DE102011056632A1

DE102011056632A1 - Verfahren zum Ausbilden einer Frontseitenmetallisierung einer Solarzelle sowie Solarzelle

Info

Publication number: DE102011056632A1
Application number: DE102011056632A
Authority: DE
Inventors: Klaus Ramspeck; Lothar LIPPERT; Wilhelm Hefner
Original assignee: Schott Solar AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-20
Also published as: WO2013092536A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausbilden einer einfallender Strahlung zugewandten frontseitigen Metallisierung eines insbesondere siliciumbasierten Wafers (12) mit zwei parallel zueinander verlaufenden Längsrändern (14, 20), bestimmt für eine Solarzelle (10), mit p-leitender und n-leitender Halbleiterschicht und einem zwischen diesen verlaufendem pn-Übergang, wobei mit frontseitiger Halbleiterschicht zumindest zwei Busbars und mit sowohl der Halbleiterschicht als auch den Busbars (22, 24, 26, 28) Leiterbahnen (30, 32) zur Bildung der Metallisierung kontaktiert werden. Zur Vermeidung teurer Materialien für die Leiterbahnen wird vorgeschlagen, dass mit der frontseitigen Halbleiterschicht insgesamt mindestens vier Busbars (22, 24, 26, 28) kontaktiert werden, die parallel zueinander und zu den Längsrändern (14, 20) und im gleichen oder in etwa gleichem Abstand zueinander angeordnet werden, wobei halber Abstand zwischen zwei benachbarten Busbars gleich oder in etwa gleich Abstand zwischen einem Längsrand und benachbartem Busbar gewählt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausbilden einer einfallender Strahlung zugewandten frontseitigen Metallisierung eines insbesondere siliciumbasierten Wafers mit zwei parallel zueinander verlaufenden Längsrändern, bestimmt für eine Solarzelle, mit p-leitender und n-leitender Halbleiterschicht und einem zwischen diesen verlaufenden pn-Übergang und vorzugsweise frontseitig verlaufender Antireflexschicht, wobei mit frontseitiger Halbleiterschicht zumindest zwei Busbars und mit sowohl der Halbleiterschicht als auch den Busbars fingerartige Leiterbahnen zur Bildung der Metallisierung kontaktiert werden.
Auch nimmt die Erfindung Bezug auf eine Solarzelle, umfassend einen insbesondere siliciumbasierten, zumindest zwei parallel zueinander verlaufende Seitenränder aufweisenden insbesondere quadratischen oder pseudoquadratischen Wafer, mit p- und n-leitenden Halbleiterschichten und zwischen diesen verlaufendem pn-Übergang, vorzugsweise lichteinfallseitiger Antireflexschicht sowie lichteinfallseitiger frontseitiger Metallisierung umfassend zumindest zwei mit der frontseitig verlaufenden Halbleiterschicht kontaktierte und parallel zu den Seitenrändern verlaufende Busbars sowie sowohl mit den Busbars als auch mit der frontseitigen Halbleiterschicht kontaktierten fingerartigen Leiterbahnen, wobei die Busbars mit den Leiterbahnen die Metallisierung eines Frontseitenkontakts der Solarzelle bilden.
Bei einer Vorderseitenmetallisierung zur Bildung eines Frontseitenkontakts bei sowohl front- als auch rückseitig kontaktierten Solarzellen sind üblicherweise zwei oder drei Busbars vorgesehen, die als Stromableiter dienen. Mit den Busbars und der frontseitig verlaufenden Halbleiterschicht der Solarzelle werden Stromsammler bildende Finger üblicherweise durch Siebdruck einer Silberpaste aufgebracht und mit diesen kontaktiert.
Verfahren zum Auftragen der Leiterbahnen sind Aerosoldruck, Schablonendruck, Tintenstrahldruck, Tampondruck oder Laser-Mikro-Sintering, um nur einige gängige Verfahren zu nennen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, Metallkontakte von Solarzellen mittels lichtinduzierter galvanischer Abscheidung zu verstärken. Hierzu wird zunächst eine sogenannte Saatschicht auf die Frontseite aufgetragen, um sodann durch galvanisches Abscheiden eine Verstärkung der Saatschicht zu erzielen (s. z. B. DE-B-10 2008 053 621 , WO-A- 2007/121619 oder US-A-2009/0238994 ). Die Saatschicht kann dabei galvanisch oder durch Siebdruck oder mittels Inkjet-Verfahren aufgetragen werden.
Aus der US-B-7,339,110 oder der US-B-7,388,814 ist ein aufwendiges galvanisches Verfahren bekannt, bei dem zunächst eine Saatschicht abgeschieden wird, die zugleich als Diffusionsbarriere dient, um sodann galvanisch eine Kupferschicht aufzubringen, die die benötigte Leitfähigkeit der Metallisierung sicherstellt. Hierbei ist es notwendig, Ghostplating, wie es beispielsweise bei sogenannten Pinholes in üblichen Vorderseitennitriden entsteht, zu vermeiden. Hierzu wird für die Anwendung von Cu-plating eine spezielle aufwändige Behandlung der Vorderseite erforderlich.
Besteht der Wafer aus Silicium ist es wichtig, dass ein direkter Kontakt zwischen Kupfer und Silicium vermieden wird, da Kupfer eine hoch-rekombinationsaktive Störstelle im Siliciumgitter darstellt und zudem bereits bei niedrigen Temperaturen einen hohen Diffusionskoeffizienten in Silicium besitzt.
Die nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Ausbildung eines Frontkontaktes, bei denen geringe Leitungsverluste auftreten, benötigen grundsätzlich teure Materialien bzw. komplexe Prozesse.
Des Weiteren weisen die bekannten Verfahren den Nachteil auf, dass die Erstreckung der Leiterbahnen auf der frontseitigen Fläche des Wafers relativ groß ist, sodass es zu erheblichen Verlusten aufgrund der hierdurch bedingten Abschattung kommt.
Ein Verfahren und eine Solarzelle der eingangs genannten Art ist der WO-A-2010/135535 zu entnehmen. Dabei wird zur Bildung sowohl der Busbars als auch der Leiterbahnen auf der mit der Antireflexschicht abgedeckten Frontseite des Wafers eine Paste aufgebracht und sodann getrocknet, wobei zum Durchkontaktieren in dem Material Glasfritte zwischen 0,5 Gew.-% und 8 Gew.-% enthalten sein muss. Die Anzahl der Busbars kann zwei oder mehr betragen. Senkrecht hierzu verlaufen die als Finger ausgebildeten Leiterbahnen. Die die Glasfritte enthaltenden Pasten enthalten Metallpulver, das aus der Gruppe Silber, Kupfer und Nickel ausgewählt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Solarzelle der eingangs genannten Art so weiterzubilden, um eine Frontseitenmetallisierung herzustellen bzw. derart weiterzubilden, dass komplexe Prozesse nicht erforderlich sind, wobei bevorzugterweise teure Grundmaterialien nicht zum Einsatz gelangen sollen oder dann, wenn solche Verwendung finden, im Vergleich zum Stand der Technik geringere Mengen benötigt werden. Auch sollen Verluste aufgrund der Abschattung der Leiterbahnen minimiert werden.
Verfahrensmäßig wird die Aufgabe im Wesentlichen dadurch gelöst, dass mit der frontseitigen Halbleiterschicht insgesamt zumindest vier Busbars, insbesondere vier oder fünf Busbars kontaktiert werden, die parallel zueinander und zu den Längsrändern und im gleichen Abstand oder in etwa gleichem Abstand zueinander angeordnet werden, wobei halber oder in etwa halber Abstand zwischen zwei benachbarten Busbars gleich Abstand zwischen einem Längsrand und benachbartem Busbar gewählt wird. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass als Material für die Leiterbahnen zumindest eines aus der Gruppe Silber, Nickel, Zink, Kupferliegerung, Molybdän ausgewählt wird, wobei bei der Verwendung von Silber dieses mit einer Menge G mit 0,01 mg ≤ G ≤ 0,1 mg pro Leiterbahn eingesetzt wird. Der Ausdruck Leiterbahn bezieht sich hierbei auf das Teilstück der von Rand zu Rand verlaufenden Finger, welches Strom zu einem der Busbars transportiert. Jeder Finger, der sich über vier Busbars erstreckt, beinhaltet somit acht Leiterbahnen.
Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass bei einer aktiven Waferfläche F mit 225 cm² ≤ F ≤ 256 cm² und der Verwendung von Silber als Material für die Leiterbahnen Silber einer Gesamtmenge G_G für sämtliche auf der aktiven Waferfläche verlaufende Leiterbahnen eingesetzt wird mit 20 mg ≤ G_G ≤ 60 mg.
Wird Silber als Material für die Leiterbahnen verwendet, so wird dieses mit einem Querschnitt auf die frontseitige Halbleiterschicht aufgebracht, der zu einem Endquerschnitt Q bei der fertigen Solarzellemit 100 µm² ≤ Q ≤ 300 µm² führt.
Wird Nickel oder Zink als Material der Leiterbahnen verwendet, wird dieses auf die frontseitige Halbleiterschicht derart aufgebracht, dass sich Leiterbahnen mit einer Endgeometrie mit einer Höhe H mit H ≤ 50 µm, insbesondere 5 µm ≤ H ≤ 50 µm, und/oder einer Breite B mit B ≤ 90 µm, insbesondere 30 µm ≤ B ≤ 90 µm ergeben.
Sofern eine Kupfer-Nickel-Legierung zum Einsatz gelangt, erfolgt der Auftrag derart, dass die Endgeometrie jeder Leiterbahn eine Breite ≤ 80 µm und/oder eine Höhe ≤ 12 µm, vorzugsweise eine Breite zwischen 30 µm und 80 µm und/oder eine Höhe zwischen 4 µm und 12 µm beträgt.
Als Kupferlegierung kommen insbesondere Kuper-Nickel-, Kupfer-Zinn- oder Kupfer-Zink-Legierungen in Frage.
Zum Auftragen der Leiterbahnen ist insbesondere vorgesehen, dass entsprechend dem Verlauf der Leiterbahnen die Antireflexschicht insbesondere mittels Laserstrahlung geöffnet wird, um sodann galvanisch das Material auf der Halbleiterschicht abzuscheiden.
Erfolgt ein Öffnen der Antireflexschicht mittels Laser, wird eine Öffnungsbreite zwischen 5 µm und 50 µm bevorzugt.
Bestehen die Leiterbahnen aus mehreren Materialien, so werden die Materialien schichtweise galvanisch abgeschieden.
Wird ein einheitliches Material benutzt, so erfolgt das galvanische Abscheiden insbesondere in einem Verfahrensschritt, ohne dass zuvor eine Saatschicht aufgetragen wird.
Bezüglich der Busbars ist insbesondere vorgesehen, dass diese mit einer Breite B_B mit B_B ≤ 1,2 mm, insbesondere 0,5 mm ≤ B ≤ 1,2 mm ausgebildet werden.
Der erfindungsgemäßen Lehre liegen folgende Überlegungen zu Grunde. Die nach dem Stand der Technik erforderliche Verwendung von Silber oder Kupfer zur Stromsammlung ergibt sich zum einen aus der hohen elektrischen Leitfähigkeit dieser Materialien, zum anderen aus der hohen Stromdichte der nach dem Stand der Technik ausgeführten Leiterbahnen auf Solarzellen, die zwei oder drei Busbars vorsehen.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von zumindest vier Busbars, vorzugsweise vier oder fünf Busbars, ist eine Mengenreduzierung dieser Metalle möglich, da die Stromdichte in den Leiterbahnen reduziert wird. Es erfolgt eine Verkürzung der Leiterbahnen, über die Strom zu einem Busbar transportiert wird, und damit die Reduzierung der stromsammelnden Fläche pro Leiterbahn. Verkürzung bedeutet, dass im Vergleich zu Anordnungen mit zwei oder drei Busbars die Strecke, über die Ladungsträger über die Leiterbahnen zu den Busbars geleitet wird, kürzer ist. Ungeachtet dessen werden entsprechend dem Stand der Technik über die gesamte Breite des Wafers bzw. dessen aktive Fläche Finger aufgebracht. Abschnitte der Finger werden als Leiterbahnen bezeichnet, wobei über jede Leiterbahn Strom zu einem Busbar transportiert wird.
Durch die Verwendung von zumindest vier Busbars wird somit die für eine Stromsammlung mit geringen Leitungsverlusten benötigte Leitfähigkeit der Leiterbahnen so weit reduziert, dass eine einfache und technisch beherrschbare Metallisierung erfolgen kann, die grundsätzlich auf die Materialien Silber und Kupfer verzichten kann und somit Kosten einspart. Daher ist bevorzugterweise vorgesehen, dass Metalle wie Nickel, Zink- oder Kupfer-Nickel-Legierungen galvanisch aufgebracht werden.
Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass die Metallisierung nach dem Öffnen der Antireflexschicht wie SiN-Schicht galvanisch aufgetragen wird. Die diesbezüglichen Maßnahmen sind beispielhaft der DE-B-10 2007 005 161 zu entnehmen. Das dort beschriebene Verfahren wird jedoch nur zur Bildung einer Ausgangsschicht und als Diffusionsbarriere für den nachfolgenden Aufbau weiterer Metallisierungsschichten insbesondere solcher aus Kupfer verwendet.
Erfindungsgemäß erfolgt gegenüber dem Stand der Technik eine Vereinfachung der Metallisierung der dem Licht zugewandten Seite des Wafers, aus dem eine Solarzelle hergestellt wird, wobei bevorzugtes Verfahren ein galvanisches Abscheiden in einem einzigen Schritt ist, d. h. grundsätzlich ohne Saatschicht. Teure Materialien können vermieden bzw. deren Einsatz in einem Umfang reduziert werden, dass im Vergleich zum Stand der Technik erhebliche Kostenersparnisse erfolgen. Auch werden die Leiterbahnen in einer Breitenerstreckung ausgebildet, dass Abschattungen minimiert werden. Gleiches gilt in Bezug auf Leitungsverluste.
Eine Solarzelle der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die frontseitige Halbleiterschicht mit zumindest vier parallel, vorzugsweise vier oder fünf zueinander verlaufende Busbars kontaktiert ist, dass die Busbars zueinander im gleichen oder in etwa gleichem Abstand angeordnet sind und dass halber oder in etwa halber Abstand zwischen zwei benachbarten Busbars gleich Abstand zwischen einem Längsrand und benachbartem Busbar ist. Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass das Material für die Leiterbahnen zumindest ein Material aus der Gruppe Silber, Nickel, Zink, Kupferlegierung, Molybdän ist oder enthält. Insbesondere ist vorgesehen, dass kostengünstige Materialien wie Nickel oder Zink zum Einsatz gelangen. Auch Kupferlegierungen können Verwendung finden. Durch Verwendung einer Legierung soll hierbei vermieden werden, dass Kupfer in das Silicium eindiffundieren kann und dort hochrekombinationsaktive Störstellen im Siliciumgitter bildet.
Aber auch die Verwendung von Silber ist möglich, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Menge an Silber pro Leiterbahn zwischen 0,01 mg und 0,1 mg liegt. Der Ausdruck Leiterbahn bezieht sich hierbei auf das Teilstück, welches Strom zu einem der Busbars transportiert. Jeder Finger, der sich z. B. über vier Busbars erstreckt, beinhaltet somit acht Leiterbahnen.
Die Erfindung zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass die Solarzelle eine aktive Waferfläche F mit 225 cm² ≤ F ≤ 256 cm² aufweist oder enthält und dass die Leiterbahnen Silber enthalten, deren Gesamtmenge G_G für sämtliche Leiterbahnen zwischen 20 mg und 60 mg liegt.
Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Querschnitt der Silber enthaltenden Leiterbahn zwischen 100 µm² und 300 µm² liegt.
Werden Leiterbahnen benutzt, die aus Nickel oder Zink bestehen bzw. Nickel oder Zink enthalten, ergibt sich ein Querschnitt der Leiterbahn, der eine Höhe von ≤ 50 µm und eine Breite ≤ 90 µm aufweist.
Durch diese Dimensionierungen ist eine im Vergleich zum Stand der Technik überaus geringe Abschattung der strahleinfallseitig verlaufenden Frontseite der Solarzelle sichergestellt.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass dann, wenn die Bahnen aus einheitlichem Material wie Nickel oder Zink bestehen, diese nach Öffnen der Antireflexionsschicht insbesondere lichtinduziert galvanisch abgeschieden werden, ohne dass zuvor eine Saatschicht aufgebracht werden muss. Bestehen die Leiterbahnen aus mehreren Materialien, so werden die Materialien schichtweise galvanisch abgeschieden.
Die Busbars selbst weisen eine Dicke von weniger als 1,2 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,5 mm und 1,2 mm auf. Hierdurch wird ebenfalls die Abschattung gering gehalten.
Erfindungsgemäß wird ein Layout durch die Leiterbahnen (Finger) – Metallisierung zur Verfügung gestellt, das im Vergleich zum Stand der Technik eine geringere Leitfähigkeit erforderlich macht, wobei die Finger bevorzugterweise galvanisch aufgetragen werden.
Durch die Verwendung von Kupfer in einer Legierung ist sichergestellt, dass das Kupfer nicht in das Silicium eindiffundiert, gleichzeitig kann eine höhere Leitfähigkeit als mit reiner Nickelabscheidung erreicht werden.
Bevorzugterweise weisen die Finger und damit die Leiterbahnen, sofern diese aus Silber bestehen, eine Breite von weniger als 65 µm und eine Höhe von weniger als 8 µm auf, insbesondere liegt die Breite zwischen 30 µm und 65 µm und die Höhe zwischen 4 µm und 8 µm. Bei der Verwendung von Nickel oder Zink fallen die Breiten größer aus, insbesondere liegen die Breiten zwischen 30 µm und 90 µm, wobei Höhen zwischen 10 µm und 25 µm als bevorzugt anzugeben sind.
Bei der Verwendung von Kupfer-Nickel-Legierungen beläuft sich die Breite zwischen 30 µm und 80 µm, die Höhe zwischen 4 µm und 12 µm.
Neben den bevorzugten Materialien Nickel, Zink, Kupfer, Nickellegierungen und Silber kommen jedoch auch Materialien wie Molybdän oder Kupfer-Zinn- oder Kupfer-Zink-Legierungen in Frage.
Die durchschnittliche Länge der Leiterbahn bei Wafern einer Kantenlänge von 152 mm bis 160 mm liegt im Bereich zwischen 18,5 und 19 mm und damit die Länge der Finger zwischen 148 mm und 152 mm, wobei Breite der Busbars nicht berücksichtigt ist. Typischer Abstand zwischen den Leiterbahnen liegt zwischen 1,5 mm und 3 mm, gleichwenn auch geringere Abstände möglich sind, insbesondere dann, wenn sich sehr dünne Finger realisieren lassen.
Die Breite der Busbars liegt im Bereich zwischen 0,5 mm und 1,2 mm. Bei der Verwendung von Silber ergibt sich nicht nur eine Ersparnis, sondern auch ein Wirkungsgradgewinn von ca. 0,1 %. Wird Nickel und Zink eingesetzt, können aufgrund der geringen Materialkosten Finger geringer Breite und größerer Höhe benutzt werden, wodurch ebenfalls ein Wirkungsgradgewinn erzielbar ist.
Erfolgt das galvanische Abscheiden insbesondere in einem Schritt, so ist ein mehrstufiges Abscheiden gleichfalls möglich.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der den Zeichnungen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
In der einzigen Figur ist in Draufsicht eine Solarzelle 10 dargestellt, die in bekannter Weise einen quadratischen Wafer 12 mit Kantenlängen von z. B. 156 mm aufweist. Der Wafer 12 weist parallel verlaufende erste Seitenränder 14 und 20 und senkrecht hierzu verlaufende zweite Seitenränder 16 und 18 auf. Der Wafer 12 ist insbesondere siliciumbasiert und weist eine p-leitende Halbleiterschicht und eine n-leitende Halbleiterschicht auf, zwischen denen ein pn-Übergang verläuft. Frontseitig, also lichteinfallseitig weist der Wafer 12 eine Antireflexschicht z. B. aus Siliciumnitrid auf.
Erfindungsgemäß wird die Frontseitenmetallisierung derart ausgebildet, dass vier parallel zueinander und zu den ersten Seitenrändern 14, 20 verlaufende Busbars 22, 24, 26, 28 angeordnet sind, die z. B. eine Breite von weniger 1,2 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,5 mm und 1,2 mm aufweisen. Die Busbars 22, 24, 26, 28 dienen als Stromableiter und werden über nicht dargestellte Verbinder mit weiteren Solarzellen zu deren Verschaltung verbunden.
Zum Stromsammeln sind Leiterbahnen, die Abschnitte von Fingern sind, sowohl mit den Busbars 22, 24, 26, 28 als auch mit dem frontseitig verlaufenden Halbleiterschichtmaterial kontaktiert. Beispielhaft sind einige der Leiterbahnen mit den Bezugszeichen 30, 32, 34 gekennzeichnet. Mit dem Bezugszeichen 36 ist ein Finger gekennzeichnet, der bei vorhandenen vier Busbars 22, 24, 26, 28 insgesamt acht Abschnitte als Leiterbahnen aufweist. Die Leiterbahnen sind Abschnitte der Finger 36, die sich von Rand zu Rand des Wafers 12 erstrecken.
Bei den Fingern 36 und damit den Leiterbahnen 30, 32, 34 handelt es sich insbesondere um solche, die aus Nickel oder Zink oder einer Kupfer-Nickel-Legierung bestehen. Diese können galvanisch aufgetragen werden. Hierzu wird zunächst die Antireflexschicht mittels insbesondere eines Laserstrahls geöffnet, um sodann galvanisch das Rohmaterial aufzutragen, das die Leiterbahnen 30, 32, 34 bildet. Wird ein einheitliches Material wie Nickel oder Zink aufgetragen, so erfolgt das galvanische Abscheiden in einem Verfahrensschritt, ohne dass zuvor eine Saatschicht aufgebracht werden muss. Bestehen die Leiterbahnen 30, 32, 34 aus verschiedenen Materialien, so werden diese schichtweise aufgetragen.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Leiterbahnen 30, 32, 34, die im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung der Busbars 22, 24, 26, 28 verlaufen, aus Silber bestehen, das gleichfalls galvanisch aufgetragen wird. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, die Leiterbahnen 30, 32, 34, sehr dünn auszubilden bei gleichzeitig geringem Querschnitt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass im Vergleich zum Stand der Technik erheblich weniger Silber benötigt wird, um die Frontseitenmetallisierung zu bilden. Ersparnisse von 33% und mehr sind erzielbar.
Werden die Materialien galvanisch abgeschieden, so beträgt die Reinheit der Materialien vorzugsweise mehr als 99,9 %.
Bei der Verwendung von Silber liegt bei einem Wafer 12 einer Kantenlänge von 156 mm der Gesamtgewichtsanteil des Silbers für sämtliche Leiterbahnen 30, 32, 34 und damit Finger 36 zwischen 20 mg und 50 mg. Nach dem Stand der Technik beläuft sich der Anteil des Silbergehaltes der Finger auf mehr als 100 mg.
Beim Silber kann die Breite der Leiterbahnen 30, 32, 34 und damit der Finger 36 zwischen 30 µm und 65 µm und die Höhe zwischen 4 µm und 8 µm liegen, wobei der Gesamtquerschnitt eines Fingers zwischen 100 µm² und 300 µm² liegen sollte. Werden Materialien wie Nickel oder Zink gewählt, so ist aufgrund der geringeren Leitfähigkeit ein größerer Querschnitt erforderlich. Die Breite sollte dabei zwischen 30 µm und 90 µm und die Höhe zwischen 10 µm und 25 µm liegen. Bei Kupfer-/Nickellegierungen, die aufgrund des Kupferanteils eine höhere Leitfähigkeit als Nickel und Zink aufweisen, sollte die Breite der Leiterbahnen 30, 32, 34 zwischen 30 µm und 80 µm und die Höhe zwischen 4 µm und 12 µm liegen.
Wie sich aus der zeichnerischen Darstellung ergibt, weisen die Busbars 22, 24, 26, 28 zueinander einen gleichen oder in etwa gleichen Abstand A auf, wobei der halbe Abstand zwischen zwei aufeinander folgende Busbars 22, 24 bzw. 24, 26 bzw. 26, 28 gleich oder in etwa gleich dem Abstand zwischen dem jeweils äußeren Busbar 22 bzw. 28 und dem zugewandten Längsrand 14 bzw. 20 ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst werden kann, dass nämlich die Stromdichte in den Leiterbahnen 30, 32, 34 reduziert wird und dass die Länge der Leiterbahnen 30, 32, 34 im Vergleich zu Anordnungen, bei denen nur zwei oder drei Bus zum Einsatz gelangen, verkürzt wird, wobei gleichzeitig die Stromsammelfläche pro Leiterbahn 30, 32, 34 reduziert wird.
Beispiel der Ausbildung einer Frontseitenmetallisierung:
Zunächst wird ein Wafer nach dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vorprozessiert, d. h., ein pn-Übergang ausgebildet, eine Antireflexschicht aufgebracht, Aluminium als Rückseitenkontakt mittels Siebdruck aufgebracht sowie gefeuert. Vor dem Auftragen der Leiterbahnen werden nun in der Antireflexschicht zwischen 70 und 120, bevorzugt zwischen 80 und 110 streifenförmige Öffnungen mittels Laserstrahlung mit einer Breite zwischen 10 µm und 40 µm, bevorzugt zwischen 20 µm und 35 µm hergestellt. Diese Öffnungen können sich entweder über die ganze Breite des Wafers erstrecken, oder bevorzugt am Rand einen kleinen Abstand von nicht mehr als 1 mm zur Waferkante ungeöffnet lassen. Zusätzlich werden 4 ca. 1 mm breite, senkrecht zu den ersten Öffnungen verlaufende Öffnungen mittels Laserstrahlung erzeugt. Durch lichtinduzierte Galvanik wird in den Öffnungen zunächst eine ca. 1 µm dicke Nickel-Schicht und anschließend eine ca. 12 µm dicke Zink-Schicht galvanisch abgeschieden. Nach der galvanischen Abscheidung ergeben sich Leiterbahnen bildende Finger einer Breite zwischen 36 µm und 66 µm, bevorzugt zwischen 46 µm und 61 µm, die sich über die gesamte Breite des Wafers erstrecken, oder, bevorzugt einen Rand von nicht mehr als 1 mm zur Waferkante freilassen. Senkrecht hierzu befinden sich ebenso galvanisch abgeschiedene Busbars, welche eine Breite von ca. 1 mm besitzen. Anschließend wird der Schichtstapel einer Temperaturbehandlung bei Temperaturen zwischen 200 °C und 400 °C, bevorzugt zwischen 250 °C und 350 °C, bei einer Dauer von 1 min bis 5 min, bevorzugt 2 min bis 4 min ausgesetzt, welche der Silicidierung des Kontaktes dient.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008053621 B [0004]
WO 2007/121619 A [0004]
US 2009/0238994 A [0004]
US 7339110 B [0005]
US 7388814 B [0005]
WO 2010/135535 A [0009]
DE 102007005161 B [0025]

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer einfallender Strahlung zugewandten frontseitigen Metallisierung eines insbesondere siliciumbasierten Wafers (12) mit zwei parallel zueinander verlaufenden Längsrändern (14, 20), bestimmt für eine Solarzelle (10), mit p-leitender und n-leitender Halbleiterschicht und einem zwischen diesen verlaufenden pn-Übergang und vorzugsweise frontseitig verlaufender Antireflexschicht, wobei mit frontseitiger Halbleiterschicht zumindest zwei Busbars und mit sowohl der Halbleiterschicht als auch den Busbars (22, 24, 26, 28) Leiterbahnen (30, 32) zur Bildung der Metallisierung kontaktiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass mit der frontseitigen Halbleiterschicht insgesamt mindestens vier Busbars (22, 24, 26, 28) kontaktiert werden, die parallel zueinander und zu den Längsrändern (14, 20) und im gleichen oder in etwa gleichem Abstand zueinander angeordnet werden, wobei halber Abstand zwischen zwei benachbarten Busbars gleich oder in etwa gleich Abstand zwischen einem Längsrand und benachbartem Busbar gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der frontseitigen Halbleiterschicht vier oder fünf Busbars (22, 24, 26, 28) kontaktiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Leiterbahnen (30, 32) zumindest eines aus der Gruppe Silber, Nickel, Zink, Kupferlegierung, Molybdän ausgewählt wird, wobei bei der Verwendung von Silber dieses mit einer Menge G mit 0,01 mg ≤ G ≤ 0,1 mg pro Leiterbahn eingesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer aktiven Waferfläche F mit 225 cm² ≤ F ≤ 256 cm² und der Verwendung von Silber als Material für die Leiterbahnen (30, 32) Silber mit einer Gesamtmenge G_G für sämtliche auf der aktiven Waferfläche verlaufende Leiterbahnen eingesetzt wird mit 20 mg ≤ G_G ≤ 60 mg.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Silber als Material der Leiterbahnen (30, 32) diese jeweils mit einem Querschnitt auf der frontseitigen Halbleiterschicht aufgebracht werden, der zu einem Endquerschnitt Q bei der fertigen Solarzelle (10) mit 100 µm² ≤ Q ≤ 300 µm² führt.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Nickel oder Zink als Material der Leiterbahnen (30, 32) diese auf die frontseitige Halbleiterschicht derart aufgebracht werden, dass sich ein Endquerschnitt einer Leiterbahn mit einer Höhe H mit H ≤ 25 µm, insbesondere 10 µm ≤ H ≤ 25 µm, und/oder einer Breite B mit B ≤ 90 µm, insbesondere 30 µm ≤ B ≤ 90 µm ergibt.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Leiterbahnen (30, 32) bildende Material nach Öffnen der Antireflexschicht, insbesondere mittels Laserstrahlung, galvanisch aufgetragen wird, wobei vorzugsweise Öffnungsbreite zwischen 5 µm und 50 µm gewählt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von mehreren Materialien für die Leiterbahnen (30, 32) die einzelnen Materialien aufeinanderfolgend galvanisch abgeschieden werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Busbar (22, 24, 26, 28) mit einer Breite B_B mit B_B ≤ 1,2 mm, insbesondere 0,5 mm ≤ B_B ≤ 1,2 mm ausgebildet wird.
Solarzelle (10), umfassend einen insbesondere siliciumbasierten, zumindest zwei parallel zueinander verlaufende Seitenränder (14, 16) aufweisenden insbesondere quadratischen oder pseudoquadratischen Wafer (12), mit p- und n-leitenden Halbleiterschichten und zwischen diesen verlaufendem pn-Übergang, vorzugsweise lichteinfallseitiger Antireflexschicht sowie lichteinfallseitiger frontseitiger Metallisierung umfassend zumindest zwei mit der frontseitig verlaufenden Halbleiterschicht kontaktierte und parallel zu den Seitenrändern verlaufende Busbars (22, 24, 26, 28) sowie sowohl mit den Busbars als auch mit der frontseitigen Halbleiterschicht kontaktierten fingerartigen Leiterbahnen (30, 32, 34), wobei die Busbars mit den Leiterbahnen die Metallisierung einer Frontseitenkontakts der Solerzalle bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die frontseitige Halbleiterschicht mit zumindest insgesamt vier parallel zueinander verlaufenden Busbars (22, 24, 26, 28) kontaktiert ist, dass die Busbars zueinander im gleichen oder in etwa gleichen Abstand angeordnet sind und dass halber oder in etwa halber Abstand zwischen zwei benachbarten Busbars gleich Abstand zwischen einem Längsrand und benachbartem Busbar ist.
Solarzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die frontseitige Halbleiterschicht mit insgesamt vier oder fünf parallel zueinander verlaufenden Busbars (22, 24, 26, 28) kontaktiert ist.
Solarzelle nach zumindest Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Leiterbahn (30, 32) zumindest ein Material aus der Gruppe Silber, Nickel, Zink, Kupferlegierung, Molybdän ist, wobei bei Silber als Material der Leiterbahn die Menge des Silbers pro Leiterbahn zwischen 0,01 mg und 0,1 mg liegt.
Solarzelle nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer aktiven Waferfläche F mit 225 cm² ≤ F ≤ 256 cm² und Silber als Material für die Leiterbahnen (30, 32) die Gesamtmenge des Silbers für sämtliche auf der aktiven Waferfläche verlaufende Leiterbahnen zwischen 20 mg und 60 mg liegt.
Solarzelle nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Silber bestehenden Leiterbahnen (30, 32) jeweils einen Querschnitt zwischen 100 µm² und 300 µm² aufweisen.
Solarzelle nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 114, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsgeometrie der aus Nickel oder Zink bestehenden Leiterbahnen (30, 32) eine Höhe H mit H ≤ 25 µm, insbesondere 10 µm ≤ H ≤ 25 µm, und/oder einer Breite B mit B ≤ 90 µm, insbesondere 30 µm ≤ B ≤ 90 µm aufweist.
Solarzelle nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das die Leiterbahnen (30, 32) bildende Material galvanisch auf die frontseitige Halbleiterschicht aufgetragen ist. Solarzelle nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Busbar (22, 24, 26, 28) eine Breite B_B mit B_B ≤ 1,2 mm, insbesondere 0,5 mm ≤ B_B ≤ 1,2 mm aufweist.