DE102011077450A1

DE102011077450A1 - Verfahren und Anordnung zur Herstellung einer kristallinen Solarzelle

Info

Publication number: DE102011077450A1
Application number: DE102011077450A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wagner; Andreas Letsch; Thomas Kiedrowski
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2012-12-20
Also published as: WO2012171927A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Solarzelle, insbesondere einer Silizium-Solarzelle, die in und auf einem Halbleitersubstrat mit einer aufgebrachten Passivierungs- bzw. Antireflexschicht gebildet ist und eine ein Metall enthaltende Kontaktschicht aufweist, wobei die Kontaktschicht nach Entfernung der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht und/oder nach Dotierung einer Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats zur Reduzierung eines Kontaktwiderstands durch Sprüh-Abscheidung von reinem Metall aus einer über dem Halbleitersubstrat platzierten und dort aufgeschmolzenen Metallfolie gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Solarzelle, insbesondere einer Silizium-Solarzelle, die in und auf einem Halbleitersubstrat mit einer aufgebrachten Passivierungs- bzw. Antireflexschicht gebildet ist und eine ein Metall enthaltende Kontaktschicht aufweist, sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Stand der Technik
Bei der Herstellung von Solarzellen aus kristallinem Silizium wird sowohl der Front-(Emitter-Kontakt) als auch der Rückkontakt (Basiskontakt) zurzeit durch ein Siebdruckverfahren hergestellt. Das Siebdruckverfahren besteht im Wesentlichen aus zwei Schritten. Im ersten Schritt wird Aluminiumpaste auf die Vorder- und Rückseite aufgebracht. Dabei besteht der Frontkontakt aus einem sogenannten Grid, das wiederum aus Fingern und Busbar besteht. Auf der Rückseite wird die Aluminiumpaste ganzflächig aufgebracht. Im zweiten Schritt wird in einem Durchlaufofen die so aufgebrachte Paste ausgehärtet bzw. versintert. Die Aluminiumpaste wird durch die das Silizium umschließende Antireflexschicht gebrannt. Dadurch kommt es zur leitenden Verbindung von Silizium mit dem Aluminium-Basiskontakt. Des Weiteren dient das Einbrennen zur Herstellung des Back-Surface-Fields auf der Rückseite.
Dieser Standardprozess hat wesentliche Nachteile:

1. Durch das Aufbringen der Paste im Siebdruckverfahren sind nur relativ geringe Aspektverhältnisse der Emitterkontakte (Busbar und Finger) von 8:1 möglich.
2. Die im Siebdruckverfahren hergestellten Leiterbahnen haben nur ca. 50% der Leitfähigkeit des Vollmaterials.
3. Durch das Einbrennen entstehen Spannungen, die einen Verzug der gesamten Zelle zur Folge haben.

Das geringe Aspektverhältnis sowie der geringe Leitwert erfordern eine Vergrößerung des Leitungsquerschnitts im Vergleich zur Verwendung von Vollmaterial. Dies führt zu einer erhöhten Abschattung des photoaktiven Bereichs der Solarzelle. Eine Verringerung der Abschattung erhöht unmittelbar den Wirkungsgrad der Solarzelle.
Der Verzug, der sich durch das Einbrennen ergibt, erschwert das Handling der Solarzellen während der Herstellung und erhöht damit die Bruchrate.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 bereitgestellt.
Das vorgeschlagene Verfahren kann für die Optimierung von Emitter- und Basiskontakt bei Solarzellen auf Basis von kristallinem Silizium Anwendung finden. Dies bedeutet, dass die Prozesskette bei der Realisierung der meisten Solarzellkonzepte, wie z. B. Standard-Siebdruckzelle und Zellen der Typen MWT (Metal-Wrap-Through), EWT (Emitter-Wrap-Through) oder IBC (Inter-digitated Back Contact) eingesetzt werden kann.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der hierfür geeigneten Anordnung ist es möglich, die Erhöhung des Wirkungsgrades wirtschaftlich umzusetzen. Dabei werden zumindest in vorteilhaften Ausführungen des Verfahrens und der Anordnung folgende den Wirkungsgrad erhöhende Effekte wirtschaftlich realisiert.

– Reduzierung der Abschattung durch schmalere Leiterbahnen,
– Reduzierung der Fläche des Metall-Halbleiter-Kontakts sowohl am Emitter als auch am Basiskontakt und damit Reduzierung der Rekombinationsverluste an diesen Flächen,
– Einbringung von Selektiven Emittern und damit Reduzierung der Auger-Rekombination und
– Erzeugung von lokalen BSFs zur Reduzierung der Rekombination am Basis-Kontakt

Durch die Erhöhung des Wirkungsgrades werden die Wirtschaftlichkeit der Solarzellproduktion und damit die Wettbewerbsfähigkeit des das Verfahren anwendenden Herstellers verbessert.
In einer Ausführung der Erfindung werden eine selektive Entfernung der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht und/oder selektive Dotierung der Oberflächenschicht sowie selektive Sprüh-Abscheidung an vorbestimmten Orten gemäß einem vorbestimmten Kontaktstrukturmuster ausgeführt. Dies betrifft typischerweise die Solarzellen-Vorderseite, die mit dem oben erwähnten Grid zu versehen ist. In einer anderen Ausführung, die typischerweise für eine ganzflächig zu metallisierende Solarzellen-Rückseite zur Anwendung kommt, werden die Entfernung der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht und/oder Dotierung der Oberflächenschicht und Sprüh-Abscheidung über die gesamte Substratoberfläche ausgeführt.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens, die mit aktuellen Solarzellen-Herstellungsprozessen unter Einsatz von Bearbeitungslasern kompatibel ist, wird die Metallfolie durch Laserstrahlung aufgeschmolzen. In einer Ausgestaltung ist hierbei vorgesehen, dass die Metallfolie durch einen relativ zu ihr bewegten Laserstrahl lokal aufgeschmolzen wird. Anlagentechnisch lässt sich das grundsätzlich mit kommerziell verfügbaren Laserbearbeitungs-Ausrüstungen realisieren. In einer weiteren Ausgestaltung wird die Metallfolie während des Aufschmelzens an einem mit vorbestimmtem Abstand über den Halbleitersubstrat gehalterten Bearbeitungskopf positioniert, und es wird speziell die Metallfolie während des Aufschmelzens relativ zum Strahl eines ebenfalls am Bearbeitungskopf gehaltenen Lasers transportiert.
In einer weiteren Ausführung ist zwischen dem Halbleitersubstrat und der Metallfolie ein Abstandshalter angeordnet. Speziell ist hierbei als Abstandshalter eine Maske mit Öffnungen, die insbesondere gemäß einem vorbestimmten Kontaktstrukturmuster konfiguriert sind, vorgesehen. Aus derzeitiger Sicht ist jedoch eine abstandshalter-freie Führung der aufzuschmelzenden Metallfolie über dem Substrat (mittels eines geeignet gesteuerten Bearbeitungskopfes, wie weiter oben erwähnt) in Verbindung mit einem präzise lokal gesteuerten Aufschmelzen/Sprühen bevorzugt.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schritte des Entfernens der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht und/oder der Dotierung einer Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats und der Sprüh-Abscheidung von Metall zeitlich zusammenhängend in einer einzelnen Bearbeitungsstation einer Herstellungsanlage ausgeführt werden. Dies ermöglicht die Ausführung der einzelnen Verfahrensschritte mit der erforderlichen hohen relativen Positioniergenauigkeit.
Vorrichtungsaspekte der Erfindung ergeben sich ohne Weiteres aus den oben erläuterten Verfahrensaspekten und werden hier insoweit nicht nochmals beschrieben. Insbesondere versteht es sich, dass den Prozessschritten des Entfernens der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht und/oder des Dotierens einer Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats geeignete Komponenten einer Herstellungsanlage entsprechen; gleiches gilt für den Schritt der Sprüh-Abscheidung aus einer über dem Halbleitersubstrat angeordneten Metallfolie. Es sei jedoch hervorgehoben, dass die genannten Komponenten zweckmäßigerweise in einer Bearbeitungsstation vereinigt sind, in der das Halbleitersubstrat in vorbestimmter Lage relativ zur der Metallfolie und zu einem Bearbeitungskopf gehaltert ist, welcher eine Strahlungsquelle zum Aufschmelzen der Metallfolie und hierdurch bewirkten Sprüh-Abscheidung des Metalls auf das Halbleitersubstrat aufweist.
Hier ist insbesondere als Strahlungsquelle ein – speziell positionsgesteuerter – Laser vorgesehen.
In einer weiteren Ausführung weist der Bearbeitungskopf Abstandseinstellmittel zur Einstellung eines vorbestimmten Abstandes gegenüber der Oberfläche des Halbleitersubstrats und eine Folienhalterung zur Halterung der Metallfolie mit diesem vorbestimmten Abstand auf. In einer Ausgestaltung gehört zum Bearbeitungskopf eine Transporteinrichtung zum Transport der Metallfolie relativ zu einem von der Strahlungsquelle ausgehenden Bearbeitungsstrahl.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung eines wesentlichen Verfahrensschrittes einer Ausführung der Erfindung,
2 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung wesentlicher Schritte einer Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens,
3 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung eines Verfahrens- und Vorrichtungsaspektes einer Ausführung der Erfindung und
4 ein Blockschema zur Erläuterung des Grundaufbaus einer beispielhaften erfindungsgemäßen Anordnung.
1 zeigt als Prinzipsskizze, wie über einem Halbleitersubstrat 1 eine Maskenschicht 3 mit einer Öffnung 3a und über der Maskenschicht eine Metallfolie 5 platziert ist. Mittels eines fokussierten Laserstrahls 7 wird ein kleiner Bereich 5a der Metallfolie 5 derart aufgeschmolzen, dass sich hieraus ein Sprühnebel 5b innerhalb der Öffnung 3a der Maske 3 bildet. Aus dem Sprühnebel schlägt sich Metall 5c mit einer Metallisierungs-Strukturbreite x, die durch die Breite der Öffnung 3a vorgegeben ist, auf dem Halbleitersubstrat 1 nieder und bildet dort einen Leiterbereich (etwa einen Abschnitt eines Grid) aus.
2 verdeutlicht in einer schematischen Querschnittsansicht, wie dieses Prinzip bei der Leitbahnbeschichtung des Halbleitersubstrats 1 mittels eines quasi-end-losen Metallbandes 5' realisiert wird, das über zwei Transportrollen 9 durch den abtastend über das Halbleitersubstrat geführten Laserstrahl 7 hindurch transportiert werden. Die Transportrollen 9 sind ebenso wie der den Laserstrahl 7 erzeugende (nicht dargestellte) Laser in einem positionsgesteuerten Bearbeitungskopf 11 untergebracht, dessen Positionssteuerung in der Figur mit einer x- und einer y-Achse symbolisch dargestellt ist. Ebenfalls symbolisch dargestellt ist, dass der Bearbeitungskopf 11 und mit ihm die Metallfolie 5' mit einem präzise vorbestimmten Abstand z über der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 entlang geführt wird. Dies ermöglicht eine Prozessführung ohne auf das Substrat aufgebrachte Abstandshalter bzw. Maskenschicht. Da die Geschwindigkeit des Bandes nicht mit der Vorschubgeschwindigkeit übereinstimmen muss, kann so die Dicke der Leiterbahn gesteuert werden.
3 zeigt schematisch Schritte einer Ausführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens auf einem Solarzellensubstrat 1, welches zu Beginn des relevanten Verfahrensablaufes eine Emitterschicht 1a in der oberen Hauptoberfläche (Vorderseite) und hierauf eine Passivierungsschicht 1b aufweist. In einem ersten Bearbeitungsschritt S1 wird lokal die Passivierungsschicht 1b entfernt, wodurch eine reguläre Anordnung von Kontaktierungsbereichen 1c ausgebildet wird. In einem Schritt S2 wird in diesen Kontaktierungsbereichen eine Dotierung zur Reduzierung des Kontaktwiderstandes mit einer später aufzubringenden Metallisierung erzeugt, wodurch dotierte Kontaktierungsbereiche 1d ausgebildet werden. In einem dritten Schritt S3 schließlich werden auf die weiter oben erläuterte Weise Metallisierungs-Streifen 1e mit derartiger Positionierung erzeugt, dass unter ihnen die dotierten Kontaktierungsbereiche 1d liegen. Dies ist im Teil „Schnitt A” der Figur dargestellt.
4 zeigt schematisch den Aufbau einer Bearbeitungsstation 10, in der das Solarzellensubstrat 1 auf die in 3 dargestellte Weise bearbeitet werden kann und die hierzu neben dem Bearbeitungskopf 11 gemäß 2 eine Einrichtung 13 zum Abtragen des lokalen Dielektrikums (der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht) und eine Laserdotiereinrichtung 15 umfasst. Letztere enthält eine (nicht dargestellte) Dotierstoffquelle und bedient sich zur Erzeugung der lokalen Dotierung eines Laserstrahls, der durch den gleichen Laser geliefert werden kann, der im Bearbeitungskopf 11 den für die lokale Metallisierung verwendeten Laserstrahl 7 liefert.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Solarzelle, insbesondere einer Silizium-Solarzelle, die in und auf einem Halbleitersubstrat (1) mit einer aufgebrachten Passivierungs- bzw. Antireflexschicht (1b) gebildet ist und eine ein Metall enthaltende Kontaktschicht (1c) aufweist, wobei die Kontaktschicht nach Entfernung der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht und/oder nach Dotierung einer Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats zur Reduzierung eines Kontaktwiderstands durch Sprüh-Abscheidung von reinem Metall aus einer über dem Halbleitersubstrat platzierten und dort aufgeschmolzenen Metallfolie (5; 5') gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine selektive Entfernung der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht (1b) und/oder selektive Dotierung der Oberflächenschicht sowie selektive Sprüh-Abscheidung an vorbestimmten Orten gemäß einem vorbestimmten Kontaktstrukturmuster (3a) ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Entfernung der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht (1b) und/oder Dotierung der Oberflächenschicht und Sprüh-Abscheidung über die gesamte Substratoberfläche ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Metallfolie (5; 5') durch Laserstrahlung aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Metallfolie (5; 5') durch einen relativ zu ihr bewegten Laserstrahl lokal aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Halbleitersubstrat (1) und der Metallfolie (5; 5') ein Abstandshalter (3) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei als Abstandshalter eine Maske (3) mit Öffnungen (3a), die insbesondere gemäß einem vorbestimmten Kontaktstrukturmuster konfiguriert sind, vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Metallfolie (5; 5') während des Aufschmelzens an einem mit vorbestimmtem Abstand über den Halbleitersubstrat (1) gehalterten Bearbeitungskopf (11) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Metallfolie (5; 5') während des Aufschmelzens relativ zum Strahl eines ebenfalls am Bearbeitungskopf (11) gehaltenen Lasers (7) transportiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schritte des Entfernens der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht (1b) und/oder der Dotierung einer Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats (1) und der Sprüh-Abscheidung von Metall zeitlich zusammenhängend in einer einzelnen Bearbeitungsstation (10) einer Herstellungsanlage ausgeführt werden.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Bearbeitungsstation (10), in der das Halbleitersubstrat (1) in vorbestimmter Lage relativ zur der Metallfolie (5; 5') und zu einem Bearbeitungskopf (11) gehaltert ist, welcher eine Strahlungsquelle (7) zum Aufschmelzen der Metallfolie und hierdurch bewirkten Sprüh-Abscheidung des Metalls auf das Halbleitersubstrat aufweist.
Anordnung nach Anspruch 11, wobei als Strahlungsquelle ein Laser (7) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Bearbeitungskopf (11) Abstandseinstellmittel zur Einstellung eines vorbestimmten Abstandes gegenüber der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) und eine Folienhalterung (9) zur Halterung der Metallfolie mit diesem vorbestimmten Abstand aufweist.
Anordnung nach Anspruch 13, wobei der Bearbeitungskopf eine Transporteinrichtung (9) zum Transport der Metallfolie (5; 5') relativ zu einem von der Strahlungsquelle (7) ausgehenden Bearbeitungsstrahl aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Bearbeitungsstation (10) weitere Bearbeitungsmittel (13; 15) zur Entfernung der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht (1b) und/oder zur Erzeugung der Dotierung der Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats (1) umfasst.