DE102013108422A1 - Method for producing doped or metallized regions in a solar cell substrate and corresponding solar cell - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Erzeugen von dotierten und/oder metallisierten Bereichen an einer Oberfläche (3) eines Halbleitersubstrates (1) für eine Solarzelle beschrieben. Es wird ein Muster aus verschiedenartigen Bereichen (5, 7), beispielsweise tieferliegenden Teilbereichen (5) und höherliegenden Teilbereichen (7) an der Oberfläche (3) ausgebildet. In die tieferliegenden Teilbereiche (5) wird eine fließfähige Substanz (11) beispielsweise in Form einer Siebdruck-Paste oder einer Inkjet-Tinte eingebracht, welche Dotierstoffe und/oder Metallpartikel enthält und außerdem zur Erhöhung ihrer Fließfähigkeit ein Verflüssigungsmittel enthält. Aufgrund ihrer Fließfähigkeit zerfließt die beispielsweise zunächst tropfenförmig eingebrachte Substanz (11) lateral und füllt die tieferliegenden Bereiche (5) vorzugsweise gleichmäßig aus. Anschließend kann das Verflüssigungsmittel aus der fließfähigen Substanz (11) verdunstet oder umgewandelt werden und diese somit verfestigt werden. Nachfolgend können in der Substanz (11) enthaltene Metallpartikel eingefeuert werden, um beispielsweise elektrische Metallkontakte zu bilden, oder in der Substanz (11) enthaltene Dotierstoffe können eindiffundiert werden, um beispielsweise Emitterbereiche für die Solarzelle zu bilden. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann ein Risiko von Kurzschlussstrompfaden bei Solarzellen reduziert werden und Fertigungstoleranzen größer gewählt werden als bei herkömmlichen Fertigungsverfahren für Solarzellen.A method is described for producing doped and / or metallized regions on a surface (3) of a semiconductor substrate (1) for a solar cell. A pattern of various regions (5, 7), for example deeper subsections (5) and higher subregions (7), is formed on the surface (3). A flowable substance (11), for example in the form of a screen-printing paste or an inkjet ink, which contains dopants and / or metal particles and also contains a liquefying agent to increase its fluidity, is introduced into the deeper subareas (5). Because of their fluidity, the substance (11), which is initially introduced dropwise, for example, laterally dissipates and preferably fills the underlying regions (5) uniformly. Subsequently, the liquefying agent can be evaporated or converted from the flowable substance (11) and these are thus solidified. Subsequently, metal particles contained in the substance (11) may be fired, for example, to form electrical metal contacts, or dopants contained in the substance (11) may be diffused to form, for example, emitter regions for the solar cell. With the proposed method, a risk of short circuit current paths in solar cells can be reduced and manufacturing tolerances can be selected larger than in conventional production methods for solar cells.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von dotierten und/oder metallisierten Bereichen an einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates für eine Solarzelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, das beim Herstellen einer Solarzelle zur Bildung von deren dotierten und/oder metallisierten Bereichen eingesetzt werden kann. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechend herstellbare Solarzelle.The present invention relates to a method for producing doped and / or metallized regions on a surface of a semiconductor substrate for a solar cell. In particular, the present invention relates to a method that can be used in the manufacture of a solar cell to form their doped and / or metallized areas. Furthermore, the present invention relates to a suitably producible solar cell.
TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND
Solarzellen dienen als photovoltaische Elemente dazu, Lichtenergie in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln. Durch Absorption von eingestrahltem Licht werden innerhalb eines Halbleitersubstrates Ladungsträgerpaare erzeugt. Indem gegensätzlich dotierte Bereiche in dem Halbleitersubstrat vorgesehen werden, kommt es am Übergang zwischen solchen Bereichen, beispielsweise an einem pn-Übergang, zu elektrischen Potenzialunterschieden, mithilfe derer die Ladungsträger eines Ladungsträgerpaares räumlich getrennt werden können. Mithilfe von beispielsweise durch eine Metallisierung gebildeten elektrischen Kontakten an der Oberfläche des Halbleitersubstrates können die Ladungsträger dann aus dem Halbleitersubstrat abgeleitet und einem externen Stromkreis zugeleitet werden.Solar cells serve as photovoltaic elements to convert light energy into usable electrical energy. By absorption of radiated light charge carrier pairs are generated within a semiconductor substrate. By providing oppositely doped regions in the semiconductor substrate, electrical potential differences occur at the transition between such regions, for example at a pn junction, with the aid of which the charge carriers of a charge carrier pair can be spatially separated. By means of, for example, formed by a metallization electrical contacts on the surface of the semiconductor substrate, the charge carriers can then be derived from the semiconductor substrate and fed to an external circuit.
Bei einer Herstellung einer Solarzelle besteht generell die Notwendigkeit, elektrische Kontakte, die entgegengesetzt dotierte Teilbereiche des Solarzellen-Halbleitersubstrates kontaktieren, gegeneinander elektrisch zu isolieren, um zum Beispiel parasitäre Ströme innerhalb der hergestellten Solarzelle zu vermeiden. Ferner sollte auch ein elektrischer Kontakt, der einen dotierten Teilbereich kontaktiert, gegenüber einem entgegengesetzt dotierten Teilbereich des Halbleitersubstrates elektrisch isoliert sein.In the manufacture of a solar cell, there is a general need to electrically isolate electrical contacts contacting oppositely doped portions of the solar cell semiconductor substrate from each other, for example, to avoid parasitic currents within the fabricated solar cell. Furthermore, an electrical contact which contacts a doped partial region should also be electrically insulated from an oppositely doped partial region of the semiconductor substrate.
Bei herkömmlichen Solarzellen, bei denen typischerweise ein elektrischer Emitterkontakt, der emitter-artig dotierte Teilbereiche des Halbleitersubstrates kontaktiert, ausschließlich an einer Frontseite des Halbleitersubstrates vorgesehen ist und ein elektrischer Basiskontakt, der entgegengesetzt basis-artig dotierte Teilbereiche des Halbleitersubstrates kontaktiert, ausschließlich an der Rückseite des Halbleitersubstrates vorgesehen ist, besteht üblicherweise ein Risiko einer Bildung von parasitären Strompfaden allenfalls am Rand des Halbleitersubstrates.In conventional solar cells, in which typically an electrical emitter contact, the emitter-like doped portions of the semiconductor substrate contacted, is provided exclusively on a front side of the semiconductor substrate and an electrical base contact, the opposite base-like doped portions of the semiconductor substrate contacted, exclusively on the back of the Semiconductor substrate is provided, there is usually a risk of formation of parasitic current paths possibly at the edge of the semiconductor substrate.
Bei so genannten Rückkontakt-Solarzellen wie zum Beispiel IBC-Solarzellen (Interdigitated Back Contact), bei denen beide Typen von elektrischen Kontakten an der Rückseite des Halbleitersubstrates angeordnet sind, beispielsweise in Form von ineinander verschachtelten Grids mit länglichen Kontaktfingern, kann ein Risiko von parasitären Strompfaden jedoch wesentlich höher sein. Beispielsweise verlaufen fingerartige Basiskontakte und fingerartige Emitterkontakte bei solchen Solarzellen oft über weite Strecken hin parallel zueinander. Dabei sind die Geometrien des Emitterkontaktgrids und des Basiskontaktgrids meist so gewählt, dass die Emitterkontaktfinger nur geringfügig seitlich beabstandet zu den Basiskontaktfingern angeordnet sind, um auf diese Weise einen Abstand, den generierte Ladungsträger innerhalb des Halbleitersubstrates lateral zurücklegen müssen, um einen der Kontaktfinger zu erreichen, zu minimieren und somit Serienwiderstandsverluste oder ein sogenanntes elektrisches Abschatten (electrical shading) gering zu halten. Die eng benachbarte Anordnung von Kontaktfingern des Emitterkontaktgrids und Kontaktfingern des Basiskontaktgrids kann jedoch das Risiko bergen, dass es beispielsweise aufgrund von Produktionsfehlern oder Produktionsungenauigkeiten dazu kommen kann, dass Basiskontaktfinger mit Emitterkontaktfingern in Berührung kommen oder zumindest eine unzureichende Isolation zwischen diesen auftritt und auf diese Weise schädliche parasitäre Kurzschlussstrompfade innerhalb der Solarzelle generiert werden. Ähnlich schädlich kann es sich auswirken, wenn Bereiche eines elektrischen Kontakts einer Polarität ohne oder mit mangelhafter elektrischer Isolation an Teilbereiche des Halbleitersubstrates mit entgegengesetzter Polarität, das heißt mit entgegengesetzter Dotierung, angrenzen.In so-called back contact solar cells such as IBC (Interdigitated Back Contact) solar cells, in which both types of electrical contacts are arranged on the back of the semiconductor substrate, for example in the form of nested grids with elongated contact fingers, there may be a risk of parasitic current paths however, be much higher. For example, finger-like base contacts and finger-like emitter contacts in such solar cells often extend over long distances parallel to each other. In this case, the geometries of the emitter contact grid and of the base contact grid are usually selected such that the emitter contact fingers are arranged only slightly laterally spaced from the base contact fingers in order in this way to move laterally a distance, the generated charge carrier within the semiconductor substrate, in order to reach one of the contact fingers. to minimize and thus to keep series resistance losses or a so-called electrical shading low. However, the closely spaced array of contact fingers of the emitter contact grid and contact fingers of the base contact grid may present a risk that, for example, due to manufacturing defects or manufacturing inaccuracies, base contact fingers may come into contact with emitter contact fingers, or at least insufficient isolation therebetween, and thus be detrimental parasitic short circuit current paths are generated within the solar cell. A similar effect can be detrimental if regions of an electrical contact of one polarity with no or poor electrical insulation are adjacent to partial regions of the semiconductor substrate of opposite polarity, that is to say with opposite doping.
Um ein Risiko der Bildung von parasitären Kurzschlussstrompfaden zu minimieren, wird die Geometrie beziehungsweise das Design der elektrischen Kontakte bei Rückkontaktsolarzellen bisher meist derart gewählt, dass zwischen Fingern der elektrischen Kontakte unterschiedlicher Polarität ein gewisser Sicherheitsabstand verbleibt. Der Sicherheitsabstand ist dabei unter anderem oft so gewählt, dass es selbst bei maximal zulässigen Fertigungstoleranzen nicht zu einer Gefährdung einer elektrischen Isolation zwischen elektrischen Kontakten entgegengesetzter Polarität beziehungsweise zwischen einem elektrischen Kontakt einer Polarität und einem dotierten Teilbereich des Halbleitersubstrates entgegengesetzter Polarität kommt. Der Sicherheitsabstand sollte jedoch nicht zu groß gewählt werden müssen, um nicht durch zu große Abstände zwischen benachbarten Kontaktfingern eines Kontaktgrids übermäßige Serienwiderstandsverluste für die Solarzelle zu bewirken.In order to minimize the risk of the formation of parasitic short-circuit current paths, the geometry or the design of the electrical contacts in the case of back-contact solar cells has hitherto mostly been selected such that a certain safety distance remains between the fingers of the electrical contacts of different polarity. Among other things, the safety distance is often chosen such that, even with maximum permissible manufacturing tolerances, there is no risk of electrical insulation between electrical contacts of opposite polarity or between an electrical contact of one polarity and one doped partial region of the semiconductor substrate of opposite polarity. However, the safety margin should not be too large to avoid excessive series resistance losses for the solar cell due to excessive distances between adjacent contact fingers of a contact grid.
Daher erscheint es bei der Fertigung von herkömmlichen Rückkontaktsolarzellen bisher notwendig zu sein, sowohl die unterschiedlich dotierten Teilbereiche des Halbleitersubstrates als auch die elektrischen Kontaktgrids unterschiedlicher Polarität mit hoher Positionierungsgenauigkeit, das heißt mit geringen Positionierungstoleranzen, fertigen zu können. Dies kann komplizierte und somit teure Fertigungsprozess und/oder -werkzeuge erfordern.Therefore, it seems in the production of conventional back-contact solar cells previously necessary to be both the differently doped portions of the semiconductor substrate and the electrical contact grids of different polarity high positioning accuracy, ie with low positioning tolerances to be able to manufacture. This can require complicated and thus expensive manufacturing processes and / or tools.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG UND EINIGER AUSFÜHRUNGSFORMENSUMMARY OF THE INVENTION AND SOME EMBODIMENTS
Es kann daher ein Bedarf an einem Verfahren zum Erzeugen von dotierten und/oder metallisierten Bereichen an einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates für eine Solarzelle bestehen, bei dem unter anderem die oben dargestellten Unzulänglichkeiten herkömmlicher Verfahren zumindest reduziert sind. Insbesondere kann ein Bedarf an einem Verfahren bestehen, mithilfe dessen dotierte beziehungsweise metallisierte Bereiche mit hoher lokaler Genauigkeit an einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates für eine Solarzelle erzeugt werden können und somit ein Risiko der Bildung von Kurzschlussstrompfaden reduziert wird, wobei vorzugsweise Fertigungstoleranzen beim Ausbilden von Strukturen zur Bildung der dotierten beziehungsweise metallisierten Bereiche vergleichsweise hoch gewählt sein dürfen. Es kann ferner ein Bedarf an einer Solarzelle bestehen, wie sie insbesondere mithilfe eines solchen Verfahrens gefertigt werden kann.There may therefore be a need for a method for producing doped and / or metallized regions on a surface of a semiconductor substrate for a solar cell, in which, inter alia, the abovementioned shortcomings of conventional methods are at least reduced. In particular, there may be a need for a method by which doped or metallized regions of high local accuracy can be formed on a surface of a semiconductor substrate for a solar cell and thus reduce the risk of short circuit current path formation, preferably manufacturing tolerances in forming structures for formation the doped or metallized areas may be selected to be comparatively high. There may also be a need for a solar cell, as can be made in particular by means of such a method.
Ein solcher Bedarf kann mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.Such a need can be met with the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are given in the dependent claims and in the following description.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen von dotierten und/oder metallisierten Bereichen an einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates für eine Solarzelle beschrieben, wobei das Verfahren die nachfolgend angeführten Schritte aufweist. Zunächst wird an der Oberfläche des Halbleitersubstrates ein Muster aus verschiedenen Teilbereichen eines ersten und eines zweiten Typs ausgebildet. Die verschiedenen Teilbereiche werden derart unterschiedlich ausgebildet sind, dass ein erster Typ von Teilbereich mit einer fließfähigen Substanz benetzt werden kann, ohne dass die fließfähige Substanz in einen angrenzenden Teilbereich eines zweiten Typs von Teilbereich fließt. Anschließend wird die fließfähige Substanz ausschließlich auf den ersten der Teilbereiche aufgebracht. Die fließfähige Substanz enthält Dotierstoffe und/oder Metallpartikel. Die fließfähige Substanz enthält außerdem ein Verflüssigungsmittel wie beispielsweise ein Lösungsmittel zur Erhöhung seiner Fließfähigkeit. Danach wird die fließfähige Substanz durch zumindest teilweises Verdunsten oder Umwandeln des Verflüssigungsmittels verfestigt.According to a first aspect of the present invention, a method for producing doped and / or metallized regions on a surface of a semiconductor substrate for a solar cell is described, wherein the method has the following steps. First, a pattern of different portions of a first and a second type is formed on the surface of the semiconductor substrate. The various partial regions are designed differently in such a way that a first type of partial region can be wetted with a flowable substance without the flowable substance flowing into an adjacent partial region of a second type of partial region. Subsequently, the flowable substance is applied exclusively to the first of the subregions. The flowable substance contains dopants and / or metal particles. The flowable substance also contains a fluidizing agent such as a solvent to increase its fluidity. Thereafter, the flowable substance is solidified by at least partial evaporation or conversion of the liquefying agent.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Solarzelle vorgeschlagen, wie sie mit dem Verfahren gemäß dem obigen ersten Aspekt der Erfindung hergestellt werden kann. Insbesondere wird eine solche Solarzelle vorgeschlagen, die ein Halbleitersubstrat, unterschiedlich dotierte Regionen an Teilbereichen einer Oberfläche des Halbleitersubstrates und elektrische Kontakte an Teilbereichen der Oberfläche des Halbleitersubstrates aufweist. Das Halbleitersubstrat weist dabei ein Muster aus tieferliegenden und höherliegenden Teilbereichen an der Oberfläche des Halbleitersubstrates auf, wobei die lateralen Abmessungen der tieferliegenden Teilbereiche wiederum wesentlich größer sind als ein Höhenunterschied zwischen den tieferliegenden Teilbereichen und den höherliegenden Teilbereichen.According to a second aspect of the present invention, there is proposed a solar cell as can be produced by the method according to the above first aspect of the invention. In particular, such a solar cell is proposed which has a semiconductor substrate, differently doped regions on partial areas of a surface of the semiconductor substrate and electrical contacts on partial areas of the surface of the semiconductor substrate. In this case, the semiconductor substrate has a pattern of lower and higher partial regions on the surface of the semiconductor substrate, wherein the lateral dimensions of the deeper partial regions are again substantially larger than a height difference between the deeper partial regions and the higher partial regions.
Ideen zu den zuvor beschriebenen Aspekten der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den folgenden Beobachtungen und Erkenntnissen beruhend angesehen werden:
Bei herkömmlich hergestellten Solarzellen werden metallisierte Bereiche an einer Oberfläche eines Solarzellen-Halbleitersubstrates im industriellen Maßstab meist mithilfe von Siebdrucktechnologien gebildet. Hierzu wird eine viskose Paste, die unter anderem Metallpartikel enthält, auf die zu metallisierenden Bereiche gedruckt und die Paste dann in einem nachfolgenden Hochtemperaturschritt eingefeuert. In ähnlicher Weise können auch dotierte Bereiche an der Oberfläche des Halbleitersubstrates generiert werden, indem eine mit Dotierstoffen versetzte Paste bzw. Flüssigkeit beispielsweise durch Sieb- oder Inkjetdruck auf die Substratoberfläche aufgebracht und anschließend die Dotierstoffe in einem Hochtemperaturschritt in das Halbleitersubstrat eindiffundiert werden.Ideas for the above-described aspects of the present invention may be considered, inter alia, as being based on the following observations and findings:
In conventionally manufactured solar cells, metallized areas on a surface of a solar cell semiconductor substrate are usually formed on an industrial scale using screen printing technologies. For this purpose, a viscous paste containing inter alia metal particles, printed on the areas to be metallized and then fired the paste in a subsequent high-temperature step. Similarly, doped regions can also be generated on the surface of the semiconductor substrate by applying a paste or liquid mixed with dopants to the substrate surface, for example by screen or inkjet printing, and then the dopants are diffused into the semiconductor substrate in a high-temperature step.
Dabei sollten die verwendeten Siebdruckpasten einerseits hinreichend flüssig sein, damit sie sich drucken lassen, andererseits sollten die gedruckten Strukturen möglichst gut ihre Form behalten, wie sie beim Drucken z. B. durch eine Geometrie von Öffnungen in einem Sieb vorgegeben sind, um gewährleisten zu können, dass ein tatsächlich an der Substratoberfläche entstehendes Muster aus metallisierten beziehungsweise dotierten Bereichen weitestgehend einem gewünschten und durch die Geometrie des Siebes vorzugebenden Muster entspricht.On the one hand, the screen printing pastes used should be sufficiently fluid for them to be printed; on the other hand, the printed structures should retain their shape as well as possible, as is the case during printing. B. are given by a geometry of openings in a sieve, to ensure that an actually formed on the substrate surface pattern of metallized or doped areas largely corresponds to a desired and vorzugebenden by the geometry of the screen pattern.
Allerdings widersprechen sich die beiden für die Siebdruckpasten gewünschten Eigenschaften und in der Realität muss die Paste zum Drucken ausreichend flüssig sein, so dass die gedruckten Strukturen nach dem Druck zumindest teilweise zerfließen. Hierdurch kann beispielsweise auf einem mit metallhaltiger Paste bedruckten Teilbereich der Halbleitersubstratoberfläche, der einen elektrischen Kontakt mit möglichst perfekt viereckigem Querschnitt und möglichst hohem Höhe-Breite-Verhältnis (Aspektverhältnis) aufweisen sollte und zu diesem Zweck mit einem geeignet ausgebildeten Sieb bedruckt wurde, durch ein nach dem Entfernen des Siebes einsetzendes seitliches Zerfließen ein letztendlich breiterer, beispielsweise näherungsweise gaußförmiger Metallkontakt entstehen.However, the two contradict each other for the screen printing pastes desired properties and in reality, the paste for printing must be sufficiently liquid, so that the printed structures at least partially dissipate after printing. In this way, for example, on a printed with metal-containing paste portion of the semiconductor substrate surface, which should have an electrical contact with a perfectly perfect quadrangular cross-section and the highest possible height-width ratio (aspect ratio) and for this purpose with a suitably formed screen was printed, by an after-removal of the screen beginning lateral deliquescence ultimately a wider, for example, approximately Gaussian metal contact arise.
Dadurch wird nicht nur eine größere Abschattung durch den Metallkontakt bewirkt, sondern es steigt auch das Risiko, dass die Metallpaste seitlich derart stark zerfließt, dass es zu ungewünschten Kurzschlüssen mit benachbarten Kontakten oder dotierten Bereichen kommt. Die Breite eines siebgedruckten metallischen Kontakts hängt dabei neben der Viskosität der Siebdruckpaste auch von Eigenschaften der Oberfläche des bedruckten Halbleitersubstrates beziehungsweise deren Benetzbarkeit ab. Sind die Parameter der Paste oder diejenigen der Oberfläche des Halbleitersubstrates in Bezug auf die verwendete Siebdruckpaste schlecht aufeinander abgestimmt, können die letztendlich erzeugten Metallkontakte oft eine erheblich größere Breite aufweisen als die im zum Drucken dieser Kontakte verwendeten Sieb vorgesehenen zugehörigen Öffnungen.This not only causes greater shadowing by the metal contact, but also increases the risk that the metal paste dissolves laterally so strong that it comes to unwanted short circuits with adjacent contacts or doped areas. The width of a screen-printed metallic contact depends not only on the viscosity of the screen printing paste but also on properties of the surface of the printed semiconductor substrate or on its wettability. If the parameters of the paste or those of the surface of the semiconductor substrate are poorly matched with respect to the screen printing paste used, the metal contacts ultimately produced can often have a considerably greater width than the associated openings provided in the screen used to print these contacts.
Um den Effekt des seitlichen Zerfließens möglichst gering zu halten, wird eine Viskosität von verwendeten Siebdruckpasten daher meist möglichst hoch gewählt. Dies kann andererseits jedoch dazu führen, dass die Querschnittsfläche entlang einer beispielsweise fingerförmig gedruckten Struktur wie einem Metallkontaktfinger aufgrund der verwendeten Siebdrucktechnik variiert, beispielsweise aufgrund von in dem verwendeten Sieb quer zur Längsrichtung der zu erzeugenden Metallkontaktfinger verlaufenden feinen Metalldrähte des Siebes. Derart beispielsweise über die Länge eines Metallkontaktes hin variierende Querschnittsflächen können in einem erhöhten elektrischen Serienwiderstand des Metallkontakts resultieren.In order to minimize the effect of lateral deliquescence, a viscosity of screen printing pastes used is therefore usually chosen as high as possible. On the other hand, however, this may cause the cross-sectional area along a finger-like printed structure, such as a metal contact finger, to vary due to the screen printing technique used, for example, due to fine wires of the wire running in the screen used transverse to the longitudinal direction of the metal contact fingers to be formed. For example, over the length of a metal contact varying cross-sectional areas can result in an increased electrical series resistance of the metal contact.
Es wird nun vorgeschlagen, die Oberfläche des lokal zu metallisierenden oder dotierenden Halbleitersubstrates gezielt mit einem Muster aus verschiedenartigen Teilbereichen zu strukturieren. Die verschiedenartigen Teilbereiche sind dabei derart ausgestaltet, dass eine fließfähige Substanz wie beispielsweise eine dünnflüssige Paste oder eine Tinte sich zwar innerhalb eines Teilbereichs verteilen und ausbreiten kann, aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Teilbereiche aber nicht über eine Grenze zwischen den Teilbereichen fließen kann.It is now proposed to structure the surface of the locally to be metallized or doped semiconductor substrate specifically with a pattern of different subregions. The various subregions are designed in such a way that a flowable substance such as a thin paste or ink can distribute and spread within a subarea, but can not flow over a boundary between the subregions due to the different properties of the different subregions.
Die verschiedenen Teilbereiche an der Oberfläche des Halbleitersubstrates können beispielsweise in Form von tieferliegenden und höherliegenden Teilbereichen ausgebildet werden. Laterale Abmessungen der tieferliegenden Teilbereiche können hierbei wesentlich größer als ein Höhenunterschied zwischen den tieferliegenden Teilbereichen und den höherliegenden Teilbereichen sein. Anschließend kann die fließfähige Substanz in die tieferliegenden Teilbereiche eingebracht werden.The different partial regions on the surface of the semiconductor substrate can be formed, for example, in the form of deeper and higher partial regions. Lateral dimensions of the deeper subregions can be substantially greater than a height difference between the deeper subregions and the higher subareas. Subsequently, the flowable substance can be introduced into the deeper parts.
Alternativ können die verschiedenen Teilbereiche an der Oberfläche des Halbleitersubstrates auch in Form von unterschiedlich benetzbaren Teilflächen ausgebildet werden. Erste Teilbereiche können dabei eine Oberfläche aufweisen, die beispielsweise aufgrund von Vorbehandlungen oder zeitweise aufgebrachten Schichten oder Masken eine andere Benetzbarkeit für darauf abzuscheidende fließfähige Substanzen aufweist als zweite Teilbereiche. Eine fließfähige Substanz kann dann bevorzugt auf einen Teilbereich mit hoher Benetzbarkeit aufgebracht werden und sich auf diesem bis an eine Grenze zu einem Teilbereich niedrigerer Benetzbarkeit ausbreiten. Unterschiedlich benetzbare Teilbereiche können beispielsweise durch lokales Abscheiden gut oder schlecht benetzbarer Schichten erzeugt werden. Im Fall von wasserbasierten Pasten oder Tinten als fließfähiger Substanz kann ein schlecht benetzbarer Teilbereich z. B. durch Bedecken mit geeignetem Material oder durch geeignete Vorbehandlung hydrophobe Eigenschaften aufweisen, wohingegen ein angrenzender gut benetzbarer Teilbereich hydrophile Eigenschaften aufweisen kann.Alternatively, the different partial regions on the surface of the semiconductor substrate can also be formed in the form of differently wettable partial surfaces. First partial regions may have a surface which, for example due to pretreatments or temporarily applied layers or masks, has a different wettability for flowable substances to be deposited thereon than second partial regions. A flowable substance may then preferably be applied to a portion of high wettability and spread thereon to the limit of a portion of lower wettability. Differently wettable subareas can be generated, for example, by local deposition of well or poorly wettable layers. In the case of water-based pastes or inks as a flowable substance, a poorly wettable portion z. B. by covering with suitable material or by suitable pretreatment hydrophobic properties, whereas an adjacent well wettable subregion may have hydrophilic properties.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass bei Ausführungsformen der Erfindung auch mehr als zwei verschiedene Arten von Teilbereichen vorgesehen sein können. Zum Beispiel können zwei verschiedene Muster von tieferliegenden bzw. besser benetzbaren Teilbereichen beispielsweise in einander verschachtelt ausgebildet werden und voneinander durch einen oder mehrere höherliegende bzw. schlechter benetzbare Teilbereiche getrennt sein. In die verschiedenen tieferliegenden bzw. besser benetzbaren Teilbereiche können dann z. B. unterschiedliche fließfähige Substanzen eingebracht werden, um auf diese Weise z. B. verschiedenartige und voneinander getrennte Metallkontakte oder dotierte Bereiche einer Solarzelle bilden zu können.It should also be noted that embodiments of the invention may also provide more than two different types of subregions. For example, two different patterns of deeper wettable portions may, for example, be nested within each other and separated from each other by one or more higher or lower wettable portions. In the different underlying or better wettable parts can then z. B. different flowable substances are introduced to z. B. to be able to form different and separate metal contacts or doped regions of a solar cell.
Nachfolgend sollen die verschiedenartigen Teilbereiche und ihre Wirkung beim Bilden der metallisierten bzw. dotierten Bereiche für die Solarzelle am Beispiel einer Halbleitersubstratoberfläche mit tieferliegenden und höherliegenden Teilbereichen erläutert werden.Subsequently, the various subregions and their effect in forming the metallized or doped regions for the solar cell will be explained using the example of a semiconductor substrate surface with deeper and higher subregions.
An den tieferliegenden Teilbereichen weist das Halbleitersubstrat einschließlich etwaiger daran aufgebrachter zusätzlicher Schichten dabei im Allgemeinen eine geringere Dicke auf als an den höherliegenden Teilbereichen. Das Muster aus unterschiedlich hoch liegenden Teilbereichen kann, wie weiter unten detaillierter dargelegt, mithilfe unterschiedlicher Bearbeitungstechniken erzeugt werden, beispielsweise durch lokales Ätzen, lokale Laserablation, lokales laserunterstütztes Ätzen, mechanisches Abtragen oder durch eine Kombination dieser Maßnahmen. Ein Höhenunterschied zwischen den tieferliegenden Bereichen und den höherliegenden Bereichen kann dabei im Vergleich zu deren lateralen Abmessungen relativ gering sein.At the deeper subareas, the semiconductor substrate, including any additional layers applied thereto, generally has a smaller thickness than at the higher subareas. The pattern of subregions of different heights can, as explained in more detail below, be produced by means of different processing techniques, for example by local etching, local Laser ablation, local laser assisted etching, mechanical ablation or a combination of these measures. A height difference between the lower lying areas and the higher lying areas can be relatively small compared to their lateral dimensions.
In die derart ausgebildeten tieferliegenden Teilbereiche wird anschließend eine fließfähige Substanz, beispielsweise ähnlich einer verdünnten Siebdruckpaste oder einer Tinte, eingebracht, wobei die fließfähige Substanz Dotierstoffe und/oder Metallpartikel enthält. Die fließfähige Substanz enthält auch ein Verflüssigungsmittel wie beispielsweise ein Lösungsmittel, einen Verdünner oder ein Dispergiermittel zur Erhöhung von deren Fließfähigkeit, wobei ein Anteil von Verflüssigungsmittel beispielsweise wesentlich höher sein kann als bei herkömmlichen hochviskosen Siebdruckpasten und die eingebrachte Substanz daher stark seitlich zerfließen kann. Aufgrund ihrer guten Fließfähigkeit kann die eingebrachte Substanz sich daher vorzugsweise in einem gesamten tieferliegenden Teilbereich verteilen. Der Höhenunterschied zwischen den tieferliegenden und den höherliegenden Teilbereichen, der sich beispielsweise in Form einer Stufe zwischen den tieferliegenden und den höherliegenden Teilbereichen ausdrückt, kann dabei verhindern, dass fließfähige Substanz über die tieferliegenden Teilbereiche hinaus verfließt. Aus der derart eingebrachten und lateral zerflossenen fließfähigen Substanz wird dann gezielt Verflüssigungsmittel verdunstet, beispielsweise indem das Halbleitersubstrat in einem Ofen bei erhöhten Temperaturen getrocknet wird. Alternativ kann das Verflüssigungsmittel auch umgewandelt werden, z. B. wenn darin UV-härtende, beispielsweise polymerisierende Additive enthalten sind. Dabei verfestigt sich die Substanz und das Halbleitersubstrat kann beispielsweise nachfolgend weiterverarbeitet werden, ohne dass ein Risiko einer Veränderung der derart eingebrachten Dotierungs- oder Metallisierungsstruktur besteht.A flowable substance, for example, similar to a thinned screen printing paste or an ink, is subsequently introduced into the lower part areas formed in this way, the flowable substance containing dopants and / or metal particles. The flowable substance also contains a liquefying agent such as a solvent, diluent or dispersant to increase its flowability, for example, a proportion of fluidizing agent may be substantially higher than conventional high viscosity screen printing pastes and the introduced substance may therefore flow away very laterally. Because of their good flowability, the introduced substance can therefore preferably be distributed over an entire deeper subarea. The difference in height between the lower and the higher partial areas, which is expressed for example in the form of a step between the lower and higher partial areas, can prevent flowable substance from flowing over the lower partial areas. From the thus introduced and laterally flowable flowable substance liquefying agent is then specifically evaporated, for example by the semiconductor substrate is dried in an oven at elevated temperatures. Alternatively, the liquefying agent may also be converted, e.g. B. if contained therein UV-curing, for example, polymerizing additives. In this case, the substance solidifies and the semiconductor substrate can be further processed, for example, below, without there being any risk of a change in the doping or metallization structure introduced in this way.
Nachfolgend werden mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung weiter im Detail beschrieben.Hereinafter, possible features and advantages of embodiments of the invention will be further described in detail.
Das im Rahmen des Verfahrens bearbeitete Halbleitersubstrat kann eine beliebige für eine Solarzelle geeignete Geometrie aufweisen und aus einem beliebigen für eine Solarzelle geeigneten Halbleitermaterial bestehen. Beispielsweise kann ein Siliziumwafer als Halbleitersubstrat dienen.The semiconductor substrate processed in the context of the method can have any suitable geometry for a solar cell and can consist of any semiconductor material suitable for a solar cell. For example, a silicon wafer can serve as a semiconductor substrate.
Das Muster aus tieferliegenden und höherliegenden Teilbereichen kann an der Oberfläche des Halbleitersubstrates auf unterschiedliche Weisen ausgebildet werden. Bei dem fertigen Muster können sowohl die tieferliegenden Teilbereiche als auch die höherliegenden Teilbereiche in sich eben sein und voneinander durch eine beispielsweise möglichst steile Stufe getrennt sein.The pattern of lower and higher partial areas can be formed on the surface of the semiconductor substrate in different ways. In the finished pattern, both the deeper subsections and the higher subregions can be flat in themselves and be separated from each other by an example steepest possible step.
Wenn das Verfahren zum Herstellen von als elektrische Kontakte dienenden metallisierten Bereichen eingesetzt wird, können die tieferliegenden Teilbereiche beispielsweise als fingerförmiges Grid mit einer Vielzahl länglicher, schmaler und vorzugsweise parallel zueinander verlaufender Vertiefungen ausgebildet sein. Zwischen zwei benachbarten fingerartigen tieferliegenden Teilbereichen liegt ein höherliegender Teilbereich, wobei die tieferliegenden Teilbereiche breiter, schmaler oder gleichbreit wie die höherliegenden Teilbereiche sein können.If the method is used to produce metalized areas serving as electrical contacts, the deeper subareas may be formed, for example, as a finger-shaped grid having a multiplicity of elongate, narrow and preferably mutually parallel depressions. Between two adjacent finger-like deeper subareas is a higher-lying subregion, wherein the deeper subsections may be wider, narrower or the same width as the higher subsections.
Alternativ hierzu kann das Verfahren auch dazu eingesetzt werden, große Teilflächen des Halbleitersubstrates gezielt zu dotieren, beispielsweise um Emitterbereiche für die Solarzelle zu erzeugen, und zwischen dotierten Teilbereichen undotierte oder andersartig dotierte Stege zu belassen, die in dem genannten Beispiel als nach außen hin freiliegende und kontaktierbare Basisbereiche dienen können. In einer solchen Ausgestaltung können die tieferliegenden Teilbereiche einen Großteil der Oberfläche des Halbleitersubstrates bedecken und durch dazwischen liegende schmale höherliegende Teilbereiche voneinander separiert sein.Alternatively, the method can also be used to selectively dope large partial areas of the semiconductor substrate, for example to produce emitter areas for the solar cell, and to leave undoped or otherwise doped bars between doped partial areas, which in the example mentioned are exposed to the outside can serve contactable base areas. In such an embodiment, the deeper subregions may cover a major part of the surface of the semiconductor substrate and be separated from each other by narrow higher subregions lying therebetween.
Die tieferliegenden Teilbereiche können beispielsweise durch lokales Abtragen von Material von der Oberfläche des Halbleitersubstrates ausgebildet werden. Von einem Halbleitersubstrat mit einer ursprünglich planen oder allenfalls mikroskopisch texturierten Oberfläche kann dabei durch geeignete Verfahren lokal an den zu erzeugenden tieferliegenden Teilbereichen Material beispielsweise durch lokales Ätzen und/oder unter Verwendung von Laserbestrahlung abgetragen werden.The deeper subregions can be formed for example by local removal of material from the surface of the semiconductor substrate. From a semiconductor substrate having an originally planar or possibly microscopically textured surface, it is possible by means of suitable methods to remove material locally from the underlying subregions to be produced, for example by local etching and / or using laser irradiation.
Um die tieferliegenden Teilbereiche durch Ätzen zu erzeugen, kann die Oberfläche des Halbleitersubstrates in den übrigen Teilbereichen beispielsweise mit einer Ätzbarrieremaske versehen werden. Die Ätzbarrieremaske bedeckt dabei die späteren höherliegenden Teilbereiche. In den nicht von der Ätzbarrieremaske bedeckten Teilbereichen kann dann ein ätzendes Medium, beispielsweise in Form einer ätzenden Lösung oder eines ätzenden Plasmas, wirken und Material aus dem Halbleitersubstrat heraus ätzen, um die tieferliegenden Teilbereiche zu erzeugen. Die Ätzbarrieremaske kann nachträglich gegebenenfalls wieder entfernt werden. Alternativ können die tieferliegenden Teilbereiche durch lokales Bedecken mit einer ätzenden Masse, beispielsweise in Form einer ätzenden Siebdruckpaste, gebildet werden. Die Ätzbarrieremaske beziehungsweise die ätzende Masse können beispielsweise mittels Siebdruckverfahren oder ähnlicher Technologien aufgebracht werden.In order to produce the deeper subareas by etching, the surface of the semiconductor substrate in the other subregions can be provided, for example, with an etch barrier mask. The etch barrier mask covers the later higher subareas. In the subregions not covered by the etching barrier mask, a corrosive medium, for example in the form of a corrosive solution or a corrosive plasma, can then act and etch material out of the semiconductor substrate in order to produce the underlying subregions. The Ätzbarrieremaske can subsequently be removed if necessary again. Alternatively, the deeper subregions can be formed by local coverage with a caustic mass, for example in the form of a corrosive screen printing paste. The Ätzbarrieremaske or the corrosive mass can be applied for example by screen printing or similar technologies.
Alternativ zu einem Entfernen von Material durch Ätzen kann das Muster an der Halbleitersubstratoberfläche auch unter Verwendung von Laserbestrahlung erzeugt werden. Beispielsweise können die tieferliegenden Teilbereiche durch Ablatieren von Material aus dem Halbleitersubstrat mithilfe hochenergetischer Laserstrahlung und eventuell anschließendes Wegätzen eines Laserschadens erzeugt werden. Alternativ kann auch beispielsweise die gesamte Oberfläche der Halbleitersubstrates mit einer ätzenden Substanz bedeckt werden und ein Ätzvorgang dann lokal durch Laserbestrahlung in den zu erzeugenden tieferliegenden Teilbereichen beschleunigt werden, was auch als Laserunterstütztes Ätzen (laser-assisted etching) bezeichnet wird. As an alternative to removing material by etching, the pattern may also be generated on the semiconductor substrate surface using laser irradiation. By way of example, the deeper-lying partial regions can be produced by ablating material from the semiconductor substrate using high-energy laser radiation and possibly subsequently etching away laser damage. Alternatively, it is also possible, for example, to cover the entire surface of the semiconductor substrate with a corrosive substance and then to accelerate an etching process locally by laser irradiation in the deeper subregions to be generated, which is also referred to as laser-assisted etching.
Anstatt an der Halbleitersubstratoberfläche lokal Material zu entfernen und so die tieferliegenden Teilbereiche zu erzeugen, kann alternativ zum Ausbilden der höherliegenden Teilbereiche eine Maske auf die Oberfläche des Halbleitersubstrates aufgebracht werden, welche die Oberfläche lediglich in Arealen bedeckt, die die höherliegenden Teilbereiche bilden sollen. Mit anderen Worten kann beispielsweise auf einer ursprünglich planen Oberfläche eines Halbleitersubstrates das gewünschte Muster erzeugt werden, indem auf die Oberfläche in bestimmten Arealen eine zusätzliche Schicht als Maske aufgebracht wird und auf diese Weise dort die höherliegenden Teilbereiche erzeugt werden. Die Schicht der Maske kann dabei derart ausreichend dick sein, dass an ihrer Kante eine Stufe hin zu angrenzenden tieferliegenden Bereichen entsteht, die ein Ausbreiten von dort eingebrachter fließfähiger Substanz verhindert.Instead of locally removing material from the semiconductor substrate surface and thus producing the deeper subregions, a mask may alternatively be applied to the surface of the semiconductor substrate covering the surface only in areas intended to form the higher subregions. In other words, for example, the desired pattern can be generated on an originally planar surface of a semiconductor substrate by applying an additional layer as a mask to the surface in certain areas and thus producing the higher-lying partial areas there. In this case, the layer of the mask can be sufficiently thick that at its edge a step is created towards adjacent, deeper-lying regions, which prevents spreading of flowable substance introduced there.
Alternativ kann ein Maske mit einer sehr geringen Schichtdicke, beispielsweise weniger als 10 μm oder sogar weniger als 1 μm, aufgebracht werden. Eine solche Schicht erzeugt zwar im Allgemeinen keine ausreichende Stufe, kann aber aufgrund andersartiger Benetzungseigenschaften des hierfür verwendeten Maskenmaterials ein Ausbreiten von in die nicht maskierten Bereiche eingebrachter fließfähiger Substanz verhindern.Alternatively, a mask with a very small layer thickness, for example less than 10 μm or even less than 1 μm, can be applied. While such a layer generally does not produce a sufficient level, it may prevent spreading of flowable substance incorporated into the unmasked areas because of different wetting properties of the masking material used therefor.
Die Maske kann beispielsweise aufgedruckt werden. Beispielsweise kann eine Maske mithilfe von Siebdrucktechnologien und unter Verwendung einer geeigneten Siebdruckpaste lokal aufgebracht werden. Die Siebdruckpaste kann beispielsweise ein Wachs, ein Polymer, oder ähnliches enthalten.The mask can be printed, for example. For example, a mask can be applied locally using screen printing technologies and using a suitable screen printing paste. The screen printing paste may contain, for example, a wax, a polymer, or the like.
Alternativ kann die Maske auch in anderer Weise aufgebracht werden. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem maskierenden Material nicht nur lokal sondern zunächst ganzflächig auf die zu musternde Oberfläche des Halbleitersubstrates aufgebracht werden und anschließend lokal entfernt werden. Beispielsweise kann die Schicht hierbei ähnlich wie in dem vorangehenden Beispiel aufgedruckt werden. Alternativ kann eine Schicht auch mit anderen Abscheidungsverfahren gebildet werden, beispielsweise durch ganzflächiges Abscheiden mit Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD – chemical vapour deposition; zum Beispiel PECVD, LPCVD, APCVD, etc.) oder Sputterverfahren oder mit Aufsprühverfahren (spray-on) oder Aufspinverfahren (spin-on). Die Schicht kann dabei beispielsweise aus einem Dielektrikum wie Siliziumnitrid, Siliziumoxid, einem Wachs oder einem Polymer etc. ausgebildet werden.Alternatively, the mask can also be applied in another way. For example, a layer of a masking material not only locally but initially over the entire surface are applied to the surface of the semiconductor substrate to be examined and then removed locally. For example, the layer may be printed similarly to the preceding example. Alternatively, a layer can also be formed using other deposition methods, for example by blanket deposition by means of chemical vapor deposition (CVD), for example PECVD, LPCVD, APCVD, etc.) or sputtering or by spray-on or spin-on methods (spin-on). on). The layer can be formed, for example, from a dielectric such as silicon nitride, silicon oxide, a wax or a polymer, etc.
Die zum Bilden der dotierten beziehungsweise metallisierten Bereiche verwendete fließfähige Substanz kann eine Fließfähigkeit derart aufweisen, dass sie sich allein aufgrund von Oberflächenadhäsionskräften und/oder Oberflächenkapillarkräften innerhalb eines tieferliegenden Teilbereichs im Wesentlichen gleichmäßig ausbreitet. Mit anderen Worten kann die fließfähige Substanz zusätzlich zu den Dotierstoffen, die zum Dotieren der gewünschten Bereiche dienen können, beziehungsweise zusätzlich zu den Metallpartikeln, die zum Bilden der Metallisierung in den gewünschten Bereichen dienen können, ausreichend andere fließfähige Bestandteile beinhalten, beispielsweise in Form eines Verflüssigungsmittels, um der die fließfähige Substanz bildenden Mischung aus Dotierstoffen beziehungsweise Metallpartikeln und flüssigen Bestandteilen eine ausreichend hohe Fließfähigkeit, das heißt eine geringe Viskosität zu verleihen, so dass die fließfähige Substanz, wenn sie auf eine näherungsweise ebene Fläche eines tieferliegenden Teilbereichs lokal aufgebracht wird, sich selbständig über diese Ebene verteilt, das heißt zerfließt und dadurch letztendlich die gesamte Oberfläche im Bereich des tieferliegenden Teilbereichs mit einer im Wesentlichen konstanten Schichtdicke bedeckt. Als Verflüssigungsmittel können z. B. niedrigviskose Flüssigkeiten wie Lösungsmittel oder auch Wasser dienen. Zum Beispiel können organische unpolare Stoffe wie Alkane, Alkene, Alkine oder Benzole oder polare Stoffe wie Ketone (z. B. Aceton), Alkohole (z. B. Ethanol, (Iso-)Propanol, Butanol, etc.) oder verschiedene Säuren verwendet werden.The flowable substance used to form the doped or metallized regions may have a fluidity such that it propagates substantially uniformly solely due to surface adhesion forces and / or surface capillary forces within a deeper portion. In other words, in addition to the dopants that may serve to dope the desired regions, or in addition to the metal particles that may serve to form the metallization in the desired regions, the flowable substance may include sufficiently different flowable components, for example, in the form of a fluidizing agent in order to impart to the flowable substance-forming mixture of dopants or metal particles and liquid constituents a sufficiently high flowability, that is to say a low viscosity, so that the flowable substance, when applied locally to an approximately flat surface of a deeper subregion, becomes self-sufficient Distributed over this plane, that is, deliquesces and thereby ultimately covers the entire surface in the region of the lower part with a substantially constant layer thickness. As a liquefying agent z. B. low viscosity liquids such as solvents or water. For example, organic non-polar substances such as alkanes, alkenes, alkynes or benzenes or polar substances such as ketones (eg acetone), alcohols (eg ethanol, (iso) propanol, butanol, etc.) or various acids may be used become.
Wie einfach und gleichmäßig die fließfähige Substanz sich dabei über die Substratoberfläche in einem tieferliegenden Bereich verteilt, hängt einerseits von der Rheologie der fließfähigen Substanz und andererseits von den Eigenschaften der zu bedeckenden Oberfläche ab. Insbesondere die Benetzungseigenschaften an dieser Oberfläche, die unter anderem von dem Material der zu beschichtenden Oberfläche abhängen, und die geometrische Struktur, beispielsweise ein Maß einer mikroskopischen Rauigkeit oder Texturierung der zu beschichtenden Oberfläche, können Einfluss auf das Ausbreitungsverhalten der fließfähigen Substanz nehmen. Angepasst an diese Einflüsse soll die fließfähige Substanz ausreichend fließfähig, das heißt dünnflüssig, sein, um sich ohne weitere Kräfte, wie sie ansonsten beispielsweise beim Siebdrucken durch einen Rakel verursacht werden, innerhalb der tieferliegenden Teilbereiche verteilen zu können. Insbesondere kann die fließfähige Substanz eine wesentlich geringere Viskosität aufweisen als herkömmliche Siebdruckpasten, was durch einen wesentlich höheren Anteil von Verflüssigungsmitteln bewirkt sein kann.How easily and uniformly the flowable substance spreads over the substrate surface in a deeper area depends on the one hand on the rheology of the flowable substance and on the other hand on the properties of the surface to be covered. In particular, the wetting properties on this surface, which inter alia depend on the material of the surface to be coated, and the geometric structure, for example a measure of microscopic roughness or texturing of the surface to be coated, can influence the propagation behavior of the flowable substance. Adapted to these influences, the flowable substance is to be sufficiently free-flowing, that is to say fluid, in order to be able to disperse within the deeper subsections without any further forces, such as those otherwise caused, for example, by screen printing by a doctor blade. In particular, the flowable substance may have a substantially lower viscosity than conventional screen-printing pastes, which may be effected by a significantly higher proportion of liquefying agents.
Insbesondere aufgrund ihrer guten Fließfähigkeit braucht die fließfähige Substanz nicht unbedingt gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche der tieferliegenden Teilbereiche aufgebracht werden, sondern es kann genügen, die fließfähige Substanz lediglich in Teilarealen der tieferliegenden Teilbereiche einzubringen. Beispielsweise kann es genügen, die fließfähige Substanz lediglich in etwa in der Mitte eines tieferliegenden Teilbereichs aufzubringen und sich dann selbsttätig über die Oberfläche des gesamten tieferliegenden Teilbereichs verteilen zu lassen. Es kann auch genügen, die fließfähige Substanz nur als Reihe von Punkten einzubringen, beispielsweise indem sie mit einem Inkjet-Drucker als einzelne Tröpfchen in die tieferliegenden Teilbereiche eingebracht wird, da die Punkte bzw. Tröpfchen anschließend lateral zerfließen können und zusammen mit benachbarten Punkten/Tröpfchen einen tieferliegenden Teilbereich komplett bedecken können.In particular, owing to its good flowability, the flowable substance does not necessarily have to be uniformly applied to the entire surface of the deeper subareas, but it may be sufficient to introduce the flowable substance only in subareas of the deeper subareas. For example, it may be sufficient to apply the flowable substance only approximately in the middle of a deeper subarea and then to distribute it automatically over the surface of the entire deeper subarea. It may also be sufficient to introduce the flowable substance only as a series of dots, for example, by introducing it as an individual droplets in the deeper sub-areas with an inkjet printer, since the dots or droplets can then laterally dissolve and along with adjacent dots / droplets completely cover a deeper subarea.
Die Eigenschaft, dass sich die fließfähige Substanz selbsttätig innerhalb der tieferliegenden Teilbereiche verteilen kann, kann insbesondere hinsichtlich einzuhaltender Fertigungstoleranzen vorteilhaft wirken. Für das Ausbilden der tieferliegenden Teilbereiche können andere Fertigungstechnologien eingesetzt werden als für ein Einbringen der fließfähigen Substanz. Während zum Beispiel fließfähige Substanzen auch bei einer herkömmlichen Solarzellenfertigung zum Beispiel beim Siebdrucken der Metallkontakte aufgebracht werden und dabei wie einleitend ausgeführt ein seitliches Verfließen von Siebdruckpaste negativ wirkt und dazu führt, dass die Siebdruckpaste mit hoher räumlicher Präzision, das heißt geringen räumlichen Toleranzen, aufgebracht werden muss, kann beim hier vorgestellten Verfahren die Tatsache genutzt werden, dass die tieferliegenden Teilbereiche beispielsweise unter Verwendung von Laserbestrahlung verhältnismäßig einfach mit hoher räumlicher Präzision ausgebildet werden können und anschließend ein Einbringen fließfähiger Substanz in diese tieferliegenden Teilbereiche räumlich weniger präzise durchgeführt werden kann. Zum Einbringen der fließfähigen Substanz können hierbei beispielsweise ebenfalls Siebdrucktechnologien eingesetzt werden, die fließfähige Substanz selbst kann hierbei jedoch dahingehend modifiziert sein, dass sie sogar noch stärker seitlich verfließt als herkömmliche Siebdruckpaste, da ein seitliches Verfließen bei dem hierin vorgeschlagenen Verfahren sogar vorteilhaft ist. Eine räumliche Positionierungsgenauigkeit beim Einbringen der fließfähigen Substanz, das heißt beispielsweise beim Siebdrucken der fließfähigen Substanz in die tieferliegenden Teilbereiche, kann dabei wesentlich geringer bleiben als bei herkömmlichen Siebdruckmetallisierungsverfahren. Anders ausgedrückt dürfen Positionierungstoleranzen beim Aufbringen der fließfähigen Substanz verhältnismäßig hoch sein, da es im Allgemeinen genügt, wenn die fließfähige Substanz in ausreichender Menge irgendwo in einen tieferliegenden Teilbereich eingebracht wird und sich anschließend in diesem selbsttätig verteilen kann.The property that the flowable substance can distribute itself automatically within the deeper subareas can have an advantageous effect, in particular with regard to manufacturing tolerances to be maintained. For the formation of the deeper subareas other manufacturing technologies can be used as for an introduction of the flowable substance. While, for example, flowable substances are also applied in a conventional solar cell production, for example, in the screen printing of the metal contacts and doing as introductory running a lateral flow of screen printing negative and causes the screen printing paste with high spatial precision, ie low spatial tolerances are applied must, can be used in the method presented here, the fact that the deeper subregions can be relatively easily formed using laser irradiation with high spatial precision and then an introduction of flowable substance in these deeper subareas can be carried out spatially less precise. For the introduction of the flowable substance, screen printing technologies may also be used here, for example, but the flowable substance itself may be modified such that it flows even more laterally than conventional screen printing paste, since lateral flow is even advantageous in the process proposed herein. A spatial positioning accuracy when introducing the flowable substance, that is, for example, when screen printing the flowable substance in the deeper subsections, can remain much lower than in conventional Siebdruckmetallisierungsverfahren. In other words, positioning tolerances when applying the flowable substance may be relatively high, since it is generally sufficient if the flowable substance is introduced in sufficient quantity somewhere in a deeper subregion and then can be distributed in this self-contained.
Die fließfähige Substanz kann in die tieferliegenden Teilbereiche beispielsweise durch Drucken eingebracht werden. Neben dem bereits beschriebenen Siebdruckverfahren können hierbei auch andere Druckverfahren wie zum Beispiel Inkjet-Druck-Technologien, Spritzendruck-Technologien, Extrusionsdruck-Technologien oder ähnliches eingesetzt werden.The flowable substance can be introduced into the deeper subregions, for example by printing. In addition to the screen printing method already described, other printing methods such as, for example, inkjet printing technologies, injection molding technologies, extrusion printing technologies or the like can also be used here.
Um das wie oben beschrieben bearbeitete Halbleitersubstrat weiter zu prozessieren und letztendlich daraus eine Solarzelle herzustellen, kann die fließfähige Substanz, nachdem sie durch zumindest teilweises Verdunsten oder Umwandeln des Verflüssigungsmittels verfestigt wurde, auf eine höhere Temperatur von beispielsweise mehr als 400°C gebracht werden, die benötigt wird, um die nachfolgend beschriebene gewünschte Reaktion zu bewirken.In order to further process the semiconductor substrate processed as described above and ultimately to produce a solar cell therefrom, after being solidified by at least partially evaporating or converting the fluidizing agent, the flowable substance may be brought to a higher temperature of, for example, more than 400 ° C is needed to effect the desired reaction described below.
Wenn zum Beispiel die auf die tieferliegenden Teilbereiche aufgebrachte Substanz Dotierstoffe enthält, beispielsweise in Form von in eine Trägerpaste oder Trägerflüssigkeit eingemischten Dotanden wie Bor oder Phosphor, können diese als Atome oder Moleküle oder auch kleine Partikel enthaltenen Dotanden bei Temperaturen größer 700°C, vorzugsweise größer 800°C, oberflächlich in das Halbleitersubstrat eindiffundieren und auf diese Weise dort den gewünschten dotierten Bereich bilden. Dies wird auch als Drive-In Schritt bezeichnet. Auf diese Weise können für eine Solarzelle beispielsweise lokale oder selektive Emitter- oder Basisregionen erzeugt werden.If, for example, the substance applied to the deeper subregions contains dopants, for example in the form of dopants mixed in a carrier paste or carrier liquid, such as boron or phosphorus, these dopants can be present as atoms or molecules or even small particles at temperatures greater than 700 ° C., preferably greater 800 ° C, diffuse superficially into the semiconductor substrate and thus form the desired doped region there. This is also known as a drive-in step. In this way, for example, local or selective emitter or base regions can be generated for a solar cell.
Alternativ können mithilfe einer Substanz, bei der in eine Trägermasse Metallpartikel und gegebenenfalls andere Partikel, beispielsweise Glasfritte, eingemischt sind, gewünschte metallisierte Bereiche für elektrische Kontakte einer Solarzelle erzeugt werden, wobei bei Temperaturen größer 400°C, vorzugsweise größer 600°C, ein guter elektrischer Kontakt zwischen den Metallpartikeln untereinander und/oder dem Halbleitersubstrat bewirkt werden kann. Dies kann beinhalten, dass dielektrische oder anderweitige Beschichtungen durch Bestandteile der aufgebrachten Substanz lokal entfernt oder umgewandelt werden, und/oder eine ein- oder mehrphasige Legierung zwischen Halbleitersubstratmaterial und in der Paste enthaltenen Metallen entsteht, wie beispielsweise eine eutektische Phase aus Aluminium und Silizium oder Metallsilizide, und/oder sich Metallpartikel in der aufgebrachten Substanz derart miteinander verbinden, dass eine hinreichend gute Querleitfähigkeit entsteht. Dies wird teilweise auch als Sinter- oder Feuerschritt bezeichnet.Alternatively, with the aid of a substance in which metal particles and optionally other particles, for example glass frit, are mixed into a carrier mass, desired metallized regions for electrical contacts of a solar cell are produced, wherein at temperatures greater than 400 ° C., preferably greater than 600 ° C., a good electrical contact between the metal particles with each other and / or the semiconductor substrate can be effected. This may involve locally removing or converting dielectric or other coatings by constituents of the applied substance, and / or a mono- or multiphase Alloying occurs between semiconductor substrate material and metals contained in the paste, such as a eutectic phase of aluminum and silicon or metal silicides, and / or metal particles in the applied substance combine with one another in such a way that a sufficiently good transverse conductivity arises. This is sometimes referred to as a sintering or fire step.
Eine gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Solarzelle kann insbesondere unter zu Hilfenahme von Ausführungsformen des zuvor beschriebenen Verfahrens hergestellt werden. Die beschriebenen Verfahrensschritte können dabei zu entsprechenden strukturellen und funktionalen Merkmalen für die Solarzelle führen.A solar cell proposed according to the second aspect of the present invention can be produced in particular with the aid of embodiments of the method described above. The described method steps can lead to corresponding structural and functional features for the solar cell.
Wie jede Solarzelle hat auch eine derart hergestellte Solarzelle zumindest ein Halbleitersubstrat, unterschiedlich dotierte Regionen beispielsweise in Form von Emitterregionen und Basisregionen an Teilbereichen einer Oberfläche des Halbleitersubstrates und elektrische Kontakte, mit denen diese Regionen an den Teilbereichen der Oberfläche des Halbleitersubstrates elektrisch kontaktiert werden.Like any solar cell, a solar cell produced in this way has at least one semiconductor substrate, differently doped regions, for example in the form of emitter regions and base regions at partial regions of a surface of the semiconductor substrate, and electrical contacts with which these regions are electrically contacted at the partial regions of the surface of the semiconductor substrate.
Im Unterschied zu herkömmlichen Solarzellen weist das Halbleitersubstrat jedoch ein Muster aus tieferliegenden und höherliegenden Teilbereichen an seiner Oberfläche auf, wobei sich dieses Muster vorzugsweise über die gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrates zumindest an einer Seite desselben erstreckt, ein Höhenunterschied zwischen den tieferliegenden Teilbereichen und den höherliegenden Teilbereichen jedoch in Relation zu den lateralen Abmessungen dieser Teilbereiche verhältnismäßig klein ist. Beispielsweise können die minimalen lateralen Abmessungen der Teilbereiche, das heißt zum Beispiel eine Breite dieser Teilbereiche, in einem Bereich von 10 μm bis 10 mm, vorzugsweise im Bereich von 100 μm bis 3 mm, liegen und damit mehr als zehnmal so groß, vorzugsweise mehr als fünfzigmal so groß sein wie der Höhenunterschied zwischen den verschiedenen Teilbereichen, der beispielsweise in einem Bereich von 50 nm bis 50 μm, vorzugsweise in einem Bereich von 100 nm bis 10 μm, liegen kann (Jeder der tieferliegenden und höherliegenden Teilbereiche kann jeweils durch näherungsweise ebene Flächen gebildet sein und über eine Stufe an einen entsprechend andersartigen Teilbereich angrenzen.In contrast to conventional solar cells, however, the semiconductor substrate has a pattern of lower and higher partial areas on its surface, wherein this pattern preferably extends over the entire surface of the semiconductor substrate at least on one side thereof, but a height difference between the lower partial areas and the higher partial areas is relatively small in relation to the lateral dimensions of these subregions. For example, the minimum lateral dimensions of the partial regions, that is, for example, a width of these partial regions, may be in a range of 10 μm to 10 mm, preferably in the range of 100 μm to 3 mm, and thus more than ten times as large, preferably more than be fifty times as large as the difference in height between the various sub-areas, which may for example be in a range of 50 nm to 50 microns, preferably in a range of 100 nm to 10 microns (each of the lower and higher subsections can each be by approximately flat surfaces be formed and adjoin one step to a correspondingly different portion.
Wenn die tieferliegenden Teilbereiche dazu ausgebildet wurden, um darin eine Metallisierung zur Bildung von elektrischen Kontakten auszubilden, kann sich die entsprechend hergestellte Solarzelle dadurch von herkömmlichen Solarzellen unterscheiden, dass die tieferliegenden Bereiche mit einer metallhaltigen Schicht bedeckt sind, die eine im Wesentlichen konstante Dicke aufweist. Mit anderen Worten können die tieferliegenden Bereiche eine metallhaltige Schicht enthalten, die eine nach außen gerichtete näherungsweise ebene Oberfläche aufweist, wodurch sie sich insbesondere von herkömmlichen siebgedruckten Metallkontakten unterscheidet, bei denen ein siebgedruckter Metallkontakt durch das seitliche Abfließen der Siebdruckpaste nach dem Drucken meist einen etwa gaußförmigen Querschnitt aufweist und die nach außen gerichtete Oberfläche somit konvex gekrümmt ist. Eine derart hergestellte Solarzelle kann sich auch dadurch auszeichnen, dass die als elektrischer Kontakt dienende Metallschicht sich ausschließlich innerhalb der tieferliegenden Teilbereiche erstreckt, jedoch nicht über eine Kante, die diese tieferliegenden Teilbereiche von den höherliegenden Teilbereichen abgrenzt, überragt. Eine Geometrie der durch die metallhaltige Schicht gebildeten elektrischen Kontakte kann somit sehr genau vorgegeben werden, indem die tieferliegenden Teilbereiche mit der gewünschten Geometrie ausgebildet werden.When the deeper portions have been formed to form a metallization therein to form electrical contacts, the correspondingly fabricated solar cell may differ from conventional solar cells in that the deeper portions are covered with a metal-containing layer having a substantially constant thickness. In other words, the deeper areas may include a metal-containing layer having an outwardly directed, approximately planar surface, which differs in particular from conventional screen-printed metal contacts in which a screen-printed metal contact by the lateral flow of the screen printing paste after printing usually an approximately gaussian Cross-section and the outwardly directed surface is thus convexly curved. A solar cell produced in this way can also be characterized in that the metal layer serving as an electrical contact extends exclusively within the deeper subregions, but does not protrude beyond an edge which delimits these deeper subareas from the higher subareas. A geometry of the electrical contacts formed by the metal-containing layer can thus be specified very precisely by forming the deeper subregions with the desired geometry.
In einer alternativen Ausgestaltung, bei der die tieferliegenden Teilbereiche dazu genutzt werden, um dort eine mit Dotierstoffen versetzte fließfähige Substanz abzuscheiden, kann sich die derart hergestellte Solarzelle von herkömmlichen Solarzellen dadurch unterscheiden, dass das Halbleitersubstrat angrenzend an eine Oberfläche an den höherliegenden Teilbereichen eine andere Dotierung aufweist als angrenzend an eine Oberfläche an den tieferliegenden Teilbereichen. Das Muster aus höherliegenden und tieferliegenden Teilbereichen entspricht somit im Wesentlichen einem Muster aus unterschiedlich dotierten Arealen an der Oberfläche des Halbleitersubstrates, das heißt einem Muster beispielsweise aus Emitter-Arealen und Basis-Arealen.In an alternative embodiment, in which the deeper subareas are used to deposit there a dopant-added flowable substance, the solar cell thus produced may differ from conventional solar cells in that the semiconductor substrate adjacent to a surface at the higher subregions another doping has as adjacent to a surface at the lower partial areas. The pattern of higher-lying and lower-lying subareas thus substantially corresponds to a pattern of differently doped areas on the surface of the semiconductor substrate, that is, a pattern of, for example, emitter areas and base areas.
Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren und teilweise mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Solarzelle beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die beschriebenen Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können und insbesondere auch von dem Verfahren auf die Solarzelle beziehungsweise umgekehrt übertragen werden können, um zu weiteren Ausführungsformen und möglicherweise Synergieeffekten zu gelangen.It should be noted that possible features and advantages of embodiments of the invention are described herein in part with reference to a method according to the invention and in part with reference to a solar cell according to the invention. A person skilled in the art will recognize that the features described can be suitably combined or exchanged with one another and in particular can also be transferred from the method to the solar cell or vice versa in order to arrive at further embodiments and possibly synergy effects.
Ein Fachmann wird außerdem erkennen, dass ein Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle neben den hierin beschriebenen Verfahrensschritten noch weitere Verfahrensschritte enthalten kann, beispielsweise Verfahrensschritte zum Ausbilden anderer unterschiedlich dotierter Bereiche in dem Halbleitersubstrat, Verfahrensschritte zum Bilden von dielektrischen Schichten zum Beispiel als Passivierungs-, Antireflex- oder Schutzschichten, Verfahrensschritte zum Texturieren einer Oberfläche des Halbleitersubstrates und zum Reinigen dieser Oberfläche, Verfahrensschritte zur Metallisierung und Kontaktbildung, etc..A person skilled in the art will also recognize that a method for fabricating a solar cell may contain further method steps in addition to the method steps described here, for example method steps for forming other differently doped regions in the semiconductor substrate, method steps for forming dielectric layers, for example as passivation, antireflection or protective layers, process steps for texturing a surface of the Semiconductor substrate and for cleaning this surface, process steps for metallization and contact formation, etc ..
Außerdem wird ein Fachmann erkennen, dass eine erfindungsgemäße Solarzelle über die beschriebenen Merkmale hinaus weitere Merkmale und Eigenschaften aufweisen kann, beispielsweise weitere dotierte Bereiche, Metallisierungsstrukturen, dielektrische Schichten, etc..In addition, a person skilled in the art will recognize that a solar cell according to the invention can have, in addition to the described features, further features and properties, for example further doped regions, metallization structures, dielectric layers, etc.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die vorangehend beschriebenen und weitere mögliche Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ersichtlich, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung beschränkend auszulegen sind.The above-described and other possible aspects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of specific embodiments, in which neither the description nor the drawings are to be construed as limiting the invention.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleich wirkende Merkmale.The figures are only schematic and not to scale. Like reference numerals in the figures indicate the same or equivalent features.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION
Mit Bezug auf die
Zunächst wird ein Halbleitersubstrat
Wie in der vergrößerten Ansicht aus
Die tieferliegenden Teilbereiche
In die auf diese Weise erzeugte flache Grabenstruktur kann beispielsweise mithilfe eines Inkjet-Druckers
Alternativ kann eine fließfähige Substanz
Wie in der Bildsequenz 1(c1) bis (c3) dargestellt, weist die eingebrachte fließfähige Substanz
Nachdem die metallhaltige Substanz
Mit Bezug auf die
Zunächst wird ein Siliziumwafer als Halbleitersubstrat
Nachfolgend wird an beiden Oberflächen des Halbleitersubstrates
Anschließend wird die Oberfläche
Nachfolgend kann beispielsweise mittels eines Lasers das an der Rückseite
Ein im Silizium des Halbleitersubstrates
Nachfolgend kann in die derart gebildeten tieferliegenden Teilbereiche
Die borhaltige Flüssigkeit kann sich innerhalb des gesamten tieferliegenden Teilbereichs
Anschließend kann das Halbleitersubstrat
Nach Entfernen etwaiger Rückstände kann die Rückseite des Halbleitersubstrates
Eine derart hergestellte Solarzelle weist somit höherliegende Teilbereiche
Abschließend soll darauf hingewiesen werden, dass die in Bezug auf die Figuren beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich beispielhaft sind und einzelne Prozessschritte auch beispielsweise durch ähnlich wirkende Prozessschritte ergänzt oder ersetzt werden können.Finally, it should be pointed out that the embodiments of the method according to the invention described with reference to the figures are merely exemplary and that individual process steps can also be supplemented or replaced, for example, by similarly acting process steps.
Beispielsweise kann alternativ zu einer Verwendung einer borhaltigen Flüssigkeit als fließfähige Substanz
Außerdem können die tieferliegenden und höherliegenden Teilbereiche
Außerdem wird darauf hingewiesen, dass in den Figuren die vertieften Bereiche
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen”, „aufweisen” etc. das Vorhandensein weiterer zusätzlicher Elemente nicht ausschließen sollen. Der Begriff „ein” schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Elementen bzw. Gegenständen nicht aus. Ferner können zusätzlich zu den in den Ansprüchen genannten Verfahrensschritten weitere Verfahrensschritte nötig oder vorteilhaft sein, um z. B. eine Solarzelle endgültig fertig zu stellen. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise einschränken.Finally, it should be noted that the terms "comprise", "exhibit" etc. are not intended to exclude the presence of additional elements. The term "a" does not exclude the presence of a plurality of elements or objects. Furthermore, in addition to the process steps mentioned in the claims further process steps may be necessary or advantageous to z. B. to finally finish a solar cell. The reference signs in the claims are only for better readability and are not intended to limit the scope of the claims in any way.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- HalbleitersubstratSemiconductor substrate
- 33
- rückseitige Oberflächeback surface
- 44
- vorderseitige Oberflächefront surface
- 55
- tieferliegende Teilbereichedeeper parts
- 77
- höherliegende Teilbereichehigher subareas
- 99
- Inkjet-DruckerInkjet Printers
- 1111
- fließfähige Substanzflowable substance
- 1313
- Druckerstrahl bzw. TropfenPrinter jet or drops
- 1515
- Düsenjet
- 2121
- n++-Schichtn ++ layer
- 2323
- schützende Dielektrikumschichtprotective dielectric layer
- 2525
- frontseitige Dielektrikumschichtfront dielectric layer
- 2727
- p+-Emitterschichtp + emitter layer
- 2929
- Emitterkontaktemitter contact
- 3131
- Basiskontaktbase contact
Claims (16)
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-
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