DE102012007115A1

DE102012007115A1 - Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle

Info

Publication number: DE102012007115A1
Application number: DE201210007115
Authority: DE
Inventors: Kai Carstens; Shinshue Miyajima
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2013-10-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Dünnschicht-Solarzelle (10). Dabei wird ein Trägersubstrat (11) mit einer dotierten Basisschicht (12) bereitgestellt, die eine lichtempfangende Oberfläche (14) und eine rückseitige Oberfläche (16) aufweist. An der rückseitigen Oberfläche (16) wird eine Maskierungseinrichtung (44) angeordnet und die rückseitigen Oberfläche (16) mittels der Maskierungseinrichtung (44) zur Strukturierung einer auf der rückseitigen Oberfläche (16) abzuscheidenden Materialschicht (22, 24) partiell abgeschattet. Ferner wird eine Passivierungsschicht (22) auf der rückseitigen Oberfläche (16) abgeschieden, die einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der anschließend größer ist als ein spezifischer elektrischer Widerstand der Basisschicht (12), die Maskierungseinrichtung (44) von der rückseitigen Oberfläche (16) entfernt und eine leitfähige Schicht (26) auf dem Trägersubstrat (11) abgeschieden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, das die Schritte Bereitstellen eines Trägersubstrats mit einer dotierten Basisschicht, die eine lichtempfangene Oberfläche und eine rückseitige Oberfläche aufweist, Abscheiden einer Passivierungsschicht auf der rückseitigen Oberfläche, wobei die Passivierungsschicht einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der größer ist als ein spezifischer elektrischer Widerstand der Basisschicht, und Abscheiden einer leitfähigen Schicht auf dem Trägersubstrat aufweist.
In der Solarzellentechnik gehen kontinuierliche Bestrebungen dorthin, den Wirkungsgrad der Solarzellen zu erhöhen und gleichzeitig die Fertigungskosten der Solarzellen so gering wie möglich zu halten.
Üblicherweise werden elektrische Rückseitenkontakte in der industriellen Solarzellenfertigung als flächige leitfähige Schichten ausgebildet, die bspw. aus Aluminium gefertigt sein können. Nachteilig dabei ist es, dass die Minoritätsladungsträger-Rekombinationsrate an der Grenzschicht zwischen dem Halbleitersubstrat und dem flächigen Rückseitenkontakt sehr hoch ist und dadurch der Wirkungsgrad der Solarzelle begrenzt ist.
Alternative Rückseitenkontaktstrukturen sind als punktförmige elektrische Kontakte oder linienförmige Kontakte mit einer Passivierungsschicht ausgebildet, um die Rekombinationsrate an der Metall-/Halbleitergrenzschicht zu reduzieren. Nachteilig bei diesen Rückseitenkontakten ist es, dass der Strukturierungsprozess zum Erzeugen der elektrischen Kontaktstrukturen technisch aufwändig und mit hohen Fertigungskosten verbunden ist.
Aus der DE 10 2005 013 668 B1 ist eine Solarzelle bekannt mit einer rückseitigen Passivierungsschicht, die flächig auf dem Halbleitersubstrat abgeschieden ist. Nachteilig dabei ist es, dass ein Schichtsystem, das gleichzeitig gute Passivierung und gute elektrische Kontaktierung gewährleistet, schwierig zu fertigen ist.
Aus der DE 100 46 170 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-Metallkontakten durch eine dielektrische Schicht hindurch bekannt, bei dem mittels eines Laserstrahls eine Metallschicht lokal punkt- oder linienförmig erhitzt wird, so dass eine Schmelzmischung aus der Metallschicht, der dielektrischen Schicht und dem Halbleitermaterial entsteht und einen elektrischen Kontakt zwischen dem Halbleiter und der Metallschicht bildet. Nachteilig dabei ist es, dass das Verfahren technisch aufwändig und mit hohen Fertigungskosten verbunden ist.
Es ist ferner bekannt eine Rückseitenkontaktierung einer passivierten Solarzelle mittels einer Siebdruckschicht zu erzeugen. Dabei wird auf eine dünne amorphe Siliziumschicht eine transparente Zwischenschicht mittels Siebdruckverfahren aufgebracht und auf die so strukturierte transparente Zwischenschicht eine Aluminiummetallisierung abgeschieden. Die transparente Zwischenschicht dient dabei als Maske, wobei an den Flächen, an denen die Aluminiumschicht mit der amorphen Siliziumschicht kontaktiert ist, während einer nachfolgenden Wärmebehandlung ein elektrischer Kontakt zu dem Halbleitersubstrat gebildet wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist es, dass das Aufbringen und das Strukturieren der transparenten Zwischenschicht technisch aufwändig und mit hohen Fertigungskosten verbunden ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit folgenden Schritten gelöst:

– Bereitstellen eins Trägersubstrats mit einer dotierten Basisschicht, die eine lichtempfangene Oberfläche und eine rückseitige Oberfläche aufweist,
– Anordnung einer Maskierungseinrichtung an der rückseitigen Oberfläche,
– partielles Abschatten der rückseitigen Oberfläche mittels der Maskierungseinrichtung zur Strukturierung einer auf der rückseitigen Oberfläche abzuscheidenden Materialschicht,
– Abscheiden einer Passivierungsschicht auf der rückseitigen Oberfläche, wobei die Passivierungsschicht einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der größer ist als ein spezifischer elektrischer Widerstand der Basisschicht,
– Entfernen der Maskierungseinrichtung von der rückseitigen Oberfläche, und
– Abscheiden einer leitfähigen Schicht auf dem Trägersubstrat.

Erfindungsgemäß wird durch die Maskierungseinrichtung mit geringem technischem Aufwand eine partielle Abschattung der zu beschichtenden rückseitigen Oberfläche erzielt und dadurch die Passivierungsschicht auf der rückseitigen Oberfläche strukturiert. Die nachträglich auf dem Trägersubstrat abgeschiedene leitfähige Schicht kann an den abgeschatteten Bereichen der rückseitigen Oberfläche einen elektrischen Kontakt mit der Basisschicht bilden, ohne dass eine aufwändige Justage oder die Verwendung von photolithografischen Verfahren notwendig ist. Durch den so erzeugten lokal begrenzten elektrischen Kontakt kann die Rekombinationsrate an der Grenzschicht der Basisschicht zu der leitfähigen Schicht reduziert werden, wodurch die Effizienz der Solarzelle erhöht ist. Durch die selbstjustierende Wirkung der abgeschatteten Bereiche, bzw. durch die nicht notwendige Strukturierung der leitfähigen Schicht, ist das erfindungsgemäße Verfahren technisch einfach und mit geringen Fertigungskosten realisierbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter partiellem Abschatten verstanden, dass sowohl ein besonderer Abschnitt der rückseitigen Oberfläche abgeschattet wird als auch dass in dem abgeschatteten Abschnitt eine Abscheidungsrate des abzuscheidenden Materials reduziert ist, so dass lokal eine geringere Schichtdicke der Materialschicht erzeugt wird.
in einer bevorzugten Ausführungsform wird ein elektrischer Kontakt zwischen der leitfähigen Schicht und der Basisschicht in einem von der Maskierungseinrichtung abgeschatteten Bereich gebildet.
Dadurch können elektrische Kontakte zu der Basisschicht gezielt und präzise und gleichzeitig mit geringen Abmessungen erzeugt werden, wodurch die Solarzelle insgesamt einen höheren Wirkungsgrad erhält.
Es ist dabei bevorzugt, wenn das Trägersubstrat nach dem Abscheiden der leitfähigen Schicht auf eine vordefinierte Temperatur erhitzt wird.
Dadurch kann die leitfähige Schicht an den abgeschatteten Bereichen in die Basisschicht eindiffundieren und unter Umständen durch eine dünne Restpassivierungsschicht hindurchdiffundieren, wodurch mit einfachen Mitteln ein guter elektrischer Kontakt mit der Basisschicht gebildet wird.
Es ist allgemein bevorzugt, wenn vor dem Lösen der Maskierungseinrichtung auf der elektrisch isolierenden Passivierungsschicht eine Diffusionsbarriereschicht abgeschieden wird.
Dadurch kann ein Eindiffundieren der leitfähigen Schicht auf die abgeschatteten Bereiche der Basisschicht begrenzt werden und gleichzeitig ein Eindiffundieren der leitfähigen Schicht in den nicht abgeschatteten Bereich der Passivierungsschicht verhindert werden, wodurch die Bildung unbeabsichtigter Rekombinationszentren in der Grenzschicht der Passivierungsschicht und der Basisschicht verhindert werden kann.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Basisschicht aus kristallinem Halbleitermaterial gebildet ist.
Dadurch kann eine hohe Ladungsträgerdichte in der Solarzelle erzeugt werden, wodurch im Allgemeinen der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht wird.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Passivierungsschicht Silizium, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid und/oder Siliziumcarbid mit amorphen und/oder kristallinen Anteilen aufweist.
Dadurch kann mit geringem technischen Aufwand eine stabile Passivierungsschicht auf der rückseitigen Oberfläche erzeugt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Passivierungsschicht schwach leitend bzw. im Wesentlichen elektrisch isolierend ausgebildet.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die die Diffusionsbarriereschicht Siliziumcarbid, Siliziumnitrid Siliziumoxid und/oder ein oder mehrere Metalloxide mit amorphen und/oder kristallinen Anteilen aufweist.
Dadurch kann mit einfachen Mitteln effektiv ein Eindiffundieren von Atomen der leitfähigen Schicht in die Passivierungsschicht verhindert werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die leitfähige Schicht eine Metallschicht, eine dotierte Halbleiterschicht und/oder eine transparent leitfähige Schicht aufweist.
Dadurch kann mit geringem prozesstechnischem Aufwand eine elektrische Verbindung zu der Basisschicht hergestellt werden.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Metallschicht Aluminium aufweist.
Durch das Aluminium kann eine Kristallisation der Passivierungsschicht an den abgeschatteten Bereichen erzeugt werden, wodurch ein elektrischer Kontakt durch eine dünne Restpassivierungsschicht hindurch erzeugt werden kann.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Maskierungseinrichtung wenigstens ein strangförmiges Maskierungsmittel aufweist, das in Längsrichtung vorgespannt ist.
Dadurch können mit einfachen Mitteln langgestreckte abgeschattete Bereiche auf der Rückseite der Basisschicht erzeugt werden, die eine effektive elektrische Rückseitenkontaktierung ermöglichen.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das Trägersubstrat vor der Abscheidung der Passivierungsschicht gebogen wird, so dass die rückseitige Oberfläche eine äußere Oberfläche des gebogenen Trägersubstrats bildet.
Dadurch kann die Maskierungseinrichtung mit einfachen Mitteln und zuverlässig mit der rückseitigen Oberfläche in direkten Kontakt gebracht werden, so dass das Abschatten der rückseitigen Oberfläche besonders zuverlässig möglich wird.
Es ist weiterhin allgemein bevorzugt, wenn die Passivierungsschicht und die leitfähige Schicht flächig abgeschieden werden.
Dadurch kann auf zusätzliche Strukturierungsprozessschritte bzw. auf aufwändige lokale Abscheidungsverfahren verzichtet werden, wodurch das Herstellungsverfahren im Allgemeinen weniger aufwändig wird.
Es ist weiterhin allgemein bevorzugt, wenn die elektrisch leitfähige Schicht derart strukturiert wird, dass die elektrisch leitfähige Schicht zwischen den abgeschatteten Bereichen unterbrochen ist.
Dadurch kann Licht auch von der rückseitigen Fläche in die Basisschicht eindringen, wodurch der Wirkungsgrad der Solarzelle im Allgemeinen erhöht ist.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die vordefinierte Temperatur wenigstens 100°C beträgt.
Dadurch kann ein Kristallisationsprozess bzw. ein Diffusionsprozess der leitfähigen Schicht in die Basisschicht zuverlässig ermöglicht werden, wodurch ein zuverlässiger Kontakt an den abgeschatteten Bereichen bereitgestellt werden kann, auch wenn eine dünne Restpassivierungsschicht in den abgeschatteten Bereichen vorliegt.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1a–c schematische Schnittansichten von unterschiedlichen Ausführungsformen einer Solarzelle;
2a–f schematische Schnittansichten der Solarzelle zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens;
3a–d schematische Detailansicht eines elektrischen Rückseitenkontaktes der Solarzelle; und
4 eine schematische Darstellung einer Abscheidungsvorrichtung mit einer Abschattungseinrichtung.
In 1a ist eine Solarzelle schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Die Solarzelle 10 weist ein Trägersubstrat 11 mit einer Basisschicht 12 auf, die aus einem dotierten einkristallinen oder einem multikristallinen Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, gebildet ist. Die Basisschicht 12 weist eine lichtempfangende Oberfläche 14 und eine rückseitige Oberfläche 16 auf, die sich gegenüberliegen. An der lichtempfangenden Oberfläche 14 ist eine lichtdurchlässige Passivierungsschicht 18 und elektrische Kontakte 20 zum Kontaktieren der Basisschicht 12 ausgebildet. An der rückseitigen Oberfläche 16 ist eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht 22 angeordnet, die in direktem Kontakt mit der dotierten Basisschicht 12 steht. Auf der Passivierungsschicht 22 ist eine Diffusionsbarriere 24 ausgebildet. Auf der Diffusionsbarriere 24 ist flächig eine leitfähige Schicht 26 angeordnet, die in diesem Ausführungsbeispiel als Metallschicht, vorzugsweise als Aluminiumschicht ausgebildet ist. In der Passivierungsschicht 22 und der Diffusionsbarriere 24 sind Ausnehmungen 28 ausgebildet, die Durchkontaktierungen für die leitfähige Schicht 26 bilden. Die Ausnehmungen 28 sind mit Teilen der leitfähigen Schicht 26 gefüllt, so dass die leitfähige Schicht 26 mit der Basisschicht 12 in elektrischem Kontakt steht. Die so gebildeten elektrischen Kontakte der leitfähigen Schicht 26 mit der Basisschicht 12 sind in diesem Ausführungsbeispiel mit 30 bezeichnet. Die Basisschicht 12 ist als dotierte Halbleiterschicht ausgebildet mit einem ersten Leitfähigkeitstyp und weist an der lichtempfangenen Oberfläche 14 einen Bereich 31 auf, der einen dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist. Der Bereich 31 bildet somit einen Teil eines pn-Übergangs der Solarzelle 10, z. B. einen Emitter der Solarzelle 10.
Die Passivierungsschicht 22 ist aus einem Material gebildet, das einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der größer ist als ein spezifischer elektrischer Widerstand der Basisschicht 12 und in diesem Ausführungsbeispiel als amorphe Siliziumschicht (a-Si) ausgebildet. Die Passivierungsschicht 22 dient dazu einen flächigen elektrischen Kontakt der leitfähigen Schicht 26 zu Basisschicht 12 zu verhindern, da eine Rekombinationsrate der Ladungsträger der Solarzelle 10 an einer Metall-Halbleitergrenzschicht besonders hoch ist und die Effizienz der Solarzelle 10 reduziert. Die Diffusionsbarriere 24 ist flächig auf der Passivierungsschicht 22 aufgebracht und dient dazu ein Eindiffundieren der leitfähigen Schicht 26 in die Passivierungsschicht 22 zu verhindern. Dadurch wird verhindert, dass ein flächiger elektrisch leitender Kontakt mit der Basisschicht 12 entsteht und dadurch die Rekombinationsrate an der Grenzschicht zwischen der Basisschicht 12 und der Passivierungsschicht 22 erhöht ist. Die Diffusionsbarriere 24 ist in der vorliegenden Ausführungsform als amorphe Siliziumcarbidschicht (a-SiC) ausgebildet.
Die Durchkontaktierungen bzw. Ausnehmungen 28, die in der Diffusionsbarriere 24 und der Passivierungsschicht 22 gebildet sind, sind mit dem Material der leitfähigen Schicht 26, in diesem Ausführungsbeispiel Aluminium gefüllt, so dass die elektrischen Kontakte 30 zwischen der Basisschicht 12 und der leitfähigen Schicht 26 gebildet sind. Die Ausnehmungen 28 und somit die elektrischen Kontakte 30 können sowohl als punktförmige Kontaktierungen als auch als langgestreckte linienförmige Kontaktierungsleitungen ausgebildet sein. Dadurch, dass durch die elektrischen Kontakte 30 die Metall-Halbleitergrenzfläche auf kleine Bereiche reduziert ist, ist die Rekombinationsrate an der rückseitigen Oberfläche 16 im Allgemeinen sehr stark reduziert, so dass die Effizienz der Solarzelle 10 im Allgemeinen erhöht ist.
Die Passivierungsschicht 22 und die Diffusionsbarriere 24 weisen jeweils eine Schichtdicke von vorzugsweise weniger als 100 nm auf. In einer besonderen Ausführungsform weist die Passivierungsschicht 22 eine Dicke von mehr als 40 nm auf, um ein flächiges Durchdiffundieren des Materials der leitfähigen Schicht 26 zu vermeiden. Die Durchkontaktierungen 28 weisen in dieser Ausführungsform einen Durchmesser von 10 bis 500 μm auf. In einer besonderen Ausführungsform kann die Solarzelle 10 ohne Diffusionsbarriere 24 ausgebildet sein, so dass die leitfähige Schicht 26 direkt auf der Passivierungsschicht 22 abgeschieden ist. In diesem Fall muss die Passivierungsschicht 22 aus einem diffusionsdichten Material gebildet sein, oder eine Schichtdicke aufweisen, die ein vollständiges Hindurchdiffundieren des Materials der leitfähigen Schicht 26 in die Basisschicht 12 verhindert.
In alternativen Ausführungsformen kann die Passivierungsschicht aus Aluminiumoxid (AlO_x), Siliziumnitrid (SiN_x), Siliziumoxid (SiO_x) und/oder Siliziumcarbid (SiC_x) mit amorphen und/oder kristallinen Anteilen ausgebildet sein. Die Passivierungsschicht ist demnach vorzugsweise schwach leitend bzw. im Wesentlichen isolierend ausgebildet. Weiterhin kann die Diffusionsbarriere in besonderen Ausführungsformen aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumdioxid (SiO₂) oder Metalloxiden (TiO_x, AlO_x, ZnO_x) mit amorphen und/oder kristallinen Anteilen ausgebildet sein. In besonderen Ausführungsformen kann die leitfähige Schicht 26 als Metallschicht im Allgemeinen, als dotierte Halbleiterschicht oder als leitfähige transparente Kontaktschicht ausgebildet sein.
1b zeigt eine alternative Ausführungsform der Solarzelle, die allgemein mit 10' bezeichnet ist. Die Solarzelle 10' ist im Wesentlichen identisch mit der Solarzelle 10 aus 1a. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
Die leitfähige Schicht 26' ist in dieser Ausführungsform nicht flächig ausgebildet sondern strukturiert ausgebildet. Die leitfähige Schicht 26' ist abschnittsweise auf der Passivierungsschicht 22 des Trägersubstrats 11 ausgebildet und zwar in den Bereichen der Ausnehmungen 28, so dass die Ausnehmungen 28 mit dem Material der leitfähigen Schicht 26' gefüllt sind und dadurch die elektrischen Kontakte 30 gebildet werden. Dadurch bleiben größere Bereiche der Rückseite des Trägersubstrates 11 frei, so dass von der Rückseite des Trägersubstrats 11' Licht in die Basisschicht 12 eindringen kann und dadurch die Effizienz der Solarzelle 10' erhöht ist. Die leitfähige Schicht 26' wird vorzugsweise im Siebdruckverfahren strukturiert.
In einer besonderen Ausführungsform kann die Rückseite der Solarzelle 10' mit einer transparenten Passivierungsschicht bedeckt sein.
In 1c ist eine weitere Ausführungsform einer Solarzelle schematisch dargestellt und allgemein mit 10'' bezeichnet. Die Solarzelle 10'' ist im Wesentlichen aufgebaut wie die Solarzelle 10. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
Die lichtdurchlässige Passivierungsschicht 18 der Solarzelle 10'' ist durchgehend ausgebildet, sodass die lichtempfangende Oberfläche 14 keine elektrischen Kontakte aufweist.
Die leitfähige Schicht 26'' ist an der Rückseite des Trägersubstrats 11 strukturiert ausgebildet und zwar derart, dass die Ausnehmungen 28 jeweils mit dem Material der leitfähigen Schicht 26'' gefüllt sind. Dadurch werden die elektrischen Kontakte 30'' zu der Basisschicht 12 gebildet. In der Passivierungsschicht 22 und in der Diffusionsbarriere 24 ist ferner eine Ausnehmung 28b gebildet, die sich vorzugsweise in ihrer Form und ihrer Größe bzw. Breite von den Ausnehmungen 28 unterscheidet. An der Rückseite des Trägersubstrats 11 im Bereich der Ausnehmung 28b ist eine leitfähige Schicht 26b ausgebildet und zwar derart, dass die Ausnehmung 28b mit dem Material der leitfähigen Schicht 26b gefüllt ist. Die Ausnehmung 28b bildet somit eine Durchkontaktierung 28b. Das Material der leitfähigen Schicht 26b unterscheidet sich vorzugsweise von dem Material der leitfähigen Schicht 26'' und ist aus Metall oder einem dotierten Halbleitermaterial gebildet. Der Dotierungsbereich 31'', der einen Teil des pn-Übergangs der Solarzelle 10'' bildet (z. B. den Emitter), ist um die Ausnehmung 28b bzw. um die Durchkontaktierungen 28b gebildet. Dadurch bildet die Durchkontaktierungen 28b an der rückseitigen Oberfläche 16 den elektrischen Kontakt 20'' mit dem Dotierungsbereich 31''. Mit anderen Worten ist der elektrische Kontakte 20'' und sind die elektrischen Kontakte 30'' jeweils an der rückseitigen Oberfläche 16 der Basisschicht 12 ausgebildet. Dadurch kann auf die Kontakte 20 an der lichtempfangenden Oberfläche 14 verzichtet werden, wodurch mehr Licht in die Basisschicht 12 von der lichtempfangenden Oberfläche 14 eindringt. Es versteht sich, dass die elektrischen Kontakte 20'', 30'' durch die Strukturierung die leitfähigen Schichten 26'', 26b voneinander elektrisch isoliert sind und an unterschiedlichen Polen der Solarzelle 10'' angeschlossen sind. Wie in Bezug auf die Ausführungsform aus 1b erläutert, werden die leitfähigen Schichten 26'', 26b vorzugsweise im Siebdruckverfahren abgeschieden bzw. strukturiert.
In 2a bis f ist jeweils eine schematische Schnittansicht in der Solarzelle 10 dargestellt, um die verschiedenen fertigen Schritte der Solarzelle 10 zu erläutern. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
In 2a ist das Trägersubstrat 11 mit der Basisschicht 12 dargestellt, die an der lichtempfangenen Oberfläche 14 die Passivierungsschicht 18 und die elektrischen Kontakte 20 aufweist. An der rückseitigen Oberfläche 16 der Basisschicht bzw. einer Rückseite des Trägersubstrats 11 ist in diesem Zustand noch keine Schicht ausgebildet.
Zunächst werden an der rückseitigen Oberfläche 16 parallele Drähte 32 angeordnet, die Maskierungsmittel 32 bilden und Teil einer Maskierungseinrichtung sind. Die Drähte 32 sind in der Schnittansicht aus 2a in einem Querschnitt dargestellt, parallel zueinander ausgerichtet und mit der rückseitigen Oberfläche 16 in Kontakt gebracht.
Die Drähte 32 dienen dazu Bereiche 34 die rückseitige Oberfläche 16 wenigstens teilweise abzuschatten und ein Abscheiden der nachfolgend abgeschiedenen Passivierungsschicht 22 wenigstens teilweise zu verhindern.
In 2b ist die Passivierungsschicht 22 auf der rückseitigen Oberfläche 16 abgeschieden, und zwar direkt auf die Basisschicht 12, wobei die Drähte 32 ein Abscheiden in den Bereichen 34 teilweise verhindert haben. In den Bereichen 34 ist die Passivierungsschicht 22 dünner ausgebildet als in dem übrigen Bereich bzw. an den Kontaktpunkten der Drähte 32 mit der rückseitigen Oberfläche 16 ist die Passivierungsschicht 22 unterbrochen, so dass die Basisschicht 12 an diesen Punkten freiliegt. Die Passivierungsschicht 22 ist in dieser Ausführungsform als amorphe Siliziumschicht (a-Si) ausgebildet und mittels eines plasmaunterstützten CVD-Abscheideverfahrens (PECVD) abgeschieden. Die Passivierungsschicht 22 bildet somit einen Teil des Trägersubstrats 11.
Auf dieselbe Weise wird die Diffusionsbarriere 24 auf der Passivierungsschicht 22 abgeschieden, wie es in 2c dargestellt ist. Die Diffusionsbarriere 24 bildet somit einen Teil des Trägersubstrats 11. Die Drähte 32 bleiben beim Abscheiden der Diffusionsbarriere 24 in derselben Position wie beim Abscheiden der Passivierungsschicht 22, so dass in den Bereichen 34 die Basisschicht 12 weiterhin freiliegt bzw. die abgeschiedene Schicht sehr dünn ausgebildet ist.
Nachdem die Passivierungsschicht 22 und die Diffusionsbarriere 24 abgeschieden worden sind, werden die Drähte 32 entfernt, wie es in 2d dargestellt ist. Durch die Drähte 32 sind in der Passivierungsschicht 22 und der Diffusionsbarriere 24 jeweils die Ausnehmungen 28 ausgebildet. Die Ausnehmungen 28 sind im Querschnitt als Vertiefungen ausgebildet, wobei die Passivierungsschicht 22 in den Bereichen 34 besonders dünn ausgebildet bzw. oder unterbrochen ist.
Auf die Diffusionsbarriere 24 und in die Ausnehmungen 28 bzw. die abgeschatteten Bereiche wird im folgenden Schritt die leitfähige Schicht 26 abgeschieden, wie es in 2e schematisch dargestellt ist. Die leitfähige Schicht 26 ist in dieser Ausführungsform als Aluminiumschicht ausgebildet und ist an der rückseitigen Oberfläche 16 flächig abgeschieden und füllt gleichzeitig die Ausnehmungen 28 vollständig aus. Sofern keine Diffusionsbarriere 24 verwendet wird, wird die leitfähige Schicht 26 direkt auf die isolierende Passivierungsschicht 22 abgeschieden. Im Allgemeinen wird somit die leitfähige Schicht 26 auf der Rückseite des Trägersubstrats 11 abgeschieden.
Um die Ausführungsformen der Solarzelle 10', 10'' aus 1b und 1c zu fertigen, wird die leitfähige Schicht 26' und ggf. die leitfähigen Schichten 26b strukturiert und vorzugsweise mittels Siebdruckverfahren abgeschieden. Sofern der rückseitige Kontakt 20'' hergestellt werden soll, wird eine Ausnehmung 28b in der Passivierungsschicht und der Diffusionsbarriereschicht 24 gebildet, die eine von den Ausnehmungen 28 abweichende Geometrie und/oder Größe aufweist. Ferner wird ein leitfähiges Material im Bereich der Ausnehmung 28b und in die Ausnehmung 28b abgeschieden, das sich vorzugsweise von dem Material der leitfähigen Schicht 26'' unterscheidet. Dadurch kann der rückseitige Kontakt 20'' z. B. als Emitterkontakt gebildet werden.
Um die elektrischen Kontakte 20'', 30 zuverlässig herstellen zu können, wird die leitfähige Schicht 26 bzw. das Trägersubstrat 11 mit der leitfähigen Schicht 26, 26'' oder den leitfähigen Schichten 26'', 26b vorzugsweise einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wodurch das Material der leitfähigen Schicht 26, 26b teilweise in die Basisschicht 12 und die Passivierungsschicht 22 hineindiffundiert und dadurch die elektrischen Kontakte 20'', 30 bildet. Die so in den Bereichen 34 gebildeten elektrischen Kontakte 30 sind in 2f schematisch dargestellt. in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Solarzelle 10 einer Wärmebehandlung von 350°C unterzogen, wodurch das Aluminium der leitfähigen Schicht 26 in die Basisschicht 12 hineindiffundiert und gleichzeitig eine Kristallisation der amorphen Siliziumschicht 22 in dem Bereich der Ausnehmungen 28 bzw. in dem Bereich der elektrischen Kontakte 30 bewirkt. Dadurch können die elektrischen Kontakte 30 zuverlässig in den Bereichen 34 gebildet werden, auch wenn eine dünne Passivierungsschicht in den Bereichen 34 bei der Abscheidung der Passivierungsschicht 22 entstanden ist.
In den 3a bis d sind schematische Detailansichten der 2e und f dargestellt zur Erläuterung der Diffusionsvorgänge während der Wärmebehandlung. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich Besonderheiten erläutert sind. Es versteht sich, dass die Erläuterungen zu 3a–d für alle Ausführungsformen gelten und auf die leitfähigen Schichten 26, 26', 26'' und 26b anwendbar sind.
In 3a ist der Bereich 34 im Detail dargestellt, wobei in diesem Fall die Maskierungseinrichtung bzw. der hier nicht gesondert dargestellte Draht 32 die Basisschicht 12 vollständig abgedeckt hat, so dass in dem Bereich 34 kein Material der Passivierungsschicht 22 abgeschieden wurde. Mit anderen Worten ist die leitfähige Schicht 26 in diesem Fall bei der Abscheidung direkt mit der Basisschicht 12 in Kontakt gebracht worden.
In 3b ist eine alternative Möglichkeit dargestellt. In dem Bereich 34 ist eine dünne Schicht des Materials der Passivierungsschicht 22 abgeschieden worden und deckt somit die Basisschicht 12 in dem Bereich 34 vollständig ab. In 3b ist die Ausnehmung 28 direkt nach der Abscheidung der metallischen Schicht 26 dargestellt, wobei die metallische Schicht 26 in diesem Zustand von der Basisschicht 12 isoliert ist und noch kein elektrischer Kontakt 30 vorliegt.
In 3c ist die Ausnehmung 28 im Detail schematisch dargestellt, nachdem die Solarzelle 10 der Wärmebehandlung unterzogen wurde. Durch die Wärmebehandlung diffundiert das leitfähige Material der leitfähigen Schicht 26, in dem hier dargestellten Fall, Aluminium, in die Basisschicht 12 hinein, wie es in 3c schematisch durch Pfeile 36 angedeutet ist. Dadurch entsteht zuverlässig der elektrische Kontakt 30 zwischen der leitfähigen Schicht 26 und der Basisschicht 12.
Durch die Wärmebehandlung diffundiert das leitfähige Material der leitfähigen Schicht 26 in die Basisschicht 12 hinein und bewirkt ferner eine Kristallisation der Passivierungsschicht 22, die in dieser Ausführungsform als amorphe Siliziumschicht (a-Si) ausgebildet ist. Dadurch kann zuverlässig der elektrische Kontakt 30 hergestellt werden, unabhängig davon, ob eine dünne Passivierungsschicht 22 in dem Bereich 34 während der Abscheidung abgeschieden wurde.
In 3d ist die Ausnehmung 28 im Detail schematisch dargestellt, nachdem die Solarzelle 10 der Wärmebehandlung unterzogen wurde. Durch die Wärmebehandlung diffundiert das Material der leitfähigen Schicht 26, in dem hier dargestellten Fall, Aluminium, sowohl in die Basisschicht 12 hinein, als auch in die Passivierungsschicht 22 wie es durch Pfeile 36, 38 angedeutet ist und bewirkt eine Kristallisation der Passivierungsschicht 22, die in dieser Ausführungsform als amorphe Siliziumschicht (a-Si) ausgebildet ist. Dadurch entsteht ein zuverlässiger elektrischer Kontakt 30 zwischen der leitfähigen Schicht 26 und der Basisschicht 12, der gleichzeitig eine größere Breite aufweist als die Varianten aus 3a bis c.
In 4 ist eine Vorrichtung zum Herstellen der Passivierungsschicht 22 und der Diffusionsbarriere 24 mit den Ausnehmungen 28 schematisch dargestellt und allgemein mit 40 bezeichnet. Die Vorrichtung 40 weist eine Abscheidungsvorrichtung 42, eine Aufnahme 44 zur Halterung des Trägersubstrats 11 und eine Maskierungsvorrichtung 46 auf.
Das Trägersubstrat 11 ist an der Aufnahme 44 gekrümmt angeordnet, so dass die rückseitige Oberfläche 16 eine äußere gekrümmte Fläche des Trägersubstrats 11 bildet. Die Maskierungsvorrichtung 46 weist die Drähte 32 auf, von denen hier lediglich einer der Drähte 32 dargestellt ist. Der Draht 32 ist über die rückseitige Oberfläche 16, die in dieser Situation eine äußere gekrümmte Fläche bildet, gespannt. Durch die Krümmung der Solarzelle 10 und die Spannung des Drahts 32 steht der Draht 32 über die gesamte rückseitige Oberfläche 16 mit der Solarzelle 10 in Kontakt. Dadurch kann der Draht 32 die rückseitige Oberfläche 16 zuverlässig abschatten und während der Abscheidung der Passivierungsschicht 22 und der Diffusionsbarriere 24 die Ausnehmungen 28 bilden.
Der Abstand der parallel angeordneten Drähte 32 kann 0,5 bis 15 mm betragen und beträgt in einer besonderen Ausführungsform 2 bis 5 mm. Die maximale Temperatur der Wärmebehandlung kann je nach verwendetem Material zwischen 100 und 1000°C betragen. Die Drähte 32 können unterschiedliche Durchmesser aufweisen, um die Ausnehmungen 28, 28b mit unterschiedlichen Breiten im selben Fertigungsschritt herzustellen.
Die Maskierungseinrichtung 44 kann alternativ zu den parallel verlaufenden Drähten 32 auch ein Netz oder eine Folie als Abschattungsmittel bzw. Maskierungsmittel im Allgemeinen aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005013668 B1 [0005]
DE 10046170 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle (10; 10'; 10'') mit den Schritten: – Bereitstellen eines Trägersubstrats (11) mit einer dotierten Basisschicht (12), die eine lichtempfangende Oberfläche (14) und eine rückseitige Oberfläche (16) aufweist, – Anordnung einer Maskierungseinrichtung (44) an der rückseitigen Oberfläche (16), – partielles Abschatten der rückseitigen Oberfläche (16) mittels der Maskierungseinrichtung (44) zur Strukturierung einer auf der rückseitigen Oberfläche (16) abzuscheidenden Materialschicht (22, 24), – Abscheiden einer Passivierungsschicht (22) auf der rückseitigen Oberfläche (16), wobei die Passivierungsschicht (22) einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der größer ist als ein spezifischer elektrischer Widerstand der Basisschicht (12), – Entfernen der Maskierungseinrichtung (44) von der rückseitigen Oberfläche (16), und – Abscheiden einer leitfähigen Schicht (26; 26'; 26'', 26b) auf dem Trägersubstrat (11).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein elektrischer Kontakt (20''; 30; 30'') zwischen der leitfähigen Schicht (26; 26'; 26'', 26b) und der Basisschicht (12) in einem von der Maskierungseinrichtung (44) abgeschatteten Bereich (34) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Trägersubstrat (11) nach dem Abscheiden der leitfähigen Schicht (26; 26'; 26'', 26b) auf eine vordefinierte Temperatur erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei vor dem Lösen der Maskierungseinrichtung (44) auf der elektrisch isolierenden Passivierungsschicht (22) eine Diffusionsbarriereschicht (24) abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Basisschicht (12) aus Halbleitermaterial gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Passivierungsschicht (22) Silizium (a-Si), Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid und/oder Siliziumcarbid mit amorphen und/oder kristallinen Anteilen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Diffusionsbarriereschicht (24) Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid und/oder ein oder mehrere Metalloxide mit amorphen und/oder kristallinen Anteilen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die leitfähige Schicht (26; 26'; 26'', 26b) eine Metallschicht (26; 26'; 26'', 26b), eine dotierte Halbleiterschicht und/oder eine transparente leitfähige Kontaktschicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Metallschicht (26; 26'; 26'', 26b) Aluminium aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Maskierungseinrichtung (44) wenigstens ein strangförmiges Maskierungsmittel (32) aufweist, das in Längsrichtung vorgespannt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Trägersubstrat (11) vor der Abscheidung der Passivierungsschicht (22) gebogen wird, so dass die rückseitige Oberfläche (16) eine äußere Oberfläche des gebogenen Trägersubstrats (11) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die elektrisch isolierende Passivierungsschicht (22) und die leitfähige Schicht (26) flächig abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die elektrisch leitfähige Schicht (26'; 26'', 26b) derart strukturiert wird, dass die elektrisch leitfähige Schicht (26'; 26'', 26b) zwischen den abgeschatteten Bereichen unterbrochen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei die vordefinierte Temperatur wenigstens 100°C beträgt.