DE102011077462A1 - Verfahren, Anordnung und Prozesshilfsmittel zur Herstellung einer kristallinen Solarzelle - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere einer Silizium-Solarzelle, die in und auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist und eine ein Metall enthaltende Kontaktschicht aufweist, wobei die Kontaktschicht durch Sprüh-Abscheidung von reinem Metall aus einem über dem Halbleitersubstrat platzierten und dort aufgeschmolzenen Metallspender gebildet wird, welcher als langgestrecktes Profilmaterial mit einem Maskenbereich auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere einer Silizium-Solarzelle, die in und auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist und eine ein Metall enthaltende Kontaktschicht aufweist, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Stand der Technik
  • Im Bereich der Photovoltaik werden in der industriellen Fertigung der Front- und der Rückseitenmetallkontakt der Solarzelle durch ein Siebdruckverfahren hergestellt. Wahrend die Rückseitenmetallisierung durch ein ganzflächiges Auftragen einer Aluminiumpaste realisiert wird, besteht der Frontkontakt aus einem Silberpasten Grid, das wiederum aus Fingern und Busbars besteht. In einem Durchlaufofen-Prozess wird die so aufgebrachte Paste ausgehärtet bzw. versintert. Dieser Standardprozess hat drei wesentliche Nachteile:
    • 1. Durch das Aufbringen der Paste im Siebdruckverfahren sind nur relativ geringe Aspektverhaltnisse der Emitterkontakte (Busbar und Finger) von 8:l möglich.
    • 2. Die im Siebdruckverfahren hergestellten Leiterbahnen besitzen nur ca. 20 % der Leitfähigkeit des Vollmaterials.
    • 3. Durch das Einbrennen entstehen Spannungen, die einen Verzug der gesamten Zelle zur Folge haben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Prozesshilfsmittel zur Durchführung dieses Verfahrens und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vorgeschlagen. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung schließt den Gedanken ein, die Kontaktschicht der Solarzelle durch Sprüh-Abscheidung von Metall auszubilden. Sie schließt weiter den Gedanken ein, als Metallquelle ein direkt über dem Halbleitersubstrat platziertes und dort (lokal) aufgeschmolzenes langgestrecktes Profilmaterial in Art eines profilierten Drahtes einzusetzen. Das Aufschmelzen wird derart ausgeführt, dass sich aus der Schmelze ein Sprühnebel bildet, aus dem sich, begrenzt durch einen Maskenabschnitt des Profilmaterials, Metall auf das Halbleitersubstrat niederschlägt. Beim vorgeschlagenen Verfahren werden also die Metallquelle und eine „Maske“ in einem einzelnen Profil- bzw. Verbundmaterial funktional zusammengefasst.
  • Mit dem beschriebenen Verfahren lässt sich eine Erhöhung des Wirkungsgrades von Solarzellen wirtschaftlich umsetzen. Durch Verzicht auf die Verwendung einer separaten Maske bei gleichzeitiger Steigerung er Prozessgeschwindigkeit lassen sich die Kosten für die Herstellung eines Seed-Layers auf < 1 Cent/Wp reduzieren. Durch die Erhöhung des Wirkungsgrades werden die Wirtschaftlichkeit der Solarzellproduktion und damit die Wettbewerbsfähigkeit des Herstellers verbessert.
  • Das Verfahren bietet die Möglichkeit, dass es zur Herstellung eines Seed-Layers Anwendung findet. Somit lässt sich die Metallisierung mittels Galvanik aufdicken. Hierdurch lasst sich eine selbstjustierende Fine-Line Metallisierung herstellen. Dies bedeutet, dass das Metallisierungsverfahren bei der Realisierung der meisten Solarzellkonzepte, wie z. B. Standard-Siebdruckzelle und Zellen der Typen MWT (Metal-Wrap-Through), EWT (Emitter-Wrap-Through), HIT, PERC, PERT oder IBC (Inter-digitated Back Contact) eingesetzt werden kann.
  • In einer Ausführung des Verfahrens wird die Sprüh-Abscheidung nach Entfernung der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht und/oder nach Dotierung einer Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats zur Reduzierung des Kontaktwiderstands ausgeführt. Mindestens der Schritt des Entfernens der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht ist in der Regel zur Realisierung eines brauchbaren Kontaktwiderstandes zwischen Halbleitersubstrat und Kontakt-Metallisierung erforderlich; durch zusätzliche geeignete Dotierung kann der Kontaktwiderstand weiter verringert werden. Speziell 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, welches mindestens in wesentlichen Teilen als Öffnungsmuster des Maskenabschnitts des Profilmaterials vorgeprägt ist.
  • 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 Metallgrid zu versehen ist.
  • In einer weiteren Ausführung des Verfahrens, die mit aktuellen Solarzellen-Herstellungsprozessen unter Einsatz von Bearbeitungslasern kompatibel ist, wird der Metallspender durch Laserstrahlung aufgeschmolzen. In einer Ausgestaltung ist hierbei vorgesehen, dass er durch einen relativ zu ihm bewegten Laserstrahl lokal aufgeschmolzen wird. Anlagentechnisch lässt sich das grundsätzlich mit kommerziell verfügbaren Laserbearbeitungs-Ausrüstungen realisieren. Die Anwendung der Erfindung ist aber nicht auf den Einsatz von Laserstrahlung beschränkt, sondern es kann grundsätzlich auch andere, insbesondere fokussierbare, energiereiche Strahlung zum Einsatz kommen, wie etwa Elektronenstrahlen.
  • Wird die Laser-Transfermetallisierung zur Fine-Line Metallisierung einer Solarzelle verwendet, besteht ein weiterer Vorzug des Verfahrens darin, dass sich der Metallspray durch die Passivierung der Vorderseite hindurch brennt und somit einen elektrischen Kontakt zur Solarzelle herstellt.
  • Zweckmäßigerweise wird das Profilmaterial während des Aufschmelzens relativ zum Strahl eines ebenfalls am Bearbeitungskopf gehaltenen Lasers transportiert. Es versteht sich, dass die Profilmaterial-Zuführung auch an einem vom Laserkopf separaten Mechanismus erfolgen kann; hierbei können aber unerwünschte Positionsverschiebungen auftreten.
  • Insbesondere kann ein Draht als Metallquelle direkt von einer Spule dem Prozess zugeführt werden (d. h. unter dem Laserbearbeitungskopf durchgeführt werden). Durch eine derartige Zuführung kann die Vorschubgeschwindigkeit von der Zuführgeschwindigkeit entkoppelt werden. Hierdurch wird dem Verfahren ein zusätzlicher Freiheitsgrad zur Verfügung gestellt. Die zugeführte und somit aufgetragene Metallmenge lässt sich somit frei steuern.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird das Profilmaterial während des Aufschmelzens an einem mit vorbestimmtem Abstand über den Halbleitersubstrat gehalterten Bearbeitungskopf positioniert, und es wird speziell während des Aufschmelzens relativ zum Strahl eines ebenfalls am Bearbeitungskopf gehaltenen Lasers transportiert. Da gemäß einem Aspekt der Erfindung das als Metallquelle eingesetzte Profilmaterial bzw. Verbundmaterial zugleich als Beschichtungsmaske fungiert und eine Abstandshalterfunktion haben kann, muss die Abstands-Einstellung des Bearbeitungskopfes nicht notwendigerweise hoch präzise sein.
  • In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird als Profilmaterial ein materialhomogener profilierter Metalldraht eingesetzt, der auf einer im Übrigen ebenen Oberfläche mindestens eine im Verfahren als Maskenöffnung wirkende Ausnehmung mit vorbestimmter Gestalt aufweist. Grundsätzlich kann aber auch ein nicht material-einheitliches Profilmaterial, also ein Verbundmaterial, zum Einsatz kommen, bei dem z. B. der Maskenabschnitt aus einem Kunststoff besteht.
  • Die Verwendung eines profilierten Drahts bietet den Vorteil, dass ein Aufarbeitungs- bzw. Reinigungsschritt der Maske entfällt. Die den Metallspray begrenzenden Seitenwände des Drahts kommen nur einmal zur Anwendung und daher ist es unerheblich, ob sich ein Teil des Sprays an ihnen anlagert. Die Metallseitenwände können nach dem Prozess dem Recycling zugeführt werden. Durch Wahl der Geometrie des Ziehsteins, bzw. des Profilierungswerkzeugs des Drahts kann sowohl die Breite wie auch die Höhe der zu metallisierenden Spur eingestellt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung hat die Profilmaterialhalterung eine Gleitführung zur gleitenden Führung eines profilierten Drahtes in geringem Abstand über die Oberfläche des Halbleitersubstrats.
  • In einer weiteren Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens kann ein dotierter Metalldraht verwendet werden. Eine solche Dotierung kann beispielsweise durch eine Legierung bei der Drahtherstellung realisiert werden. Somit lässt sich mittels des beschriebenen Verfahrens eine Fine-Line-Metallisierung in Verbindung mit einem selektiven Emitter herstellen.
  • Vorrichtungsseitig ist zur Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens ein Bearbeitungskopf vorgesehen, der eine Profilmaterialhalterung zur Halterung des Profilmaterials über dem Halbleitersubstrat umfasst und in dem bevorzugt auch die Strahlungsquelle zum Aufschmelzen des Metallfolien-Bereiches des Profilmaterials angebracht ist. Grundsätzlich kann die Strahlungsquelle allerdings auch separat gehaltert und positioniert sein.
  • 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 und
  • 3 eine Querschnittsdarstellung eines Profilmaterials und einer hieran angepassten Gleitführung eines Bearbeitungskopfes bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 1 zeigt als Prinzipskizze, 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 quasiendlosen Metalldrahtes 5’ realisiert wird, der 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 der Metalldraht 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 im Querschnitt eine über dem Halbleitersubstrat (Solarzellensubstrat) 1 positionierte Gleitführung 13, als Bestandteil des (hier nicht insgesamt dargestellten) Bearbeitungskopfes 11, in der ein speziell geformtes drahtartiges Profilmaterial 5’’ in einer angepassten Kavität 15a einer Halterung 15 gleitend geführt ist. Es ist zu erkennen, dass das Profilmaterial 5’’ einen komplexen Querschnitt aufweist, der insbesondere durch eine längs verlaufende und im Querschnitt im Wesentlichen rechteckige Ausnehmung 5a’’ und beidseitig spitz zulaufende Flanken 5b’’ gekennzeichnet ist.
  • Die Ausnehmung 5a’’ fungiert als Maskenabschnitt für einen Sprühnebel 5c’’, der sich aus einer mittels des Laserstrahls 7 erzeugten Schmelzzone 5d’’ an der Oberseite des Profilmaterials entwickelt und auf die Substratoberfläche trifft. Sie begrenzt somit die Breite einer auf dem Substrat 1 abgeschiedenen Metallisierungsschicht 1a auf den durch die Ausnehmung im Profilmaterial 5’’ vorgegebenen Wert x. In Verbindung mit der geeigneten Einstellung der Leistung des Laserstrahls und der Vorschubgeschwindigkeit über dem Substrat kann mit der Ausnehmung (dem Maskenabschnitt) 5a’’ des Profilmaterials auch die Höhe der Metallisierungs-Spur 1a eingestellt werden.
  • Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere einer Silizium-Solarzelle, die in und auf einem Halbleitersubstrat (1) gebildet ist und eine ein Metall enthaltende Kontaktschicht aufweist, wobei die Kontaktschicht (5c; 1a) durch Sprüh-Abscheidung von reinem Metall aus einem über dem Halbleitersubstrat platzierten und dort aufgeschmolzenen Metallspender (5; 5’; 5’’) gebildet wird, welcher als langgestrecktes Profilmaterial (5; 5’; 5’’) mit einem Maskenbereich auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats zugeführt wird.
  2. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Profilmaterial ein material-homogener profilierter Metalldraht (5’’) eingesetzt wird, der auf einer im Übrigen ebenen Oberfläche mindestens eine im Verfahren als Maskenöffnung wirkende Ausnehmung (5a’’) mit vorbestimmter Gestalt aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sprüh-Abscheidung nach Entfernung einer Passivierungs- bzw. Antireflexschicht und/oder nach Dotierung einer Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats zur Reduzierung eines Kontaktwiderstands ausgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine selektive Entfernung der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht und/oder selektive Dotierung der Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats (1) sowie selektive Sprüh-Abscheidung an vorbestimmten Orten gemäß einem vorbestimmten Kontaktstrukturmuster (3a; 5a’’) ausgeführt werden, welches mindestens in wesentlichen Teilen als Öffnungsmuster des Maskenbereichs des Profilmaterials (5; 5’; 5’’) vorgeprägt ist.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Profilmaterial (5; 5’; 5’’) durch energiereiche Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, und noch spezieller durch einen relativ zum Profilmaterial bewegten Laserstrahl (7) lokal, aufgeschmolzen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die durch Sprüh-Abscheidung auf dem Halbleitersubstrat (1) gebildete Kontaktschicht (5c; 1a) in einem nachgeordneten Verfahrensschritt galvanisch verstärkt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Profilmaterial (5; 5’; 5’’) während des Aufschmelzens an einem mit vorbestimmtem Abstand über den Halbleitersubstrat (1) gehalterten Bearbeitungskopf (11) positioniert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Profilmaterial (5; 5’; 5’’) während des Aufschmelzens relativ zum Strahl eines ebenfalls am Bearbeitungskopf gehaltenen Lasers (7) transportiert wird.
  9. Profilmaterial (5; 5’; 5’’) als Prozesshilfsmittel zum Einsatz in einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  10. Profilmaterial nach Anspruch 9, ausgebildet als material-homogener profilierter Metalldraht (5’’), der auf einer im Übrigen ebenen Oberfläche mindestens eine im Verfahren als Maskenöffnung wirkende Ausnehmung (5a’’) mit vorbestimmter Gestalt aufweist.
  11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Bearbeitungsstation, in der das Halbleitersubstrat (1) in vorbestimmter Lage relativ zu dem Profilmaterial (5; 5’; 5’’) und zu einem Bearbeitungskopf (11) gehaltert ist, welcher eine Strahlungsquelle (7) zum Aufschmelzen des Metallspenders und hierdurch bewirkten Sprüh-Abscheidung des Metalls auf das Halbleitersubstrat aufweist, wobei der Bearbeitungskopf eine Profilmaterialhalterung (15) zur Halterung des Profilmaterials über dem Halbleitersubstrat aufweist.
  12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei als Strahlungsquelle ein Laser (7) vorgesehen ist.
  13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Bearbeitungskopf (11) eine Transporteinrichtung (9) zum Transport des Profilmaterials (5; 5’; 5’’) relativ zu einem von der Strahlungsquelle (7) ausgehenden Bearbeitungsstrahl aufweist.
  14. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Profilmaterialhalterung (15) eine Gleitführung (15a) zur gleitenden Führung eines profilierten Drahtes (5’’) in geringem Abstand über die Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) aufweist.
  15. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Bearbeitungsstation weitere Bearbeitungsmittel zur Entfernung der Passivierungs- bzw. Antireflexschicht und/oder zur Erzeugung der Dotierung der Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats umfasst.
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