der Verfahrensschritte kann jede mögliche Permutation der beschriebenen Verfahrensschritte sein und/oder es können ein oder mehrere Verfahrensschritte entfallen, so weit sinnvoll.
  • Der optionale Verfahrensschritt 702 weist das Bereitstellen eines Solarzellen-Substrats 802 (vgl. 8) auf.
  • Das Substrat 802 kann aufweisen oder bestehen aus mindestens einer Photovoltaikschicht. Alternativ kann mindestens eine Photovoltaikschicht auf oder über dem Substrat 802 angeordnet sein. Die Photovoltaikschicht kann aufweisen oder bestehen aus Halbleitermaterial (wie beispielsweise Silizium), einem Verbundhalbleitermaterial (wie beispielsweise einem III-V-Verbundhalbleitermaterial (wie beispielsweise GaAs), einem II-VI-Verbundhalbleitermaterial (wie beispielsweise CdTe), einem I-III-V-Verbundhalbleitermaterial (wie beispielsweise Kupfer-Indium-Disulfid)). Als eine weitere Alternative kann die Photovoltaikschicht organisches Material aufweisen oder daraus bestehen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Silizium aufweisen oder bestehen aus einkristallinem Silizium, polykristallinem Silizium, amorphem Silizium, und/oder mikrokristallinem Silizium. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Photovoltaikschicht aufweisen oder bestehen aus einer Halbleiter-Übergangsstruktur wie beispielsweise einer pn-Übergangsstruktur, einer pin-Übergangsstruktur, einer Schottky-artigen Übergangsstruktur, und dergleichen. Das Substrat 810 und/oder die Photovoltaikschicht können/kann mit einer Grunddotierung eines ersten Leitungstyps versehen werden.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Grunddotierung in dem Solarzellen-Substrat 802 eine Dotierkonzentration (beispielsweise einer Dotierung des ersten Leitungstyps, beispielsweise einer Dotierung mit Bor (B))) aufweisen in einem Bereich von ungefähr 1013 cm-3 bis 1018 cm-3, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 1014 cm-3 bis 1017 cm-3, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 1015 cm-3 bis 2 * 1016 cm-3.
  • Das Solarzellen-Substrat 802 kann aus einem Solarzellen-Wafer hergestellt sein und kann beispielsweise eine runde Form wie beispielsweise eine Kreisform oder eine Ellipsenform aufweisen oder eine Polygonform wie beispielsweise eine quadratische Form. In verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Solarzellen des Solarmoduls jedoch auch eine nicht-quadratische Form aufweisen. In diesen Fällen können die Solarzellen des Solarmoduls beispielsweise durch Trennen (beispielsweise Schneiden) und damit Teilen einer oder mehreren (in ihrer Form auch als Standard-Solarzelle bezeichneten) Solarzelle(n) zu mehreren nicht-quadratischen oder quadratischen Solarzellen gebildet werden. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann es in diesen Fällen vorgesehen sein, Anpassungen der Kontaktstrukturen in der Standard-Solarzelle vorzunehmen, beispielsweise können Rückseitenquerstrukturen zusätzlich vorgesehen sein.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die hergestellte Solarzelle die folgenden Dimensionen aufweisen: eine Breite in einem Bereich von ungefähr 5 cm bis ungefähr 50 cm, eine Länge in einem Bereich von ungefähr 5 cm bis ungefähr 50 cm, und eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 100 µm bis ungefähr 300 µm.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann, wie oben beschrieben worden ist, ein Basisbereich in der Photovoltaikschicht gebildet werden, beispielsweise dotiert mit Dotierstoff eines ersten Dotierungstyps (auch bezeichnet als erster Leitungstyp), beispielsweise mit Dotierstoff vom p-Dotierungstyp, beispielsweise mit Dotierstoff der III. Hauptgruppe des Periodensystems, beispielsweise mit Bor (B).
  • Ferner kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Emitterbereich gebildet werden (z.B. durch Diffusion eines Dotierstoffes in das Substrat), dotiert mit Dotierstoff eines zweiten Dotierungstyps (auch bezeichnet als zweiter Leitungstyp), wobei der zweite Dotierungstyp entgegengesetzt zum ersten Dotierungstyp ist, beispielsweise mit Dotierstoff vom n-Dotierungstyp, beispielsweise mit Dotierstoff der V. Hauptgruppe des Periodensystems, beispielsweise mit Phosphor (P).
  • Nach der Dotierung des Emitterbereichs durch z.B. eine Gasphasendiffusion kann das Phosphorsilikatglas im Falle einer Phosphordiffusion mittels einer PSG-Ätze in beispielsweise einer 2,5 % bis 25 % HF-Lösung entfernt werden.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann optional eine Antireflektionsschicht (beispielsweise aufweisend oder bestehend aus Siliziumnitrid) auf die freiliegende obere Oberfläche des Emitterbereichs aufgebracht werden.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Bereiche mit erhöhter Dotierstoffkonzentration dotiert werden mit einem geeigneten Dotierstoff wie beispielsweise Phosphor. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der zweite Leitungstyp ein p-Leitungstyp sein und der erste Leitungstyp kann ein n-Leitungstyp sein. Alternativ kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen der zweite Leitungstyp ein n-Leitungstyp sein und der erste Leitungstyp kann ein p-Leitungstyp sein.
  • Mit weiterem Bezug auf 7 und Fig.8B und 8C (8A zeigt dazu im Vergleich den Aufbau einer herkömmlichen Solarzelle 800) kann das Solarzellen-Substrat 802 in 704 mit einer Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung beschichtet werden. Fig.8B bis 8D zeigen verschiedene Querschittansichten 820, 840, 860 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
  • Zum Beschichten können in verschieden Ausführungsbeispielen Druckverfahren, wie zum Beispiel Siebdruck-Verfahren, verwendet werden.
  • In Ausführungsbeispielen kann zum Beschichten der Solarzelle eine Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung, die Aluminium und Silizium aufweist, verwendet werden, z.B. eine Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wie sie oben beschrieben ist.
  • In manchen Ausführungsbeispielen kann 704 das Beschichten des Solarzellen-Substrats 802 in einem ersten Bereich 804 auf einer Oberfläche des Solarzellen-Substrats 802 aufweisen. Der erste Bereich 804 kann sich dabei auf der Emitterseite (d.h. der Seite, auf die im Allgemeinen energiereiche elektromagnetische Strahlung (z.B. Licht) zur Stromerzeugung trifft; im Folgenden auch bezeichnet als „Vorderseite“ oder „Lichteinfallsseite“) des Solarzellen-Substrats 802 befinden und/oder auf der Rückseite (d.h. der Seite des Solarzellen-Substrats 802, die der Emitterseite des Solarzellen-Substrats 802 gegenüberliegt) befinden. Der erste Bereich 804 kann sich auch auf jeder anderen Fläche, beispielsweise den Seitenflächen, des Solarzellen-Substrats 802 erstrecken.
  • In Ausführungsbeispielen kann durch das Beschichten des ersten Bereichs 804 des Solarzellen-Substrats 802 mit einer Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ein elektrisches Rückseitenfeld 806 (auch bezeichnet als „back surface field“) erzeugt werden mittels der Aluminium-Kationen (z.B. Al3+) der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung, die in das Solarzellen-Substrat 802 diffundieren können. Die Diffusion kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen durch die erhöhte Temperatur während des unten beschriebenen Erwärmens verstärkt sein. Gleichzeitig führt der Siliziumanteil (bzw. eine eventuelle Diffusion des Siliziums in das Solarzellen-Substrats 802) der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen nicht zu einer negativen Beeinflussung der Halbleitereigenschaften des Solarzellen-Substrats 802. Im Vergleich zu der Solarzelle gemäß Fig.8A, die ein herkömmliches elektrisches Rückseitenfeld 806 zeigt, ist in Fig. 8B und Fig. 8C, dass sich das elektrische Rückseitenfeld 806 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen über eine gesamte Fläche eines Solarzellen-Substrats 810 erstrecken kann, und nicht an Stellen, an denen elektrische Kontaktflächen 808 (zum Beispiel Silber-Lötpads 808 in 8A) gebildet sind, unterbrochen ist. Dies kann gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen zu einer erhöhten Effizienz führen.
  • Gemäß Ausführungsbeispielen kann der erste Bereich 804 aus mehreren Teilbereichen 804 bestehen oder gebildet werden. Die Anzahl der Teilbereiche kann z.B. eins bis drei, drei bis acht, acht bis zwölf, zwölf bis 16 und/oder jede andere Anzahl sein.
  • Mit zusätzlichem Bezug auf die Fig.9A und 9B (die eine jeweilige Draufsicht 900, 920 auf eine Solarzelle gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen zeigen) kann sich jeder Teilbereich 804 entlang einer Längsachse 902 (das ist die Strecke jedes Teilbereichs, die die maximal mögliche geometrische Erstreckungslänge in einer Ebene hat) erstrecken. Die Teilbereiche 804 können im Wesentlich eine Rechteckform, eine Quadratform, eine Dreiecksform, eine Kreisform (die Längsachse 902 kann in diesem Fall jede Achse durch den Mittelpunkt der Kreisform sein) oder jede andere Polygonform oder Freiform-Form aufweisen. Einer oder manche Teilbereiche 804 können eine Form aufweisen (z.B. eine Rechteckform), während zur gleichen Zeit einer oder mehrere andere Teilbereiche 804 eine andere Form (z.B. Quadratform) oder andere Formen aufweist. Alle Teilbereiche 804 können auch die gleiche Form aufweisen oder jeder Teilbereich 804 kann eine unterschiedliche Form aufweisen.
  • Mit Bezug auf Fig.9A und Fig.9B können die Längsachsen 902 der Teilbereiche 804 relativ zueinander in verschiedenen Anordnungen angeordnet sein. Wie es in der 9A gezeigt ist, können die Längsachsen 902 der Teilbereiche 804 so angeordnet sein, dass sie jeweils parallel zueinander sind. Der Quer-Abstand (d.h. der Abstand quer zur Längsachse 902) zwischen mehreren Teilbereichen 804 kann gleich sein, oder er kann zwischen jeweils zwei Teilbereich 804 unterschiedlich sein. Der Quer-Abstand von Teilbereichen 804 zu einem Umfangsrand der Solarzelle kann gleich sein oder kann unterschiedlich sein.
  • Die Längsachsen 902 der Teilbereiche 804 können auch so angeordnet sein, dass sie nicht parallel zueinander sind, d.h. dass sie einen Winkel, z.B. einen Winkel in einem Bereich von ungefähr 30° bis ungefähr 45° und/oder in einem Bereich von ungefähr 45° bis ungefähr 90°, zwischen sich definieren.
  • Manche Teilbereiche 804 (bzw. deren jeweilige Längsachsen 902) können parallel zueinander angeordnet sein, während zur gleichen Zeit andere Teilbereiche 804 des Solarzellen-Substrats 802 einen Winkel zwischen einander definieren.
  • Die Querachsen 904 (die maximale Erstreckungslänge in der Ebene eines Teilbereichs 804 quer zu seiner Längsachse 902) der Teilbereiche 804 können die gleiche Länge haben oder eine jeweils unterschiedliche Länge haben, z.B. kann die Länge der Querachsen 904 in einem Bereich von ungefähr 0,2 mm bis ungefähr 10 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 1 mm bis ungefähr 2 mm, oder jeden anderen Wert betragen.
  • Mit Bezug auf Fig.9B können in manchen Ausführungsbeispielen die Längsachsen 902 der Teilbereiche 804 auch so angeordnet sein, dass sie sich entlang einer gedachten Geraden erstrecken. In dieser Hinsicht können ein, zwei, drei, vier, eine Vielzahl oder alle Teilbereich 804 so angeordnet sein, dass sich ihre jeweiligen Längsachsen 902 auf einer gedachten Geraden (in der Figu.9A durch eine gestrichelte Gerade 906 angedeutet) erstrecken. Die Teilbereiche 802 können auch so angeordnet sein, dass einige (z.B. zwei oder vorzugsweise drei oder mehr als drei) Teilbereiche 804 so angeordnet sind, dass ihre Längsachsen 902 auf einer ersten gedachten Geraden 906 liegen und es eine oder mehrere weitere gedachte Geraden 906 (z.B. insgesamt zwei oder drei oder vier oder mehrere gedachten Geraden 906) gibt, auf denen auch Teilbereiche 804 angeordnet sind, so dass ihre Längsachsen 902 auf den gedachten Geraden 906 liegen. Die gedachten Geraden 906 können zueinander parallel sein oder jeweils Winkel zueinander definieren.
  • Dabei können zwei Teilbereiche 804 jeweils den gleichen Quer-Abstand zu den in Querrichtung nächstliegenden Teilbereichen 804 haben und/oder jeweils einen unterschiedlichen Quer-Abstand haben, beispielsweise einen Abstand in einem Bereich von ungefähr 2 mm bis ungefähr 50 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 mm bis ungefähr 30 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 20 mm bis ungefähr 25 mm.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Teilbereiche 804 auch jeweils den gleichen Längs-Abstand (d.h. der Abstand in der Richtung ihrer Längsachse 904) zu dem nächsten in Längsrichtung liegenden Teilbereich 804 haben oder einen jeweils unterschiedlichen Abstand haben.
  • Erfindungsgemäß wird das Solarzellen-Substrat 802 in einem zweiten Bereich 810 beschichtet. Der zweite Bereich 810 grenzt lateral an den ersten Bereich 804 an, so dass Schichten, die auf dem ersten Bereich 804 beziehungsweise dem zweiten Bereich 810 abgeschieden sind, elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Der zweite Bereich 810 kann der Bereich einer Oberfläche (z.B. Emitter und/oder Rückseite) des Solarzellen-Substrats 802 sein, der nicht von dem ersten Bereich 804 eingeschlossen ist. Ein Umfangsbereich des Solarzellen-Substrats 802, zum Beispiel mit einer Breite in einem Bereich von ungefähr 1 mm bis ungefähr 20 mm, beispielsweise mit einer Breite in einem Bereich von ungefähr 1 mm bis ungefähr 10 mm, beispielsweise mit einer Breite in einem Bereich von ungefähr 1 mm bis ungefähr 5 mm, kann in manchen Ausführungsbeispielen weder ein Teil des ersten Bereichs 804 noch des zweiten Bereichs 810 sein, d.h. er kann während des und nach dem Verfahrensschritts 704 frei sein von jeder Beschichtung (z.B. um elektrische Kurzschlüsse beim Zusammenschließen von mehreren Solarzellen-Substraten 802 zu Solarmodulen zu vermeiden).
  • Erfindungsgemäß wird das Beschichten des ersten Bereichs 804 mit einer Solarzellen-Druck-Zusammensetzung durchgeführt, die zumindest Aluminium und Silizium aufweist (z.B. mit einer oben beschriebenen Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen) und das Beschichten des zweiten Bereichs 810 wird mit einer Druckzusammensetzung durchgeführt, die im Wesentlichen kein Silizium aufweist (z.B. mit einer Aluminium-Druckpaste).
  • Mit Bezug auf 7 kann in 706 eine Metallisierung 812 auf der Emitterseite des Solarzellen-Substrats 802 aufgebracht werden.
  • Die Emitterseite-Metallisierung 812 (z.B. Vorderseitenmetallisierung) kann z.B. durch das Abscheiden von Silber-Metallisierungslinien aufgebracht werden.
  • Mit Bezug auf 7 kann ferner in 708 die oben beschriebene Solarzellen-Siebdruckzusammensetzung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen aufgebracht werden. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Solarzellen-Siebdruckzusammensetzung teilweise oder vollständig auf die Rückseite der Solarzelle aufgebracht werden.
  • Weiterhin kann in 710 das (metallisierte) Solarzellen-Substrat 802 nach dem Beschichten gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen erwärmt werden.
  • Das Erwärmen (z.B. Feuern) 710 kann bei einer Temperatur in einem Bereich von ungefähr 600 °C bis ungefähr 1000 °C, beispielsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von ungefähr 700 °C bis ungefähr 900 °C, beispielsweise bei einer Temperatur von ungefähr 800 °C erfolgen. Die Temperatur kann beim Erwärmen für etwa 2 bis 60 Sekunden (im Wesentlichen konstant) gehalten werden, die Heizrate kann etwa 60 °C/S betragen und die Abkühlrate kann etwa 60 °C/S betragen.
  • Das Erwärmen kann dazu führen, dass sich die Lösungsmittel der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung und/oder anderer Druck-Zusammensetzungen verflüchtigen (d.h. als Gas in die Atmosphäre übergehen).
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Erwärmen 710 dazu führen, dass die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung in Abhängigkeit der Temperatur und des Silizium- und Aluminiumanteils gemäß dem Phasendiagramm 500 in 5 aufschmilzt und/oder teilweise aufschmilzt und/oder nicht aufschmilzt.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen, zum Beispiel wenn der Siliziumanteil der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung in einem Bereich von ungefähr 30 Gewichtsprozent bis ungefähr 95 Gewichtsprozent oder in einem Bereich von ungefähr 70 Gewichtsprozent und ungefähr 95 Gewichtsprozent der Summe der Aluminiummasse und der Siliziummasse der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung beträgt, kann die Silizium-Phase der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung während des Erwärmens im Wesentlichen nicht geschmolzen werden, während die eutektische Aluminium-Silizium-Phase aufschmilzt, flüssig wird und die Zwischenräume zwischen den Körnern der Silizium-Phase verfüllt (vergleiche 6). In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung während des Erwärmens eine breiige Pastenstruktur aufweisen, d.h. nicht vollständig verflüssigt werden. Dies führt zu einer mechanisch stabilen Beschichtung, die beim Abkühlen (bzw. nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur bzw. Betriebstemperatur der Solarzelle) keine oder kaum mechanische Spannungen in das Solarzellen-Substrat 802 einbringt.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen, zum Beispiel wenn der Siliziumanteil in einem Bereich von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 15 Gewichtsprozent oder in einem Bereich von ungefähr 5 Gewichtsprozent und ungefähr 30 Gewichtsprozent der Summe der Massen des Aluminiums und des Siliziums in der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung beträgt, kann die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung während des Erwärmens vollständig aufgeschmolzen sein. Dies führt nach dem Abkühlen zu einer mechanisch sehr stabilen Beschichtung.
  • Das Erwärmen der Solarzelle 710 kann in einer Sauerstofffreien und/oder reduzierenden Gasatmosphäre durchgeführt werden, z.B. in einer Atmosphäre die Argon und Wasserstoffgas aufweist und einen niedrigen Sauerstoff-Partialdruck hat.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen können Produktivitäts- und Effizienzsteigerungen erzielt werden, da Silizium in hoher Reinheit erhältlich ist und das Halbleitersubstrat nicht durch (Eigen-)Diffusion verunreinigen kann. Zusätzlich kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Prozessschritt eingespart werden, da die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen (insbesondere mit hohem relativen Siliziumanteil) auf eine gesamte Oberfläche (z.B. Rückseite) eines Solarzellen-Substrats gedruckt werden kann, wodurch die Einsparung eines Verfahrensschrittes gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise möglich ist (vgl. 8A; anschaulich gesprochen können z.B. die Rückseitenmetallisierung und die Kontaktstellen mit einem einzigen Verfahrensschritt bzw. einer einzigen Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung aufgebracht werden). Zusätzlich weist eine Solarzelle wie oben beschrieben keine poröse (z.B. Rückseiten-)Oberfläche mehr auf, wodurch die mechanische Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der Solarzelle sowie daraus hergestellter Solarzellenmodule verbessert ist. Außerdem ist das Risiko für aluminiumpastenbedingte Laminationsfehler (z.B. Blasenbildung) verringert.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann mit Bezug auf 7 in 712 eine lötbare Metallisierungsschicht 814 auf dem beschichteten ersten Bereich 804 und/oder auf dem beschichteten zweiten Bereich 810 des Solarzellen-Substrats 802 abgeschieden werden. Die lötbare Metallisierungsschicht 814 kann gemäß Ausführungsbeispielen beispielsweise durch Aufdampfen, Sputtern, elektrochemische Abscheidung (z.B. Galvanisierung), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und/oder thermische Spritzverfahren (z.B. Plasma-Spritzen oder Drahtbogenspritzen) abgeschieden werden. Die lötbare Metallisierungsschicht 814 kann Metalle wie Kupfer, Nickel, Zinn; Blei, Bismut, Indium, Zink und/oder Silber und/oder andere chemische Elemente aufweisen.
  • Die lötbare Metallisierungsschicht 814 kann über dem ersten Bereich 804 abgeschieden werden (vgl. Fig.8B bis 8D) und/oder über dem zweiten Bereich 810 abgeschieden werden (vgl. Fig.8B und 8C). Die lötbare Metallisierungsschicht 814 kann in Ausführungsbeispielen (vgl. 8B) auch über einer oder mehreren (beschichteten) Flächen des Solarzellen-Substrats 802 abgeschieden werden, so dass sie die gesamte Fläche (z.B. die gesamte Rückseite des Solarzellen-Substrats 802) bedeckt.
  • Die lötbare Metallisierungsschicht 814 kann jedoch auch so abgeschieden werden, dass sie nur den ersten Bereich 804 und/oder den zweiten Bereich 810 jeweils vollständig oder nur teilweise abdeckt.
  • Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele beschrieben.
  • 10 zeigt eine lichtmikroskopische Querschnittsansicht (Querschliff) 1000 einer Beschichtung aus einer Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung in dem ersten Bereich 804 auf einer Seite des Solarzellen-Substrates 802 nach dem Erwärmen. Die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung der 10 weist einen Siliziumanteil auf, der 13 Masseprozent der Summe der Masse von Silizium und der Masse von Aluminium in der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung beträgt (vgl. 5; die Zusammensetzung ist im Wesentlichen eutektisch). Die 5 zeigt neu gebildete Partikel 1002, in denen feinkristallines Silizium und Aluminium gleichzeitig vorliegen. Dies zeigt, dass sich während des Erwärmens das Eutektikum (bzw. das eutektische Gefüge) ausgebildet hat. Durch die Mischung der Komponenten und aufgrund der relativ kurzen Erwärm-Dauer kam es jedoch nicht zu einer ganzflächigen und gleichmäßigen Ausbildung des eutektischen Gefüges, unter anderem deswegen, weil sowohl Silizium als auch Aluminium sehr feste und schwer zu durchbrechende Oxidschichten bilden.
  • Die Fig.11A bis 11C zeigen die Oberfläche der Beschichtung in verschiedenen Darstellungen 1100, 1120, 1140, die in der 10 gezeigt ist. Die Fig.11A und 11B zeigen kleine Tröpfchen 1102 des eutektischen Gefüges auf der Beschichtung, die so fest mit dem Wafer des Solarzellen-Substrats 802 verwachsen sind, dass sie beim Abbrechen den Wafer beschädigen, wie es die Abbruchstelle 1104 in 11C zeigt. Dies zeigt sowohl die innere, kohäsive, mechanische Festigkeit der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gemäß einem Ausführungsbeispiel als auch die mechanisch stabile Verbindung der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mit dem Wafer.
  • Im Wesentlichen blieb jedoch das lockere Gefüge, das mit einer herkömmlichen Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung erreicht werden kann, bestehen. Daher ist die Abzugsfestigkeit eines Zellverbinders (nachdem die Oberfläche der Beschichtung aus Silizium-Siebdruck-Zusammensetzung mit Nickel gesputtert wurde) in verschiedenen Ausführungsbeispielen im Wesentlichen nicht erhöht, wobei sich dennoch kleinflächige Bereiche mit hoher mechanischer Festigkeit gebildet haben. Diese Bereiche mit hoher mechanischer Festigkeit können bei einem Abzugsversuch mit einem auf die Oberfläche der Beschichtung aus Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gelötetem Zellverbinder zu einer Beschädigung des Wafers des Solarzellen-Substrats führen.
  • 12 zeigt einen solchen lokalen Waferausbruch 1200 nach dem Abziehen eines Zellverbinders von einem ersten Bereich 804 mit einer Beschichtung aus einer Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung gemäß einem Ausführungsbeispiel und veranschaulicht die guten mechanischen Eigenschaften der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung.

Claims (16)

  1. Solarzellen-Wafer, aufweisend: • in zumindest einem ersten Bereich eine erste Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung, aufweisend zumindest: Aluminium-Partikel und Silizium-Partikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße in einem Bereich von ungefähr 0,5 µm bis ungefähr 20 µm, wobei der Masseanteil der Silizium-Partikel in einem Bereich von ungefähr 5% bis ungefähr 95% der Summe der Masseanteile der Silizium-Partikel und der Aluminium-Partikel liegt; und • in zumindest einem zweiten Bereich eine zweite Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung, die im Wesentlichen frei von Silizium ist, • wobei der zweite Bereich an den ersten Bereich lateral angrenzt.
  2. Solarzellen-Wafer gemäß Anspruch 1, wobei die Solarzelle einen n-Typ-Emitter aufweist und die Rückseite der Solarzelle die erste Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung und die zweite Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung aufweist.
  3. Solarzellen-Wafer gemäß Anspruch 2, wobei die erste Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung und die zweite Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung die Rückseite vollflächig bedecken.
  4. Solarzellen-Wafer gemäß Anspruch 1, wobei die Solarzelle einen p-Typ-Emitter aufweist und die Vorderseite der Solarzelle die erste Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung und die zweite Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung aufweist.
  5. Solarzellen-Wafer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Masseanteil der Silizium-Partikel in der ersten Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung in einem Bereich von ungefähr 5% bis ungefähr 30% der Summe der Masseanteile der Silizium-Partikel und der Aluminium-Partikel liegt.
  6. Solarzellen-Wafer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Masseanteil der Silizium-Partikel in der ersten Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung in einem Bereich von ungefähr 5% bis ungefähr 15% der Summe der Masseanteile der Silizium-Partikel und der Aluminium-Partikel liegt.
  7. Solarzellen-Wafer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Masseanteil der Silizium-Partikel in der ersten Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung 12,6% der Summe der Masseanteile der Silizium-Partikel und der Aluminium-Partikel beträgt.
  8. Solarzellen-Wafer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung eine Paste mit einer Viskosität ist in einem Bereich von 10 Pa s bis 500 Pa s.
  9. Solarzellen-Wafer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung Ätz- und Lösungsmittel mit einem maximalen Masseanteil von 25 % aufweist.
  10. Verfahren zum Metallisieren einer Solarzelle, aufweisend: • Beschichten eines ersten Bereichs einer Solarzelle mit einer ersten Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung, wobei die erste Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung zumindest Aluminium-Partikel und Silizium-Partikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße in einem Bereich von ungefähr 0,5 µm bis ungefähr 20 µm aufweist, wobei der Masseanteil der Silizium-Partikel in einem Bereich von ungefähr 5% bis ungefähr 95% der Summe der Masseanteile der Silizium-Partikel und der Aluminium-Partikel liegt (704); und • Erwärmen der mit der Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung beschichteten Solarzelle (710), • wobei vor dem Erwärmen (710) der Solarzelle ein zweiter Bereich der Solarzelle, der an den ersten beschichteten Bereich lateral angrenzt, mit einer zweiten Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung, die im Wesentlichen frei von Silizium ist, beschichtet wird (708).
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der erste Bereich der Solarzelle mit der ersten Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung und der zweite Bereich der Solarzelle mit der zweiten Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzung jeweils mittels eines Siebdruck-Verfahrens beschichtet wird.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei nach dem Erwärmen (710) der Solarzelle eine zusätzliche Schicht, die ein lötbares Material enthält, auf oder über den Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzungen aufgebracht wird (712).
  13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das lötbare Material durch Aufdampfen, Sputtern, Galvanisieren, CVD oder thermisches Spritzen aufgebracht wird.
  14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Solarzelle beim Erwärmen (710) auf eine Temperatur erwärmt wird in einem Bereich von ungefähr 700 °C bis ungefähr 900 °C, vorzugsweise auf ungefähr 800 °C.
  15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Solarzelle einen n-Typ Emitter aufweist und die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzungen auf der Rückseite der Solarzelle aufgebracht werden.
  16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Solarzelle einen p-Typ Emitter aufweist und die Solarzellen-Siebdruck-Zusammensetzungen auf der Vorderseite der Solarzelle aufgebracht werden.
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