DE102012202071A1 - Leitpaste und Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Leitpaste (15') auf Ag-Basis, mit einem Haftvermittler-Zusatz zur Verbesserung der Haftung auf einer Al-haltigen Unterlage, wobei der Haftvermittler-Zusatz, bezogen auf 100 Gew.-% gebrauchsfertige Paste, in einem Anteil zwischen 5 und 20 Gew.-%, insbesondere zwischen 9 und 15 Gew.-%, enthalten ist. Sie betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, insbesondere einer Solarzelle (1') vom kristallinen Typ, mit einem Si-Substrat (3), wobei durch Belegen einer Oberfläche des Si-Substrats mit einer Siebdruckpaste (9') auf Al-Basis und einen Sinterschritt, der ein Eindiffundieren von Al aus der Siebdruckpaste in das Si-Substrat bewirkt, p+-dotierte Bereiche in der Oberfläche gebildet werden, wobei durch zusätzliches Belegen von Abschnitten der gleichen Oberfläche mit einer Leitpaste (15') und einen diesem Belegen nachgeordneten Sinterschritt Ag-Kontaktierungsbereiche auf der Oberfläche erzeugt werden.
Description
- Die Erfindung betrifft Leit- bzw. Siebdruckpasten, wie sie zur Herstellung von elektrischen Kontakten auf Halbleiterbauelementen, beispielsweise Solarzellen, benutzt werden. Sie betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, insbesondere einer Solarzelle vom kristallinen Typ, mit einem Si-Substrat, wobei durch Belegen einer Oberfläche des Si-Substrats mit einer Siebdruckpaste auf Al-Basis und einen Sinterschritt, der ein Eindiffundieren von Al aus der Siebdruckpaste in das Si-Substrat bewirkt, p+-dotierte Bereiche in der Oberfläche gebildet werden.
- Stand der Technik
- Zur Zeit werden 90% aller kristallinen Solarzellen aus Bor(B)-dotiertem p-Typ-Silizium gefertigt. Diese Solarzellen haben das Problem, dass Sie aufgrund der im Silizium typischerweise vorhandenen Eisen(Fe)-Kontaminationen unter Lichteinfall degradieren. Hierbei bildet das Fe mit dem Dotierstoff B einen rekombinationsaktiven Fe-B-Komplex, welcher die Effizienz der Solarzelle negativ beeinflusst, vgl. J. Schmidt, Progress in Photovoltaics, Vol. 13, p. 325 (2005). Aus diesem Grund gibt es Bestrebungen, langfristig auf mit Phosphor n-dotierte Siliziumwafer als Grundmaterial in der Solarzellenfertigung überzugehen. Ein mögliches Solarzellenkonzept für n-Typ-Solarzellen ist das so genannte Aluminium-Alloyed Rear-Emitter(AARE)-Konzept; vgl. C. Schmiga, M. Hörteis, M. Rauer, K. Meyer, J. Lossen, H. J. Krokoszinski, M. Hermle, S. W. Glunz, Proc. of the 24th PVSEC, Hamburg (Germany), p. 1167, 2009.
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1 zeigt als schematische perspektivische Schnittansicht die wesentlichen Teile/Bereiche einer nach diesem Konzept gebildeten Solarzelle1 mit einem n-Si-Substrat3 , einem n+-P-Front-Surface-Field (FSF)5 und einem p+-Al-Rückseitenemitter7 . Auf der einen (im Gebrauch rückseitigen) Substratoberfläche ist ein Al-Kontakt (Rückseitenkontakt)9 vollflächig ausgebildet, während die andere (im Gebrauch vorderseitige) Oberfläche des Si-Substrats3 mit einer SiN-Antireflexbeschichtung11 versehen ist, welche regellos angeordnete Pyramiden11a zur Verbesserung der Energieausbeute des einfallenden Sonnenlichts umfasst. Zur frontseitigen Kontaktierung der Solarzelle1 sind auf der Vorderseite Ag-Kontaktfinger13 auf einer Aerosol-Keimschicht (nicht dargestellt) gebildet. - Hier wird der Solarzellenemitter über das Sintern einer auf der Rückseite der Zelle ganzflächig aufgebrachten Aluminium-(Al)Siebdruckpaste erzeugt. Hierbei diffundiert das Aluminium in den n-Typ-Siliziumwafer und bildet eine hoch Al-dotierte p-Emitterschicht. Der Vorderseitenkontakt
13 kann mittels siebgedruckter Silberpasten erzeugt werden. Solarzellen dieser Art erreichen Wirkungsgrade von über 18%, was einer Effizienzsteigerung von 1% gegenüber der in einem identischen Prozessablauf hergestellten p-Typ-Solarzelle mit 17 Wirkungsgrad entspricht. - Ein Hindernis für die kommerzielle Markteinführung dieser Zellen stellt die Modulverschaltung dar. Um die Rückseite der Zelle im Solarzellenmodul zu kontaktieren, wird bei p-Typ-Solarzellen auf der Rückseite ein Streifen mit Silber(Ag)-Paste direkt auf das Silizium gedruckt, gesintert und anschließend in einem Lötprozess mit einem Kupferbändchen kontaktiert. Dieser Prozessablauf ist mit der AARE Solarzelle nicht mehr möglich, da das Aluminium bei diesem Zelltyp ganzflächig aufgebracht werden muss und so keine Fläche für zusätzliche, direkt auf den Silizium Wafer gedruckte Ag-Kontakte verbleibt, mit denen die Cu-Bändchen verlötet werden könnten.
- Lösungen zum direkten Löten von Cu-Bändchen auf Al-Rückseitenkontakte von Solarzellen sind zur Zeit noch nicht bekannt. Es gibt aber bereits Untersuchungen zum Laserschweißen von Cu auf Al; vgl. I. Mys., M. Schmidt, Proc. Of the SPIE, USA, vol. 6107, p. 610703 (2006). Für ein solches Alternativverfahren wäre aber eine Umrüstung der bisherigen Modulproduktionsanlagen notwendig.
- Eine Alternative ist das Drucken von Ag-Bahnen auf den Aluminium-Rückseitenkontakt. Hier hat sich aber gezeigt, dass direkt auf das Al gedruckte Ag Paste nicht haftet und keine mechanisch stabile Verbindung mit dem Al-Kontakt eingeht. Im Zusammenhang mit dem seit langem bewährten und praktizierten Einsatz von Leitpasten (Siebdruckpasten) auf Ag- oder Al-Basis ist es auch bekannt geworden, solchen Pasten Si-Pulver beizumengen, um speziell das Reaktionsvermögen der Metallkomponente der jeweiligen Paste mit Silizium, also dem Substratmaterial, in geeigneter Weise zu steuern, vgl.
US 2006/0289005 A1 - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitpaste bereitzustellen, welche direkt auf den Al-Rückkontakt der AARE-Zelle gedruckt werden kann und nach dem Sintern eine mechanisch stabile Verbindung sowohl zum Al-Kontakt als auch zum darauffolgend aufgelöteten Kupferbändchen eingeht. Es soll des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle jenes Typs bereitgestellt werden.
- Offenbarung der Erfindung
- Diese Aufgabe wird in ihrem Produktaspekt durch eine Leitpaste mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in ihrem Verfahrensaspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
- Des Weiteren wird eine Siebdruckpaste mit den Merkmalen des Anspruchs 3 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
- Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Ag-basierte Leitpaste, die zur Erzeugung von Kontaktbereichen auf einer Substratoberfläche genutzt wird, die vorher zu Dotierungszwecken mit einer Al-haltigen Siebdruckpaste beschichtet wurde, einen Haftvermittler-Zusatz zur Verbesserung der Haftung auf der Al-haltigen Unterlage auf. Hierbei hat sich ein Anteil des Haftvermittler-Zusatzes zwischen 5 und 20 Gew.-%, insbesondere zwischen 9 und 15 Gew.-%, als zweckmäßig erwiesen. Aus derzeitiger Sicht ist als Haftvermittler Si-Pulver gut geeignet, die Erfindung ist aber nicht auf diese Materialwahl beschränkt.
- Der Haftvermittler (speziell Si-Pulver) erhöht die mechanische Stabilität des Al-Ag-Grenzschichtbereichs. Diese Paste ermöglicht die Beibehaltung des bisherigen, für p-Typ-Solarzellen eingesetzten Prozessablaufs zur Herstellung von Solarzellen ohne zusätzliche Prozessschritte. Des Weiteren sind auch keine Änderungen des bisherigen Prozesses zur Modulverschaltung notwendig. Das direkte verlöten von Cu-Bändchen mit den Silberstreifen auf der Rückseite ist weiterhin möglich.
- Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Siebdruckpaste auf Al-Basis mit einem festigkeitserhöhenden pulverförmigen Zusatz zur Verbesserung ihrer strukturellen Integrität versehen. Es hat sich dabei als zweckmäßig erwiesen, diesen Zusatz in einem Anteil zwischen 3 und 15 Gew.-%, insbesondere zwischen 6 und 10 Gew.-%, beizumischen. Beiden Aspekten der Erfindung ist gemeinsam, dass nach derzeitigem Kenntnisstand zweckmäßigerweise der Haftvermittler-Zusatz oder festigkeitserhöhende Zusatz ein Pulver mit einer Teilchengröße zwischen 1 und 20 μm, insbesondere zwischen 3 und 10 μm, aufweist.
- In einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Verfahrensführung werden das Belegen mit der Siebdruckpaste und der Leitpaste vor einem einzelnen, gemeinsamen Sinterschritt, der insbesondere bei 700 bis 850°C durchgeführt wird, vorgenommen. Neben der gemäß im ersten Aspekt der Erfindung bereitgestellten speziellen Ag-Leitpaste kann bei diesem Verfahren auch die gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgeschlagene Al-Siebdruckpaste zur p-Dotierung der Substratoberfläche eingesetzt werden.
- 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 schematische Darstellung einer Solarzelle gemäß dem AARE-Konzept und -
2 und2A eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. - Ausführungsformen der Erfindung
-
2 zeigt schematisch in Art einer Querschnittsdarstellung einen Rückseitenabschnitt einer Solarzelle1' , der durch einen unteren Teilbereich eines n-Si-Substrats3 , einen Al-dotierten p+-Emitterbereich7 , eine Al-Siebdruckpastenschicht9' und Ag-Leitpastenstreifen15' gebildet ist, vor der Fertigstellung der rückseitigen Dotierungs- und Kontaktstruktur. Diese wird durch Sintern der Al-Siebdruckpaste und der Ag-Leitpastenstreifen, bevorzugt in einem gemeinsamen Sinterschritt im Bereich zwischen 700 und 850°C, ausgebildet. Hierbei bilden sich der in der Figur bereits gezeigte rückseitige Emitterbereich7 sowie metallische Ag-Kontaktstreifen aus. -
2A zeigt in einer Detailansicht schematisch die Elementstruktur des Grenzschichtbereiches zwischen Al-Siebdruckpaste und Ag-Leitpaste, mit Al-Atomen17 , Ag-Atomen19 und Si-Atomen21 , die der Ag-Leitpaste als Haftvermittler beigemischt sind. - Eine beispielhafte Zusammensetzung der Ag-Leitpaste ist die folgende:
Ag-Pulver: 75 wt.% Partikelgröße: 3–10 μm Binder: 10 wt.% Glas-Fritte: 0–3 wt.% Additive: 0–3 wt.% Si-Pulver: 9–15 wt.% Partikelgröße: 3–10 μm - Eine beispielhafte Zusammensetzung der Al-Siebdruckpaste ist die folgende:
Al-Pulver: 27 Vol.% Partikelgröße: 3–10 μm Binder: 5 Vol.% Glas-Fritte: 0–3 Vol.% Lösemittel: 30–40 Vol.% Si-Pulver: 6–10 Vol.% Partikelgröße: 3–10 μm - Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0289005 A1 [0007]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J. Schmidt, Progress in Photovoltaics, Vol. 13, p. 325 (2005) [0002]
- C. Schmiga, M. Hörteis, M. Rauer, K. Meyer, J. Lossen, H. J. Krokoszinski, M. Hermle, S. W. Glunz, Proc. of the 24th PVSEC, Hamburg (Germany), p. 1167, 2009 [0002]
- I. Mys., M. Schmidt, Proc. Of the SPIE, USA, vol. 6107, p. 610703 (2006) [0006]
Claims (8)
- Leitpaste (
15' ) auf Ag-Basis, mit einem Haftvermittler-Zusatz zur Verbesserung der Haftung auf einer Al-haltigen Unterlage, wobei der Haftvermittler-Zusatz, bezogen auf 100 Gew.-% gebrauchsfertige Paste, in einem Anteil zwischen 5 und 20 Gew.-%, insbesondere zwischen 9 und 15 Gew.-%, enthalten ist. - Leitpaste nach Anspruch 1, wobei der Haftvermittler-Zusatz Si-Pulver aufweist.
- Siebdruckpaste (
9' ) auf Al-Basis, mit einem pulverförmigen festigkeitserhöhenden Zusatz zur Verbesserung ihrer strukturellen Integrität, wobei der festigkeitserhöhende Zusatz, bezogen auf 100 Gew.-% gebrauchsfertige Leitpaste, in einem Anteil zwischen 3 und 15 Gew.-%, insbesondere zwischen 6 und 10 Gew.-%, enthalten ist. - Siebdruckpaste nach Anspruch 3, wobei der festigkeitserhöhende Zusatz Si-Pulver aufweist.
- Leitpaste nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Haftvermittler-Zusatz oder festigkeitserhöhende Zusatz ein Pulver mit einer Teilchengröße zwischen 1 und 20 μm, insbesondere zwischen 3 und 10 μm, aufweist.
- Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, insbesondere einer Solarzelle (
1' ) vom kristallinen Typ, mit einem Si-Substrat (3 ), wobei durch Belegen einer Oberfläche des Si-Substrats mit einer Siebdruckpaste (9' ) auf Al-Basis und einen Sinterschritt, der ein Eindiffundieren von Al aus der Siebdruckpaste in das Si-Substrat bewirkt, p+-dotierte Bereiche (7 ) in der Oberfläche gebildet werden, wobei durch zusätzliches Belegen von Abschnitten der gleichen Oberfläche mit einer Leitpaste (15' ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7 und einen diesem Belegen nachgeordneten Sinterschritt Ag-Kontaktierungsbereiche auf der Oberfläche erzeugt werden. - Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Belegen mit der Siebdruckpaste (
9' ) und der Leitpaste (15' ) vor einem einzelnen, gemeinsamen Sinterschritt, der insbesondere bei 700 bis 850°C durchgeführt wird, vorgenommen werden. - Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Siebdruckpaste (
9' ) nach einem der Ansprüche 4 bis 7 eingesetzt wird.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060289005A1 (en) | 2003-02-11 | 2006-12-28 | Jones Matthew M | Dispensing Apparatus |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| C. Schmiga, M. Hörteis, M. Rauer, K. Meyer, J. Lossen, H. J. Krokoszinski, M. Hermle, S. W. Glunz, Proc. of the 24th PVSEC, Hamburg (Germany), p. 1167, 2009 |
| I. Mys., M. Schmidt, Proc. Of the SPIE, USA, vol. 6107, p. 610703 (2006) |
| J. Schmidt, Progress in Photovoltaics, Vol. 13, p. 325 (2005) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2013120633A1 (de) | 2013-08-22 |
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