DE102013113108A1 - Solar cell manufacturing process - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenherstellungsverfahren bei dem eine Metallisierungspaste (2) auf einer Oberfläche (11) eines Substrates (1) aufgebracht und aus der Metallisierungspaste eine Metallisierungsschicht (21) erzeugt wird, indem das Substrat einem Feuerschritt ausgesetzt wird, der eine Aufheizphase (51a, 52a), während dessen das Substrat entlang eines Temperaturverlaufs (51, 52) auf eine Maximaltemperatur aufgeheizt wird, und eine nachfolgende Abkühlphase (51b, 52b) umfasst, während dessen das Substrat entlang des Temperaturverlaufs (51, 52) von der Maximaltemperatur herunter gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturverlauf (51, 52) des Substrates während des Feuerschrittes in der Aufheizphase (51a, 52a) und/oder in der Abkühlphase (51b, 52b) eine maximale Steigung von 100 Kelvin pro Sekunde (K/s), von 70 K/s, von 50 K/s oder von 30 K/s aufweist.The invention relates to a solar cell production method in which a metallization paste (2) is applied to a surface (11) of a substrate (1) and a metallization layer (21) is produced from the metallization paste by subjecting the substrate to a firing step comprising a heating phase (51a, 52a), during which the substrate is heated to a maximum temperature along a temperature profile (51, 52) and a subsequent cooling phase (51b, 52b) during which the substrate is cooled down along the temperature profile (51, 52) from the maximum temperature , characterized in that the temperature profile (51, 52) of the substrate during the firing step in the heating phase (51a, 52a) and / or in the cooling phase (51b, 52b) a maximum slope of 100 Kelvin per second (K / s), of 70 K / s, 50 K / s or 30 K / s.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenherstellungsverfahren. The invention relates to a solar cell production process.

Bei gegenwärtigen Solarzellenstrukturen kann eine Degradation auftreten, die sich durch einen plötzlichen Leistungs- beziehungsweise Effizienzabfall der Solarzelle bemerkbar macht. Diese Degradation findet in der Regel während des Betriebs der Solarzelle statt, wobei Betriebsparameter wie beispielsweise die Beleuchtungsstärke des einfallenden Lichts und die Betriebstemperatur für die Auslösung der Degradation eine wichtige Rolle spielen können. Die Degradation wird also im Betrieb der Solarzelle ausgelöst. In current solar cell structures, a degradation can occur, which is noticeable by a sudden power or efficiency decrease of the solar cell. This degradation usually takes place during operation of the solar cell, with operating parameters such as the illuminance of the incident light and the operating temperature for triggering the degradation can play an important role. The degradation is thus triggered during operation of the solar cell.

Als eine mögliche Ursache für Solarzellen-Degradation wurden unlängst rekombinationsaktive Defekte ermittelt, die sich aufgrund der Lichteinstrahlung im Inneren des Siliziums bilden. Dieser Effekt wird deshalb auch als lichtinduzierte Degradation (LID – light induced degradation) bezeichnet und tritt auf, weil sich insbesondere im kristallinen Siliziumvolumen Bor-Sauerstoff-Komplexe bilden. Dem kann bekannterweise vorgebeugt werden, indem für die Solarzellenherstellung Siliziumwafer mit geringen Anteilen an Bor und Sauerstoff verwendet werden. As a possible cause of solar cell degradation recently recombination-active defects were detected, which form due to the light irradiation inside the silicon. This effect is therefore also referred to as light-induced degradation (LID) and occurs because boron-oxygen complexes form in particular in the crystalline silicon volume. This can be prevented, as is known, by using silicon wafers with small amounts of boron and oxygen for the production of solar cells.

Aber selbst bei Solarzellen aus derart in ihrem Bor- und Sauerstoffgehalt reduzierten Siliziumwafern treten weiterhin Degradationseffekte auf, beziehungsweise traten und treten weiterhin derartige Degradationseffekte bei Solarzellendesigns und in Ausmaßen auf, die sich nicht anhand des genannten Bor-Sauerstoff-Effektes erklären lassen. Dass es neben dem mittlerweile bekannten Bor-Sauerstoff-Degradationseffekt (BO-Degradation oder LID) einen weiteren Degradationseffekt gibt, kann beispielsweise aus der Veröffentlichung „Light Induced Degradation of Rear Passicated mc-Si Solar Cells“, K. Ramspeck et al., in Proc. 27th EUPVSEC 2012 , hergeleitet werden. Darin wird erläutert, dass auch multikristalline Siliziumsolarzellen (mc-Si Solarzellen) mit einem oberflächenpassivierten PERC-Design (PERC – passivated emitter and rear cell) eine lichtinduzierte Degradation erfahren, welche nicht mit dem bisherigen Bohr-Sauerstoff-Modell zu erklären ist. Durch den reduzierten Sauerstoffgehalt ist bei mc-Si Solarzellen der Effekt der BO-Degradation vergleichsweise gering. Es zeigen sich jedoch Degradationseffekte, die quantitativ die der bekannten BO-Degradation deutlich übersteigen können. In der besagten Veröffentlichung werden Degradationen des Wirkungsgrades von relativ 5–6 % bei einer Licht-Einstrahlung von 400 Watt pro Quadratmeter (W/m2) und einer Zelltemperatur von 75°C offenbart. However, even with solar cells of silicon wafers thus reduced in their boron and oxygen content, degradation effects continue to occur or else such degradation effects have occurred and continue to occur in solar cell designs and in dimensions which can not be explained by means of the abovementioned boron-oxygen effect. The fact that there is a further degradation effect in addition to the now known boron-oxygen degradation effect (BO degradation or LID) can be found, for example, in the publication "Light Induced Degradation of Rear Passaged mc-Si Solar Cells", K. Ramspeck et al., In Proc. 27th EUPVSEC 2012 , are derived. It explains that even multicrystalline silicon solar cells (mc-Si solar cells) with a passivated emitter and rear cell (PERC) design undergo light-induced degradation, which can not be explained by the previous Bohr oxygen model. Due to the reduced oxygen content of mc-Si solar cells, the effect of BO degradation is comparatively low. However, there are degradation effects that can significantly exceed the known BO degradation quantitatively. In the said publication degradation of the efficiency of relatively 5-6% at a light irradiation of 400 watts per square meter (W / m 2 ) and a cell temperature of 75 ° C are disclosed.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Solarzellenherstellungsverfahren bereitzustellen, mit der auf zuverlässige Weise Solarzellen herstellbar sind, welche eine geringere oder gar keine Anfälligkeit für eine spätere Degradation aufweisen. It is an object of the invention to provide a solar cell manufacturing method with which solar cells can be produced in a reliable manner, which have less or no susceptibility to subsequent degradation.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Solarzellenherstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt. The object is achieved according to the invention by a solar cell production method having the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are listed in the subclaims.

Um den hier relevanten Degenerationseffekt von dem mit LID bezeichneten Degradationsmechanismus abzugrenzen, wird nachfolgend von einem sogenannten eLID die Rede sein. Diese Bezeichnung soll für einen erweiterten lichtinduzierten Degradationseffekt stehen (eLID – enhanced light induced degradation). Wenngleich eLID auch bei Standardsolarzellen auftreten kann, tritt sie insbesondere auch bei auf multikristallinen Si-Halbleitern basierenden Solarzellen auf, die bekannterweise einen geringeren Sauerstoffgehalt aufweisen und somit eine geringere LID-Anfälligkeit zeigen. Hohe eLID-Anfälligkeit weisen insbesondere neuere Solarzellenkonzepte auf, wie beispielsweise PERC-Solarzellen oder andere Solarzellenkonzepte mit Oberflächenpassivierungen, insbesondere auch solche Solarzellen, bei denen die Kontaktierung durch die Passivierschicht lokal erfolgt. In order to delimit the relevant degeneration effect from the degradation mechanism designated by LID, a so-called eLID will be mentioned below. This term is intended to stand for an extended light-induced degradation effect (eLID - enhanced light induced degradation). Although eLID can also occur in standard solar cells, it also occurs, in particular, in solar cells based on multicrystalline Si semiconductors, which, as is known, have a lower oxygen content and thus show lower LID susceptibility. High eLID susceptibility in particular has newer solar cell concepts, such as PERC solar cells or other solar cell concepts with surface passivations, especially those solar cells in which the contacting takes place locally through the passivation layer.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Anfälligkeit einer Solarzelle für die hier beschriebene Degradation, also ihre eLID-Anfälligkeit, zu einem sehr wesentlichen Grad von Herstellungsparametern bei der Solarzellenherstellung abhängt. Durch die Erfinder wurde also zunächst herausgefunden, dass die Degradation auf einen weiteren Degradationsmechanismus beruht, der von der bekannten Bor-Sauerstoff-Degradation abzugrenzen ist. Darüber hinaus ist es den Erfindern gelungen, ein Verfahren zur wesentlichen Verringerung oder sogar Vermeidung dieser eLID-Anfälligkeit vorzuschlagen. The invention is based on the finding that the susceptibility of a solar cell to the degradation described here, ie its susceptibility to eLID, depends on a very substantial degree of production parameters in solar cell production. The inventors thus discovered that the degradation is based on a further degradation mechanism, which is to be distinguished from the known boron-oxygen degradation. In addition, the inventors have succeeded in proposing a method for substantially reducing or even avoiding this eLID susceptibility.

Ähnlich wie eine LID-Anfälligkeit führt eine eLID-Anfälligkeit dazu, dass die so hergestellte Solarzelle nach einer Bestrahlung oder Bestromung mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Degradation erfährt. Während in den Begriffen LID bzw. eLID der Ausdruck „lichtinduziert“ steckt, kann die Degradation auch aufgrund einer Bestromung erfolgen, also indem an der Solarzelle eine Spannung angelegt und somit ein Strom in Durchlassrichtung induziert wird. Welche Beleuchtungsstärke oder welche Stromdichte notwendig ist, damit eine Degradation erfolgt, hängt hierbei unter anderem von der Betriebstemperatur, der Dauer der Bestrahlung oder Bestromung und von anderen Betriebs- und Herstellungsparametern der Solarzelle ab. Similar to an LID susceptibility, an eLID susceptibility leads to the fact that the solar cell thus produced undergoes a high degree of degradation after irradiation or energization. While the term "light-induced" is used in the terms LID and eLID, the degradation can also be due to an energization, ie by applying a voltage to the solar cell and thus inducing a current in the forward direction. Which illuminance or which current density is necessary in order for a degradation to take place depends, inter alia, on the operating temperature, the duration of the irradiation or energization and on other operating and production parameters of the solar cell.

Ein wesentlicher Erfindungsaspekt liegt in der Erkenntnis, dass der Feuerprozess oder Feuerschritt ein wichtiger Faktor in der eLID-Anfälligkeit einer Solarzelle ist. Um eine Pastenmetallisierung durchzuführen, wird eine Metallisierungspaste auf einer Oberfläche eines Substrates aufgebracht und aus der Metallisierungspaste eine Metallisierungsschicht erzeugt, indem das Substrat einem Feuerschritt ausgesetzt wird. Dieser Feuerschritt ist es, der sehr häufig die spätere Solarzelle anfälliger für eLID macht. Es ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht klar, welcher Effekt für eLID verantwortlich ist. Während der Degradationsmechanismus bei LID auf die Ausbildung eines BO-Komplexes beruht, sind beim eLID möglicherweise mehrere unterschiedliche Mechanismen gleichzeitig am Werk. Vorliegend wurde jedoch erkannt, dass der Feuerschritt nicht vordergründig aufgrund der erreichten Maximaltemperatur, der das Substrat ausgesetzt wird, zu einer eLID-Anfälligkeit führt, sondern eher aufgrund von während des Feuerschritts durchlaufenen Temperaturgradienten. An essential aspect of the invention lies in the knowledge that the fire process or fire step is an important factor in the eLID susceptibility of a solar cell. To perform a paste metallization, a metallization paste is applied to a surface of a substrate and a metallization layer is formed from the metallization paste by exposing the substrate to a firing step. It is this firing step that very often makes the later solar cell more susceptible to eLID. It is not yet clear which effect is responsible for eLID. While the degradation mechanism in LID is based on the formation of a BO complex, the eLID may have several different mechanisms at work simultaneously. In the present case, however, it has been recognized that the firing step does not ostensibly lead to eLID susceptibility due to the achieved maximum temperature to which the substrate is exposed, but rather due to temperature gradients passed during the firing step.

Die eLID selbst zeigt sich in einem Abfall des Wirkungsgrades der Solarzelle um mehrere Prozent, teilweise um mindestens 3%, 5%, 7%, 9% oder mehr. Dieser Wirkungsgradverfall geht üblicherweise mit einer Verminderung der Ladungsträgerlebensdauer um mindestens die Hälfte oder sogar um eine Größenordnung einher. Beispielsweise kann sich die Ladungsträgerlebensdauer von einigen hundert µs auf einige zehn µs verkürzen. Die Messung der Ladungsträgerlebensdauer an einem Substrat erfolgt vor einer Kontaktierung beziehungsweise einer Metallisierung des Substrates. The eLID itself shows itself in a drop in the efficiency of the solar cell by several percent, in part by at least 3%, 5%, 7%, 9% or more. This degradation in efficiency is usually associated with a reduction in carrier lifetime by at least half or even an order of magnitude. For example, the carrier lifetime can be shortened from a few hundred μs to a few tens of μs. The charge carrier lifetime is measured on a substrate before contacting or metallization of the substrate.

Der Feuerschritt, dem das Substrat ausgesetzt wird, weist eine Aufheizphase und eine Abkühlphase auf. Während der Aufheizphase wird das Substrat entlang eines Temperaturverlaufs auf eine Maximaltemperatur aufgeheizt. Während der nachfolgenden Abkühlphase wird das Substrat entlang des Temperaturverlaufs von der Maximaltemperatur herunter gekühlt, vorzugsweise bis auf eine Ausgangstemperatur, an dem die Aufheizphase begann oder auf eine Raum- oder Umgebungstemperatur. Der Temperaturverlauf des Substrates während des Feuerschrittes weist in der Aufheizphase und/oder in der Abkühlphase eine maximale Steigung von 100 Kelvin pro Sekunde (K/s) auf, vorzugsweise von 70 K/s, von 50 K/s, von 40 K/s oder von 30 K/s. Es kann in bestimmten Ausführungsformen von Vorteil sein, wenn die Aufheizphase eine maximale Steigung von 100 K/s, von 70 K/s, von 50 K/s, von 40 K/s oder von 30 K/s aufweist, während die Abkühlphase eine andere maximale Steigung von 100 K/s, von 70 K/s, von 50 K/s, von 40 K/s oder von 30 K/s aufweist. Es ist an dieser Stelle wichtig zu betonen, dass es sich hierbei um den Absolutwert der maximalen Steigung handelt, insbesondere in der Abkühlphase, wo ansonsten die Steigung als negativ angesehen würde. The firing step to which the substrate is exposed has a heating-up phase and a cooling-down phase. During the heating phase, the substrate is heated along a temperature profile to a maximum temperature. During the subsequent cooling phase, the substrate is cooled along the temperature profile from the maximum temperature, preferably to an initial temperature at which the heating phase began or to a room or ambient temperature. The temperature profile of the substrate during the firing step has in the heating phase and / or in the cooling phase a maximum slope of 100 Kelvin per second (K / s), preferably 70 K / s, 50 K / s, 40 K / s or from 30 K / s. It may be advantageous in certain embodiments if the heating phase has a maximum slope of 100 K / s, 70 K / s, 50 K / s, 40 K / s or 30 K / s, while the cooling phase has a other maximum slope of 100 K / s, 70 K / s, 50 K / s, 40 K / s or 30 K / s. It is important to emphasize at this point that this is the absolute value of the maximum slope, especially in the cool down phase, where otherwise the slope would be considered negative.

Dadurch, dass die zeitliche Temperaturänderung am Substrat unterhalb eines bestimmten Wertes bleibt, wird die eLID-Anfälligkeit der im Herstellungsverfahren hergestellten Solarzelle wesentlich verringert oder gänzlich verhindert. Der zeitliche Temperaturverlauf kann hierbei mit einem räumlichen Temperaturverlauf einhergehen, wenn beispielsweise das Substrat in einem Raum mit variierender Temperatur bewegt wird. Insbesondere kann der gesamte Feuerschritt ausgeführt werden, indem das Substrat einen Durchlaufofen durchläuft. The fact that the temporal temperature change at the substrate remains below a certain value, the eLID susceptibility of the solar cell produced in the manufacturing process is substantially reduced or completely prevented. The temporal temperature profile may in this case be accompanied by a spatial temperature profile, for example when the substrate is moved in a room with varying temperature. In particular, the entire firing step can be carried out by the substrate passing through a continuous furnace.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Maximaltemperatur größer ist, als 400°C, 450°C, 500°C, 600°C oder 700°C. Eine höhere Maximaltemperatur während des Feuerschrittes kann zu einer innigeren Verbindung zwischen der Substratoberfläche und der hierbei entstehenden Metallschicht führen. Außerdem erlaubt es die höhere Maximaltemperatur, den Parameterbereich für die Herstellung der Pastenmetallisierung besser zu nutzen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Temperaturverlauf des Substrates während des Feuerschrittes in der Aufheizphase und/oder in der Abkühlphase jeweils ein oder mehrere Plateaus aufweist, an denen der zeitliche Temperaturgradient annähernd null ist. Eine oder mehrerer derartiger Plateaus können aber auch unabhängig von einer gewählten Maximaltemperatur vorgesehen sein. According to a preferred embodiment, it is provided that the maximum temperature is greater than 400 ° C, 450 ° C, 500 ° C, 600 ° C or 700 ° C. A higher maximum temperature during the firing step can lead to a more intimate bond between the substrate surface and the resulting metal layer. In addition, the higher maximum temperature allows better use of the parameter range for making the paste metallization. For example, it can be provided that the temperature profile of the substrate during the firing step in the heating phase and / or in the cooling phase in each case one or more plateaus, where the temporal temperature gradient is approximately zero. However, one or more of such plateaus may also be provided independently of a selected maximum temperature.

Das Aufheizen der Solarzelle kann mittels auf die Substratoberfläche gerichteter Heizenergie erfolgen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine während der Aufheizphase auf das Substrat treffende Heizenergie eine maximale Leistungsdichte von 30 Watt pro Quadratzentimeter (W/cm2), von 25 W/cm2, von 20 W/cm2 oder von 15 W/cm2 nicht überschreitet. Mittels einer derartigen Beschränkung der Heizenergie kann sichergestellt werden, dass die Steigung des Temperaturverlaufs des Substrates einen gewünschten oder vorgegebenen Wert nicht überschreitet. The heating of the solar cell can be done by means of directed to the substrate surface heating energy. In a preferred embodiment it is provided that a heating energy striking the substrate during the heating phase has a maximum power density of 30 watts per square centimeter (W / cm 2 ), 25 W / cm 2 , 20 W / cm 2 or 15 W / cm 2 does not exceed. By means of such a limitation of the heating energy can be ensured that the slope of the temperature profile of the substrate does not exceed a desired or predetermined value.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat während der Aufheizphase einseitig bestrahlt wird, um das Substrat zu erwärmen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Substrat von einer mit Metallisierungspaste bedeckten Seite oder von einer der Metallisierungspaste gegenüberliegenden Seite her bestrahlt wird, um das Substrat zu erwärmen. Alternativ kann das Substrat jedoch auch beidseitig bestrahlt werden, um es während der Aufheizphase zu erwärmen. Um das Substrat ausschließlich oder zusätzlich von einer Unterseite zu bestrahlen, kann es auf einer Transportvorrichtung angeordnet sein, die nur an Randbereichen des Substrates angreift. In an advantageous development it is provided that the substrate is irradiated on one side during the heating phase in order to heat the substrate. In this case, it can be provided that the substrate is irradiated by a side covered with metallization paste or by a side opposite the metallization paste, in order to heat the substrate. Alternatively, however, the substrate can also be irradiated on both sides in order to heat it during the heating phase. In order to irradiate the substrate exclusively or additionally from a lower side, it can be arranged on a transport device which engages only on edge regions of the substrate.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Substrat einseitig oder beidseitig mit einer oberflächenpassivierenden Passivierschicht bedeckt ist. Die Passivierschicht kann insbesondere auf der Substratoberfläche angeordnet sein, auf der die Metallpaste aufgebracht wird, um die Pastenmetallisierung zu erzeugen. In diesem Fall kann vor oder nach dem Feuerschritt zusätzlich eine Laserkontaktierung erfolgen (LFC). Als Passivierschichten kommen insbesondere Schichten aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxynitrid, Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid in Frage. Es können auch mehrere Passivierschichten übereinander vorgesehen sein, beispielsweise eine chemisch passivierende und eine feldeffektpassivierende Passivierschicht. In an expedient embodiment it is provided that the substrate on one side or covered on both sides with a passivation layer passivating. In particular, the passivation layer may be disposed on the substrate surface on which the metal paste is applied to produce the paste metallization. In this case, before or after the firing step, additional laser contacting can take place (LFC). Suitable passivation layers are, in particular, layers of aluminum oxide, aluminum oxynitride, silicon oxide and / or silicon nitride. It is also possible to provide a plurality of passivation layers one above the other, for example a passivation layer that chemically passivates and a field effect passivating one another.

Derartige Passivierschichten eignen sich als Rückseitenpassivierung und/oder als Vorderseitenpassivierung, wobei als Rückseitenpassivierung insbesondere Schichten aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxynitrid und/oder Schichtstapel aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxynitrid, Siliziumoxynitrid und/oder Siliziumnitrid in Frage kommen, während sich als Vorderseitenpassivierung und/oder als Antireflexionsbeschichtung Schichten aus Siliziumoxynitrid oder Siliziumnitrid eignen. Such passivation layers are suitable as backside passivation and / or as front side passivation, in particular layers of alumina, aluminum oxynitride and / or layer stacks of alumina, aluminum oxynitride, silicon oxynitride and / or silicon nitride being suitable as backside passivation, while layers are formed as front side passivation and / or as antireflection coating Silicon oxynitride or silicon nitride are suitable.

Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass beim Feuerschritt ein Rückseitenfeld (Back Surface Field, BSF) unterhalb der Metallisierungsschicht gebildet wird, dies gilt insbesondere bei einer rückseitig erzeugten Metallisierungsschicht. Die Metallpaste kann hierbei einseitig oder beidseitig auf dem Substrat aufgebracht sein. Eine rückseitige Pastenmetallisierung kann die Substratoberfläche vorzugsweise im Wesentlichen vollständig bedecken. Demgegenüber sollte eine vorderseitige Pastenmetallisierung strukturiert gebildet sein, beispielsweise in Form eines Metallgitters. It is preferably provided that during the firing step a back surface field (BSF) is formed below the metallization layer, this applies in particular to a metallization layer produced on the back side. The metal paste may in this case be applied to one or both sides of the substrate. A backside paste metallization may preferably substantially completely cover the substrate surface. In contrast, a front paste metallization should be structured, for example in the form of a metal grid.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Substrat aus einem mono-, poly- oder multikristallinem Halbleiter gebildet ist. Das Substrat kann insbesondere aus Silizium gebildet sein. In a preferred embodiment it is provided that the substrate is formed from a mono-, poly- or multicrystalline semiconductor. The substrate may in particular be formed from silicon.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen: The invention will be explained below with reference to embodiments with reference to the figures. Hereby show:

1a) bis e) schematische Zeichnungen, welche Schritte eines Herstellungsverfahrens einer Solarzelle veranschaulichen; und 1a) to e) schematic drawings illustrating steps of a manufacturing process of a solar cell; and

2 ein Diagramm in dem Temperaturverläufe unterschiedlichen Feuerschritte dargestellt sind. 2 a diagram in the temperature curves of different fire steps are shown.

Die 1a) bis 1e) zeigen unterschiedliche Schritte in einem Solarzellen-Herstellungsprozess. Insbesondere wird mittels dieser schematischen Abbildungen ein Prozess der Pastenmetallisierung veranschaulicht. Zunächst wird, wie in 1a) dargestellt, ein Substrat 1 mit einer Substratoberfläche 11 bereitgestellt. Wie in der 1b) gezeigt, wird diese Substratoberfläche 11 mit einer Metallisierungspaste 2 bedeckt. Das Substrat 1 mit der hier einseitig aufgebrachten Metallisierungspaste 2 durchläuft anschließend einen Durchlaufofen 3, wo der Feuerschritt durchgeführt wird. The 1a) to 1e) show different steps in a solar cell manufacturing process. In particular, a process of paste metallization is illustrated by means of these schematic illustrations. First, as in 1a) shown, a substrate 1 with a substrate surface 11 provided. Like in the 1b) shown, this substrate surface 11 with a metallizing paste 2 covered. The substrate 1 with the metallizing paste applied here on one side 2 then goes through a continuous furnace 3 where the fire step is performed.

Der hier dargestellte Durchlaufofen 3 weist vereinfacht gesehen drei Temperaturbereiche 31, 32, 33 auf. Das Substrat 1 tritt an einem Eingangsbereich 30 in den Durchlaufofen 3 ein, und verlässt ihn durch einen Ausgangsbereich 34, nachdem er alle drei Temperaturbereiche 31, 32, 33 durchlaufen hat. In einem ersten Temperaturbereich 31 wird das Substrat 1 erwärmt. Es durchläuft also eine Aufheizphase eines Temperaturverlaufs. In einem zweiten Temperaturbereich 32 erreicht das Substrat 1 eine Höchst- oder Maximaltemperatur. Schließlich erfährt das Substrat 1 eine Abkühlphase des Temperaturverlaufs, wenn es im Durchlaufofen 3 einen dritten Temperaturbereich 33 durchläuft. The continuous furnace shown here 3 In simplified terms, it has three temperature ranges 31 . 32 . 33 on. The substrate 1 occurs at an entrance area 30 in the continuous furnace 3 and leaves it through an exit area 34 after seeing all three temperature ranges 31 . 32 . 33 has gone through. In a first temperature range 31 becomes the substrate 1 heated. So it goes through a heating phase of a temperature profile. In a second temperature range 32 reaches the substrate 1 a maximum or maximum temperature. Finally, the substrate experiences 1 a cooling phase of the temperature profile when in the continuous furnace 3 a third temperature range 33 passes.

Die 1c) veranschaulicht das Eindringen des Substrates 1 in den Durchlaufofen 3 und das Durchlaufen des ersten Temperaturbereichs 31. Danach befindet sich das Substrat 1 in dem zweiten Temperaturbereich 32, wie in der 1d) dargestellt. Hier erreicht das Substrat die Maximaltemperatur im Temperaturverlauf. Wie in der 1d) gezeigt, bildet sich unterhalb der Metallisierungspaste 2 oder Metallpaste in dem Substrat 1 aufgrund von Diffusion von Material aus der Metallisierungspaste 2 ein Back-Surface-Field 22, das sowohl der Kontaktierung der Solarzelle, als auch einer Passivierung seiner Oberfläche 11 dienen kann. Aus der Metallisierungspaste 2 ist ferner aufgrund des Feuerschrittes eine Metallisierungsschicht 21 hervorgegangen. The 1c) illustrates the penetration of the substrate 1 in the continuous furnace 3 and passing through the first temperature range 31 , After that is the substrate 1 in the second temperature range 32 , like in the 1d) shown. Here, the substrate reaches the maximum temperature in the course of temperature. Like in the 1d) shown forms below the metallizing paste 2 or metal paste in the substrate 1 due to diffusion of material from the metallizing paste 2 a back-surface field 22 , the contacting of the solar cell, as well as a passivation of its surface 11 can serve. From the metallizing paste 2 is also a metallization layer due to the fire step 21 emerged.

Anschließend durchläuft das Substrat 1, wie in der 1e) veranschaulicht, den dritten Temperaturbereich, und kühlt dabei ab, um den Durchlaufofen 3 durch den Ausgangsbereich 34 zu verlassen. Subsequently, the substrate passes through 1 , like in the 1e) illustrates the third temperature range, and cools down to the continuous furnace 3 through the exit area 34 to leave.

Die 2 zeigt ein Diagramm mit vier unterschiedlichen Temperaturverläufen 41, 42, 51, 52. Es handelt sich jeweils um einen Temperaturverlauf eines Feuerschrittes, um aus der Metallisierungspaste 2 auf der Substratoberfläche 11 eine Metallisierungsschicht 21 zu erzeugen. Entlang der x-Achse ist die Zeit in Sekunden (s) aufgetragen, und entlang der y-Achse die Temperatur in °C. Bei dem ersten Temperaturverlauf 41 und dem zweiten Temperaturverlauf 42 handelt es sich um Temperaturverläufe in einem Feuerungsprozess gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen mit relativ hohen Temperaturgradienten. Die maximale Steigung in den Aufheizphasen der beiden Temperaturverläufe 41, 42 liegt bei etwa 60 K/s. Die Maximaltemperatur des ersten Temperaturverlaufs 41 liegt bei 550°C, während die Maximaltemperatur des zweiten Temperaturverlaufs 42 bei etwa 600°C liegt. Das maximale Gefälle der Abkühlphase des ersten Temperaturverlaufs 41 liegt bei etwa –26 K/s, während das maximale Gefälle der Abkühlphase des zweiten Temperaturverlaufs 42 bei etwa –33 K/s liegt. Das Substrat 1 kühlt also bei dem zweiten Temperaturverlauf 42 etwa schneller ab, als beim ersten Temperaturverlauf 41, beziehungsweise es erfährt einen größeren Temperaturgradienten in der Abkühlphase. The 2 shows a diagram with four different temperature curves 41 . 42 . 51 . 52 , These are each a temperature profile of a fire step to the metallization paste 2 on the substrate surface 11 a metallization layer 21 to create. The time in seconds (s) is plotted along the x-axis and the temperature in ° C along the y-axis. At the first temperature course 41 and the second temperature profile 42 These are temperature profiles in a firing process according to different embodiments with relatively high temperature gradients. The maximum slope in the heating phases of the two temperature curves 41 . 42 is about 60 K / s. The maximum temperature of the first temperature curve 41 is at 550 ° C, while the maximum temperature of the second temperature curve 42 at about 600 ° C. The maximum gradient of the cooling phase of the first temperature profile 41 is about -26 K / s, while the maximum slope of the cooling phase of the second temperature profile 42 at about -33 K / s. The substrate 1 So cool at the second temperature profile 42 about faster than the first temperature 41 , or it experiences a larger temperature gradient in the cooling phase.

Die beiden Temperaturverläufe 41, 42 erfüllen die Anforderung, dass sie in der Aufheizphase und in der Abkühlphase eine maximale Steigung von 100 K/s aufweisen. Die dabei hergestellten Solarzellen weisen eine leicht verminderte eLID-Anfälligkeit auf. Um jedoch sicherzustellen, dass die gefertigten Solarzellen kein eLID erfahren, sollte maximale Steigung einen noch geringeren Wert haben. Das bedeutet, das Substrat sollte im Feuerschritt noch langsamer Aufgeheizt und/oder Abgekühlt werden. The two temperature gradients 41 . 42 meet the requirement that they have a maximum slope of 100 K / s during the heating phase and in the cooling phase. The solar cells produced in this case have a slightly reduced eLID susceptibility. However, to ensure that the manufactured solar cells do not experience eLID, maximum slope should be even lower. This means that the substrate should be heated even slower in the firing step and / or cooled.

Hinsichtlich einer eLID-Anfälligkeit wesentlich vorteilhafter sind die beiden anderen in der 2 dargestellten Temperaturverläufe 51, 52. Es handelt sich um einen eLID-verhindernden Temperaturverlauf 51 und einen weiteren eLID-verhindernden Temperaturverlauf 52. Der erste eLID-verhindernde Temperaturverlauf 51 weist eine Aufheizphase 51a mit einem maximalen Gradienten oder einer maximalen Steigung von 25 K/s und eine Abkühlphase 51b mit einer maximalen Steigung von –30 K/s auf. Der eLID-verhindernde Temperaturverlauf 51 erreicht eine Maximaltemperatur von 600°C. Messungen der Ladungsträgerlebensdauer an unkontaktierten Substraten, welche diesen Temperaturverlauf durchlaufen haben, ergaben auch bei längerer Bestrahlung bei erhöhter Temperatur kein Anzeichen von eLID. Die so hergestellten Solarzellen sind also nicht eLID-Anfällig. With regard to an eLID susceptibility, the two others are much more advantageous in the 2 illustrated temperature profiles 51 . 52 , It is an eLID-preventing temperature profile 51 and another eLID-preventing temperature profile 52 , The first eLID-preventing temperature profile 51 indicates a heating phase 51a with a maximum gradient or a maximum slope of 25 K / s and a cooling phase 51b with a maximum slope of -30 K / s. The eLID-preventing temperature profile 51 reaches a maximum temperature of 600 ° C. Charge carrier lifetime measurements on uncontacted substrates that have undergone this temperature profile have shown no sign of eLID even with prolonged irradiation at elevated temperature. The solar cells produced in this way are therefore not susceptible to eLID.

Eine noch geringere maximale Steigung zumindest in der Aufheizphase zeigt der in 2 dargestellte weitere eLID-verhindernde Temperaturverlauf 52. Dieser weist eine weitere Aufheizphase 52a mit einer maximalen Steigung von 16 K/s und eine weitere Abkühlphase 52b mit einer maximalen Steigung von –39 K/s auf. Beim Durchlaufen dieser weiteren eLID-verhindernden Temperaturverlauf 52, erreicht das Substrat 1 eine Maximaltemperatur von 700°C. Zwar liegt die maximale Steigung der weiteren Aufheizphase 52a deutlich unterhalb der maximalen Steigung der Aufheizphase 51a. Aber da die maximale Steigung der weiteren Abkühlphase 52b deutlich oberhalb von 30 K/s liegt, ist die eLID-Anfälligkeit der so erzeugten Solarzelle zwar gering, jedoch noch etwas höher als bei der Solarzelle, die im Feuerschritt den eLID-verhindernden Temperaturverlauf 51 durchlaufen hat. Dies ist auch anhand von Messungen der Ladungsträgerlebensdauer an unkontaktierten Substraten nach einer entsprechenden Bestrahlung festzustellen.An even lower maximum slope at least in the heating phase shows in 2 illustrated further eLID-preventing temperature profile 52 , This indicates a further heating phase 52a with a maximum slope of 16 K / s and a further cooling phase 52b with a maximum slope of -39 K / s. By going through this further eLID-preventing temperature history 52 , reaches the substrate 1 a maximum temperature of 700 ° C. Although the maximum slope of the further heating phase 52a well below the maximum slope of the heating phase 51a , But because the maximum slope of the further cooling phase 52b is significantly above 30 K / s, the eLID susceptibility of the solar cell thus produced is low, but still slightly higher than the solar cell, the fire in the eLID-preventing temperature profile 51 has gone through. This can also be determined by measurements of the carrier lifetime on uncontacted substrates after a corresponding irradiation.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Substrat substratum
11 11
Oberfläche des Substrates Surface of the substrate
2 2
Metallisierungspaste metallizing
21 21
Metallisierungsschicht metallization
22 22
Back-Surface-Field Back-surface field
3 3
Durchlaufofen Continuous furnace
30 30
Eingangsbereich entrance area
31 31
erster Temperaturbereich first temperature range
32 32
zweiter Temperaturbereich second temperature range
33 33
dritter Temperaturbereich third temperature range
34 34
Ausgangsbereich output range
41 41
erster Temperaturverlauf first temperature profile
42 42
zweiter Temperaturverlauf second temperature profile
51 51
eLID-verhindernder Temperaturverlauf eLID-preventing temperature profile
51a 51a
Aufheizphase heating phase
51b 51b
Abkühlphase cooling phase
52 52
weiterer eLID-verhindernder Temperaturverlauf further eLID-preventing temperature profile
52a 52a
weitere Aufheizphase further heating phase
52b 52b
weitere Abkühlphase further cooling phase

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „Light Induced Degradation of Rear Passicated mc-Si Solar Cells“, K. Ramspeck et al., in Proc. 27th EUPVSEC 2012 [0004] "Light Induced Degradation of Rear Passaged mc-Si Solar Cells", K. Ramspeck et al., In Proc. 27th EUPVSEC 2012 [0004]

Claims (12)

Solarzellenherstellungsverfahren bei dem eine Metallisierungspaste (2) auf einer Oberfläche (11) eines Substrates (1) aufgebracht und aus der Metallisierungspaste eine Metallisierungsschicht (21) erzeugt wird, indem das Substrat einem Feuerschritt ausgesetzt wird, der eine Aufheizphase (51a, 52a), während dessen das Substrat entlang eines Temperaturverlaufs (51, 52) auf eine Maximaltemperatur aufgeheizt wird, und eine nachfolgende Abkühlphase (51b, 52b) umfasst, während dessen das Substrat entlang des Temperaturverlaufs (51, 52) von der Maximaltemperatur herunter gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturverlauf (51, 52) des Substrates während des Feuerschrittes in der Aufheizphase (51a, 52a) und/oder in der Abkühlphase (51b, 52b) eine maximale Steigung von 100 Kelvin pro Sekunde (K/s), von 70 K/s, von 50 K/s oder von 30 K/s aufweist. Solar cell production process in which a metallization paste ( 2 ) on a surface ( 11 ) of a substrate ( 1 ) and from the metallizing paste a metallization layer ( 21 ) is produced by exposing the substrate to a firing step which involves a heating phase ( 51a . 52a ), during which the substrate along a temperature profile ( 51 . 52 ) is heated to a maximum temperature, and a subsequent cooling phase ( 51b . 52b during which the substrate along the temperature profile ( 51 . 52 ) is cooled down from the maximum temperature, characterized in that the temperature profile ( 51 . 52 ) of the substrate during the firing step in the heating phase ( 51a . 52a ) and / or in the cooling phase ( 51b . 52b ) has a maximum slope of 100 Kelvin per second (K / s), 70 K / s, 50 K / s or 30 K / s. Solarzellenherstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximaltemperatur größer ist, als 400°C, 450°C, 500°C, 600°C oder 700°C. A solar cell manufacturing method according to claim 1, characterized in that the maximum temperature is greater than 400 ° C, 450 ° C, 500 ° C, 600 ° C or 700 ° C. Solarzellenherstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine während der Aufheizphase (51a, 52a) auf das Substrat (1) treffende Heizenergie eine maximale Leistungsdichte von 30 Watt pro Quadratzentimeter (W/cm2), von 25 W/cm2, von 20 W/cm2 oder von 15 W/cm2 nicht überschreitet. Solar cell production method according to claim 1 or 2, characterized in that during the heating phase ( 51a . 52a ) on the substrate ( 1 ) does not exceed a maximum power density of 30 watts per square centimeter (W / cm 2 ), of 25 W / cm 2 , of 20 W / cm 2 or of 15 W / cm 2 . Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuerschritt ausgeführt wird, indem das Substrat einen Durchlaufofen (3) durchläuft. Solar cell production method according to one of the preceding claims, characterized in that the firing step is carried out by the substrate having a continuous furnace ( 3 ) goes through. Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) während der Aufheizphase einseitig bestrahlt wird, um das Substrat (1) zu erwärmen. Solar cell production method according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 1 ) is irradiated unilaterally during the heating phase to the substrate ( 1 ) to heat. Solarzellenherstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) während der Aufheizphase einseitig von einer mit Metallisierungspaste bedeckten Seite oder von einer der Metallisierungspaste gegenüberliegenden Seite her bestrahlt wird, um das Substrat (1) zu erwärmen. Solar cell production method according to claim 5, characterized in that the substrate ( 1 ) is irradiated on one side by a metallized paste-covered side or by a side opposite the metallization paste during the heating phase, in order to heat the substrate ( 1 ) to heat. Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) einseitig oder beidseitig mit einer oberflächenpassivierenden Passivierschicht bedeckt wird. Solar cell production method according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 1 ) is covered on one or both sides with a surface-passivating passivation layer. Solarzellenherstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückseitenpassivierung aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxynitrid und/oder als Schichtstapel aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxynitrid, Siliziumoxynitrid und/oder Siliziumnitrid erzeugt wird. Solar cell production method according to claim 7, characterized in that a backside passivation of alumina, aluminum oxynitride and / or as a layer stack of alumina, aluminum oxynitride, silicon oxynitride and / or silicon nitride is produced. Solarzellenherstellungsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorderseitenpassivierung aus Siliziumoxynitrid oder Siliziumnitrid erzeugt wird. Solar cell manufacturing method according to claim 7 or 8, characterized in that a front side passivation of silicon oxynitride or silicon nitride is produced. Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antireflexionsbeschichtung aus Siliziumoxynitrid oder Siliziumnitrid erzeugt wird. Solar cell manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that an antireflection coating of silicon oxynitride or silicon nitride is produced. Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungspaste rückseitig aufgebracht wird und daraus eine rückseitige Metallisierungsschicht (21) erzeugt wird dass beim Feuerschritt ein Rückseitenfeld (Back Surface Field, BSF) unterhalb der rückseitigen Metallisierungsschicht (21) gebildet wird. Solar cell production method according to one of the preceding claims, characterized in that the metallization paste is applied on the back side and from this a backside metallization layer ( 21 ) is generated during the firing step, a back surface field (BSF) below the backside metallization layer ( 21 ) is formed. Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) aus einem mono- oder multikristallinem Halbleiter gebildet ist. Solar cell production method according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 1 ) is formed of a mono- or multicrystalline semiconductor.
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