DE102021000956A1 - Verfahren zur Metallisierung eines Bauelements sowie auf diese Weise hergestellte Bauelemente - Google Patents

Verfahren zur Metallisierung eines Bauelements sowie auf diese Weise hergestellte Bauelemente Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Metallisierung von Bauelementen oder Halbleiterbauelementen, insbesondere von SHJ-Solarzellen, welches folgende Verfahrensschritte umfasst:a) Bereitstellen einer Substratschicht eines Bauelements oder Halbeiterbauelements, insbesondere einer SHJ-Solarzelle, mit einer Vorder- und einer Rückseite, umfassend wenigstens eine kristalline Siliziumschicht als Halbleitermaterial, deren Vorder- und/oder Rückseite mit einer TCO-Schicht aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Material beschichtet ist.b) Selektives, lokales Ausbilden einer metallischen Saatschicht durch ein elektrochemisches Reduktionsverfahren, wobei die elektrochemische Reduktion in-situ, selektiv und lokal in den Bereichen der TCO-Schicht ausgeführt wird, die lokal mit einer Energiequelle bestrahlt werden, wodurch das Metall der TCO-Schicht reduziert wird und sich lokal die metallische Saatschicht ausbildet.c) Stromloses Aufbringen eines metallischen Materials für die elektrischen Kontakte auf der zuvor gemäß Schritt b) lokal ausgebildeten Saatschicht.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauelement/ Halbleiterbauelement; insbesondere eine SHJ-Solarzelle, umfassend wenigstens eine Silizium-Halbleitersubstratschicht, eine intrinsische amorphe Siliziumschicht, die auf der oberen und unteren Silizium-Halbleitersubstratschicht aufgebracht ist, eine amorphe p-dotierte Siliziumschicht auf der einen Seite der Oberfläche der intrinsischen amorphen Siliziumschicht und eine amorphe n-dotierte Siliziumschicht auf der anderen Seite der Oberfläche der intrinsischen amorphen Siliziumschicht, eine TCO-Schicht auf der Oberfläche der p-dotierten Schicht und der n-dotierten Schicht und Metallelektroden auf der Oberfläche der TCO-Schicht, wobei die Metallelektroden eine elektrisch leitfähige Saatschicht umfassen, die durch elektrochemische Reduktion auf der TCO-Schicht ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Metallisierung eines Bauelements oder zur Deposition einer oder mehrerer elektrischer Kontakte auf einem Bauelement, insbesondere für Silizium-Heterostruktur-Solarzellen (SHJ-Solarzellen), und auf diese Weise hergestellte Bauelemente, insbesondere SHJ-Solarzellen.
  • Stand der Technik
  • Viele Bauelemente benötigen elektrische Kontakte, insbesondere elektrische Leiterbahnen. Die elektrischen Kontakte dienen beispielsweise dazu, Strom vom Bauelement abzuführen oder Spannungen vom Bauelement abzugreifen oder eine elektrische Verbindung zwischen elektrischen Bauelementen herzustellen. Handelt es sich bei dem Bauelement beispielsweise um eine Solarzelle, so kann der über den photovoltaischen Effekt in diesem Halbleiterbauelement erzeugte Photostrom über die elektrischen Kontakte abgeführt werden.
  • Unter der Metallisierung von Bauelementen, Halbleiterbauelementen und insbesondere Solarzellen, beispielsweise von Silizium-Heterostruktur-Solarzellen (im Folgenden synonym als SHJ-Solarzellen bezeichnet), versteht man die Deposition von stromabführenden, elektrisch leitenden Kontakten auf Vorder- und/oder Rückseite dieser Bauelemente, Halbleiterbauelemente und insbesondere von Solarzellen. Die Metallisierung sollte daher einen guten ohmschen Kontakt zum Halbleiter aufbauen können, damit ein ungestörter Austritt der Ladungsträger aus dem Halbleiter in die stromabführenden Kontakte gewährleistet ist. Zur Vermeidung von Leistungsverlusten sollte die Metallisierung außerdem eine ausreichende Stromleitfähigkeit aufweisen, das heißt entweder eine hohe spezifische Leitfähigkeit und/oder einen ausreichend hohen Leiterbahnquerschnitt besitzen.
  • Für die Metallisierung von Solarzellen existiert eine Vielzahl von Verfahren, die diese Anforderungen grundsätzlich erfüllen.
  • Für eine Kupfer-Metallisierung von SHJ-Solarzellen wird nach derzeitigem Stand der Technik beispielsweise zunächst eine vollflächige Saatschicht auf die transparente leitfähige Oxidschicht, im Folgenden synonym auch als TCO-Schicht bezeichnet, der SHJ-Solarzelle deponiert. Anschließend erfolgen üblicherweise eine Deposition eines Abdecklacks und eine nachfolgende Strukturierung dieses Abdecklacks, an den Positionen, an denen die anschließende Deposition des Materials der stromabführenden elektrisch leitenden Kontakte auf der Saatschicht erfolgen soll. Zum Schluss wird die Saatschicht, die nicht von dem Material der elektrischen Kontakte bedeckt ist, durch Rückätzen entfernt, um das Elektrodenmaterial wieder komplett freizulegen [1]. Der Metallisierungsprozess für die SHJ-Zelle ist damit aufwendiger, als die Herstellung des Substrats selbst, was zu hohen Kosten führt.
  • Einerseits werden normalerweise Strukturierungsprozesse wie Tintenstrahldruck, Siebdruck, fotolithografische Prozesse oder Laserabtragung dielektrischer Schichten für eine selektive galvanische Beschichtung verwendet, da die Leitfähigkeit des TCOs (transparente leitfähige Oxidschicht) hoch ist. Der Nachteil ist, dass diese Prozesse entweder teuer oder aufwendig sind und damit den Entwicklungstendenzen zu einer hocheffizienten und kostengünstigen Photovoltaikindustrie entgegenstehen. Andererseits ist die Adhäsion an der Schnittstelle zwischen der TCO-Schicht und dem direkt darauf aufgebrachten Metallkontakt schlecht. Daher wird normalerweise eine Saatschicht für die Abscheidung des Elektrodenmaterials, insbesondere eine Kupferabscheidung, auf der TCO-Schicht benötigt. Die Saatschicht kann gemäß Stand der Technik beispielsweise mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, Kathodenzerstäubung, Elektronenstrahlverdampfung oder thermischer Verdampfung aufgetragen werden. Für den Abscheidungsprozess sind also eine vollflächige Saatschichtdeposition und ein anschließender Rückätzschritt nötig.
  • Andere bekannte Verfahren [2] sehen für das Aufbringen einer Saatschicht, eine im Siebdruckverfahren aufgetragene Silberpaste vor. Diese wird mit einer Schicht aus SiOx/SiNx kombiniert, die als Antireflexionsschicht, wie auch als Maske dient. Hier ist jedoch nachteilig immer noch die teure Silberpaste nötig. Die teure Silberpaste wird benötigt, um das Aspektverhältnis zu verbessern, indem das laterale Wachstum des beschichteten Metalls unterdrückt wird.
  • Aus der Veröffentlichung [3] ist ein Verfahren zur Metallisierung einer SHJ-Solarzelle bekannt, bei dem eine Saatschicht aus Indium elektrochemisch auf die Oberfläche einer IWO Schicht (= Wolfram dotierte Indiumoxidschicht) aufgebracht wird und anschließend zur Metallisierung eine Kupferschicht aufgebracht wird. Für dieses Verfahren ist aber immer noch eine Strukturierung der IWO Schicht notwendig. Weiterhin ist es erforderlich, dass Bereiche, die nicht der elektrochemischen Reaktion ausgesetzt werden dürfen, abgedeckt werden müssen. Mit diesem Verfahren kann daher nachteilig keine direkte, gezielte lokale Steuerung der elektrochemischen Reaktion erfolgen.
  • Im Gegensatz zu den zuvor genannten Verfahren, wird bei einer anderen, gemäß Stand der Technik bekannten, laserunterstützten Methode eine Al2O3/a-Si-Schicht als Maske verwendet, die das SHJ-Substrat optisch und thermisch vor Laserschäden schützt. Eine NiV-Schicht wird mithilfe eines Lasers übertragen und durch die dielektrische Schicht durchgefeuert, sodass der Kontakt entsteht und die NiV-Schicht als Saatschicht dient [4]. Aufgrund der Deposition der Al2O3/a-Si-Schicht im Vakuum und der laserunterstützten Deposition der Saatschicht handelt es sich dennoch um einen technisch aufwendigen Prozess.
  • Wie zuvor beschrieben, umfassen die bisher bekannten (Kupfer-) Metallisierungsprozesse eine Deposition einer vollflächigen Saatschicht, eine Deposition und Strukturierung eines Abdecklacks sowie ein Rückätzen der Saatschicht. Das zuvor beschriebene Verfahren, bei dem die Saatschicht mittels eines Lasers aufgebracht und durch die dielektrische Schicht durchgefeuert wird, ist ebenfalls technisch aufwendig.
  • Die verschiedenen Metallisierungsverfahren für Solarzellen, insbesondere für SHJ-Zellen, die derzeit angewandt werden, sind also immer mit technisch aufwendigen Verfahren und hohen Kosten verbunden. Dies steht den Entwicklungstendenzen zu einer hocheffizienten und kostengünstigen Photovoltaikindustrie entgegen.
  • Aufgabe und Lösung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher ein alternatives Verfahren zur Metallisierung für hocheffiziente und kostengünstige Bauelemente, Halbleiterbauelemente, insbesondere SHJ-Solarzellen oder andere Solarzellen, enthaltend transparente, elektrisch leitende Oxidfilme, bereitzustellen, welches die Nachteile der Verfahren nach dem Stand der Technik überwindet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schichtanordnung für Bauelemente, Halbleiterbauelemente, insbesondere SHJ-Solarzellen oder andere Solarzellen, mit der erfindungsgemäß für die Metallisierung aufgebrachten Saatschicht, den erfindungsgemäß aufgebrachten, stromabführenden, elektrisch leitenden Kontakten, sowie Bauelemente, Halbleiterbauelemente, insbesondere Solarzellen, insbesondere SHJ-Solarzellen, mit der erfindungsgemäß für die Metallisierung aufgebrachten Saatschicht und den erfindungsgemäß aufgebrachten, stromabführenden, elektrisch leitenden Kontakten als solche bereit zu stellen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Hauptanspruch 1 sowie durch die Schichtanordnung und das Bauelement, insbesondere die Solarzelle, gemäß der nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Metallisierung von Bauelementen oder Halbeiterbauelementen, insbesondere von SHJ-Solarzellen oder anderer Solarzellen, enthaltend transparente elektrisch leitende Oxidfilme, im Folgenden TCO-Schicht oder TCO-Außenschicht genannt, umfasst die gezielte, lokal gesteuerte Deposition einer Saatschicht auf eine TCO-Schicht und eine anschließende lokale, selektive, stromlose Abscheidung der stromabführenden, elektrisch leitenden Kontakte auf dieser Saatschicht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Metallisierung von Bauelementen oder Halbleiterbauelementen, insbesondere von SHJ-Solarzellen, umfasst dabei folgende Verfahrensschritte:
    1. a) Bereitstellen einer Substratschicht eines Bauelements oder Halbeiterbauelements, insbesondere einer SHJ-Solarzelle, mit einer Vorder- und einer Rückseite, umfassend wenigstens eine kristalline Siliziumschicht als Halbleitermaterial, deren Vorder- und/oder Rückseite mit einer TCO-Schicht aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Material beschichtet ist.
    2. b) Selektives, lokales Ausbilden einer metallischen Saatschicht durch ein elektrochemisches Reduktionsverfahren, wobei die elektrochemische Reduktion in-situ, selektiv und lokal in den Bereichen der TCO-Schicht ausgeführt wird, die lokal mit einer Energiequelle bestrahlt werden, wodurch das Metall der TCO-Schicht reduziert wird und sich lokal die metallische Saatschicht ausbildet.
    3. c) Stromloses Aufbringen eines metallischen Materials für die elektrischen Kontakte auf der zuvor gemäß Schritt b) lokal ausgebildeten Saatschicht.
  • Es ist bekannt, dass eine direkte, stromlose Abscheidung von Metallen auf TCO-Schichten von SHJ-Solarzellen oder elektrischen Bauelementen, gehemmt sein kann. Um die gewünschte Abscheidung von Metallen zu ermöglichen, kann daher erfindungsgemäß beispielsweise zunächst lokal eine Saatschicht, beispielsweise aus elementarem Indium, auf die TCO-Schicht aufgebracht werden, die dann eine anschließende stromlose Abscheidung der gewünschten Metalle ermöglicht. Auf dieser Saatschicht, die beispielsweise aus elementarem Indium bestehen kann, können dann beispielsweise stromlos, lokal und selektiv Nickel, Kupfer und/oder Silber oder andere geeignete Materialien als elektrisch leitende Kontakte abgeschieden werden.
  • Das erfindungsgemäße Aufbringen und Ausbilden der Saatschicht auf der Oberfläche der TCO-Schicht kann auf der Vorder- und/oder Rückseite des Bauelements, Halbleiterbauelements, insbesondere der Solarzellen, erfolgen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt ein elektrochemisches Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Saatschicht auf definierten, lokalen Bereichen einer transparenten elektrisch leitfähigen Schicht eines Bauelements, ohne, dass zuvor beispielsweise eine Maskierung mit einem Lack und eine Strukturierung der Schicht für die aufzubringenden, elektrisch leitenden Kontakte erfolgen muss, um lokal an den gewünschten Positionen die elektrisch leitfähige Saatschicht aufzubringen. Die elektrischen Kontakte können danach beispielsweise in Form von Leiterbahnen auf die so erzeugte Saatschicht aufgebracht werden.
  • Das Bauelement kann beispielsweise ein elektrisches, optoelektronisches Bauelement oder Halbleiterbauelement, insbesondere eine Solarzelle oder SHJ-Solarzelle, eine Diode, eine Leuchtdiode oder ein Bildschirm, insbesondere ein Flachbildschirm oder eine Vorstufe einer Leiterplatte, umfassend wenigstens eine kristalline Substratschicht mit einer TCO-Schicht, sein. Bei einer Solarzelle, deren Vorderseite beleuchtet wird, können die erfindungsgemäße Saatschicht sowie die erfindungsgemäß stromlos auf die erfindungsgemäß aufgebrachte Saatschicht aufgebrachten elektrischen Kontakte beispielsweise auf der Vorder- oder auf der Rückseite oder auch auf beiden Seiten aufgebracht werden.
  • Bevorzugt ist die Solarzelle eine Silizium-Solarzelle. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist die Solarzelle eine Heterostruktur-Solarzelle, insbesondere Silizium-Heterostruktur-Solarzelle (SHJ-Solarzelle) oder eine Vorstufe davon.
  • In der Ausführung des Verfahrens bei dem das Bauelement eine SHJ-Solarzelle ist, sollte diese vorzugsweise wenigstens eine kristalline Si-Substratschicht, eine amorphe intrinsische Si:H-Schicht, die auf der oberen und unteren Oberfläche der kristallinen Si-Substratschicht ausgebildet ist, eine n-dotierte amorphe Si:H-Schicht, die auf der einen Seite der amorphen intrinsischen Si:H-Schicht ausgebildet ist und eine p-dotierte amorphe Si:H-Schicht, die auf der anderen Seite der amorphen intrinsischen Si:H-Schicht ausgebildet ist, sowie eine transparente, leitfähige TCO-Schicht, die auf der Oberfläche der amorphen Siliziumschicht vom n-Typ und der amorphen Siliziumschicht vom p-Typ ausgebildet ist, umfassen.
  • Die TCO-Schicht kann beispielsweise aus Indiumoxid, Indiumzinnoxid, In2O3 basierten TCO Materialien, wie beispielsweise IWO (Wolfram dotiertes Indiumoxid), ITO (Titan dotiertes Indiumoxid) sowie ICO (Cerium-dotiertes Indiumoxid) bestehen.
  • Das Material der TCO-Schicht weist eine gute Leitfähigkeit auf. Hierfür können beispielsweise auch, aber nicht ausschließlich, ZnO:Al, ZnO:Ag, ZnO:B, ZnO:Ga, SnO2:F, oder TiO2 sowie Legierungen wie z. B. ZnMgO eingesetzt werden. Ferner können Metalle eingesetzt werden.
  • Die erfindungsgemäße in-situ, selektive, lokale elektrochemische Reduktion der Verbindungen der TCO-Schicht wird vorzugsweise durch lokale Bestrahlung mit einer Energiequelle, die das Ausbilden von Elektronenlochpaaren in dieser Schicht auslöst, wie beispielsweise Bestrahlung mit einem Laser, durchgeführt.
  • In einer alternativen Ausführung des Verfahrens kann/können durch bekannte Fotolithographieverfahren der Bereich/die Bereiche auf der TCO-Schicht, der/die lokal mit der Energiequelle bestrahlt werden soll/sollen, definiert werden. So kann beispielsweise durch Fotolithographie ein Fotolack in Form einer strukturierten Maske auf die Schicht aufgebracht werden und nur in den Bereichen, in denen kein Fotolack aufgebracht wurde, kann die Bestrahlung mit der Energiequelle die elektrochemische Reduktion auslösen und dort lokal anschließend die Saatschichtbildung erfolgen. Der Fotolack kann dann in einem anschließenden Verfahrensschritt durch die dem Fachmann bekannten Verfahren wieder entfernt werden.
  • An den Stellen, an denen, ausgelöst durch die erfindungsgemäße lokale Bestrahlung mit der Energiequelle, die elektrochemische Reduktion der Verbindungen der elektrisch leitfähigen Außenschicht stattfindet, kommt es zur erfindungsgemäßen lokalen, selektiven Ausbildung und Deposition der Saatschicht.
  • Zur lokalen, selektiven Saatschichtdeposition mittels elektrochemischer Reduktion oder mittels des elektrochemischen Reduktionsverfahrens wird erfindungsgemäß vorzugsweise eine Seite des Bauelements/ des SHJ-Substrats in eine elektrisch leitende Lösung, beispielsweise eine schwache Säure oder schwache Lauge, getaucht. Diese Seite des eingetauchten Bauelements/SHJ-Substrats fungiert dann als Kathode. An die gegenüberliegende Seite des Bauelements/ SHJ-Substrats wird, über Elektroden, eine Anode angeschlossen. Diese Anode kann aus einem metallhaltigen Material bestehen, wie zum Beispiel Platin. Die in die elektrisch leitende Lösung eingetauchte Seite des Bauelements / des SHJ-Substrats wird lokal, in dem gewünschten Bereich, durch die elektrisch leitende Lösung hindurch, mit einer Energiequelle, beispielsweise einem Laser, bestrahlt. Aufgrund des damit verbundenen photovoltaischen Effekts werden im Bauelement bzw. in dem SHJ-Substrat, Elektronen-Loch-Paare erzeugt. Durch den Einfluss des elektrischen Feldes, welches an das Bauelement angelegt ist, bewegen sich diese Löcher zur p-dotierten Seite und die Elektronen zur n-dotierten Seite. Aus diesem Grund sammeln sich die Elektronen dort, wo der Laser auftrifft. In einer vorteilhaften Anordnung handelt es sich bei der p-dotierten Schicht um die Rückseite und bei der n-dotierten Schicht um die Vorderseite der rückseitigkontaktierten Solarzelle.
  • An der Stelle, wo der Laserstrahl auftrifft, läuft eine Redoxreaktion ab und metallische Ionen aus der elektrisch leitfähigen Außenschicht (TCO-Schicht), beispielsweise Indiumionen, wenn eine Indiumoxidschicht vorliegt, werden reduziert und bilden eine Saatschicht aus dem elementarem Metall der Außenschicht, wie beispielsweise eine Schicht aus elementarem Indium. So wird selektiv, lokal und gezielt nur in dem Bereich, wo der Laser auf die leitfähige TCO-Außenschicht trifft, eine elektrochemische Reaktion ausgelöst und dadurch eine Saatschichtdeposition lokal gesteuert erreicht.
  • Eine mögliche elektrochemische Reduktionsreaktion ist in 3 dargestellt. In dieser Ausführung werden Indiumoxid-Verbindungen aus der Indiumoxidbasierten (In2O3) TCO-Schicht mit ausreichend Energie, die, wie schon zuvor beschrieben, durch Bestrahlen mit der Energiequelle (z.B. Laser) zugeführt wird, aufgebrochen. Die In3+-Ionen nehmen die Elektronen auf, die durch den photovoltaischen Effekt erzeugt werden, und werden somit aus der Indiumoxid-Schicht zu Indium reduziert. Sobald die Oberfläche mit einer Schicht aus elementarem Indium bedeckt ist, kann die Energiequelle/der Laser die In2O3-basierte Schicht nicht mehr erreichen und die Redoxreaktion stoppt automatisch. Die Saatschicht kann bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 80 nm liegen.
  • Folgende beispielhafte elektrochemische Reaktion läuft in der elektrisch leitenden Lösung, beispielsweise in einer Natriumcitratlösung (beispielsweise 0,04 mol/L), an der Kathode ab: In2O3 + 3H2O + 6e- = 2 In + 6 OH- 2 H2O+2e-= H2 ↑ + 2 OH-
  • Bevorzugte Parameter für die elektrochemische Reduktion:
    1. a) Wellenlänge der Energiequelle/ des Lasers: 350 nm - 850 nm.
    2. b) Bestrahlungsbreite der Energiequelle/ des Lasers: 5 µm - 2 000 µm.
    3. c) Anodenmaterial: Platin.
  • Bei der elektrisch leitenden Lösung kann es sich beispielsweise um eine schwache Säure oder eine schwache Lauge handeln, wie beispielsweise eine Natriumcitratlösung (0,04 mol/l). Ebenfalls geeignet sind beispielsweise auch schwache Säuren wie Sulfamat, Acetat oder Hydrogencarbonat oder schwach basische Salze.
  • Nach der Saatschichtdeposition erfolgt in einem anschließenden Verfahrensschritt die selektive, stromlose Abscheidung von metallischem Material für die elektrischen Kontakte des Bauelements und zwar lokal an den Positionen, wo die Saatschicht aufgebracht wurde.
  • Das Aufbringen der Elektroden auf der anderen Seite des Bauelements kann mit den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, die Saatschicht für die elektrischen Kontakte auf beiden Seiten (Vorder- und Rückseite) des Bauelements, also bifazial, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufzubringen. Dazu kann in einer alternativen Ausführung des Verfahrens entweder für eine oder auch für beide Seiten des Bauelements, auf welche die Saatschicht aufgebracht werden soll, eine Kombination mit einer fotolithographischen Aufbringung eines Fotolacks zum Beispiel in Form einer strukturierten Maske auf eine oder auf beide Seiten des Bauelements erfolgen. Wie zuvor schon beschrieben, wird dann nur in den Bereichen, in denen kein Fotolack aufgebracht wurde, die Bestrahlung mit der Energiequelle, beispielsweise in Form von Lasereintrag, die elektrochemische Reduktion auslösen und dort lokal anschließend die Saatschichtbildung auslösen. Der Fotolack kann dann in einem anschließenden Verfahrensschritt durch die dem Fachmann bekannten Verfahren wieder entfernt werden.
  • Auf diese lokale Saatschicht kann anschließend das Elektrodenmaterial stromlos aufgebracht werden.
  • Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße, bifaziale, lokale und selektive Aufbringen der Saatschicht auch ohne die zuvor aufgeführte fotolithographische Aufbringung eines Fotolacks erfolgen.
  • Bevorzugt erfolgt die stromlose Abscheidung von metallischem Material für die elektrischen Kontakte in Form von Leiterbahnen, wobei dazu die zuvor erfindungsgemäß aufgebrachte Saatschicht, beispielsweise durch entsprechend eingestellte lokale Laserbestrahlung in der gewünschten Form der Leiterbahnen, in ihrer Anordnung so aufgebracht wurde, dass sie der Anordnung der gewünschten elektrischen Kontakte, wie dann zum Beispiel in Form von Leiterbahnen, entspricht.
  • Das stromlose Aufbringen des metallischen Materials, wie beispielsweise Ag, Cu, Sn, Ni, Pd, Au, für die Elektroden oder elektrischen Kontakte kann selektiv, lokal nur im Bereich der aufgebrachten Saatschicht erfolgen, weil sich direkt auf der TCO-Schicht das metallische Material gar nicht oder nur gehemmt aufbringen lässt. Als Verfahren zum stromlosen Aufbringen des metallischen Materials sind alle dem Fachmann bekannten Verfahren geeignet. In einer alternativen Ausführung des Verfahrens können auch mehrere metallische Materialien in Kombination miteinander stromlos, selektiv und lokal auf die Saatschicht aufgebracht werden. So ist es beispielsweise möglich nacheinander zunächst Nickel, dann Kupfer und anschließend Silber stromlos, selektiv, lokal auf die erfindungsgemäß aufgebrachte Saatschicht abzuscheiden.
  • Für das stromlose Aufbringen einiger metallischer Materialien sollen hier beispielhaft, jedoch nicht darauf beschränkt einige geeignete Verfahrensparameter aufgeführt werden:
  • Stromloses Abscheiden von Nickel:
    • Lösung: Nickelsulfamat; Temperatur: 70°C; Dauer: 10 min
    • Stromloses Abscheiden von Kupfer:
    • Lösung: Kupfersulfat; Temperatur; 25°C; Dauer: 40 min
    • Stromloses Abscheiden von Silber:
    • Lösung: Silbernitrat; Temperatur: 45°C; Dauer: 5 min
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Schichtstruktur umfassend wenigstens eine TCO-Schicht auf die eine Saatschicht lokal und selektiv gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht ist.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauelement/ Halbleiterbauelement; insbesondere eine SHJ-Solarzelle, umfassend wenigstens eine, vorzugsweise kristalline, Silizium-Halbleitersubstratschicht, eine intrinsische amorphe Siliziumschicht, die auf der oberen und unteren Silizium-Halbleitersubstratschicht aufgebracht ist, eine amorphe p-dotierte Siliziumschicht auf der einen Seite der Oberfläche der intrinsischen amorphen Siliziumschicht und eine amorphe n-dotierte Siliziumschicht auf der anderen Seite der Oberfläche der intrinsischen amorphen Siliziumschicht, eine TCO-Schicht auf der Oberfläche der p-dotierten Schicht und der n-dotierten Schicht, sowie Elektroden aus elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise Metallelektroden, auf der Oberfläche der TCO-Schicht, wobei die Metallelektroden eine elektrisch leitfähige Saatschicht umfassen, die durch das zuvor beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren, umfassend die elektrochemische Reduktion, lokal und selektiv auf der TCO-Schicht ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die elektrisch leitfähige Saatschicht eine Indiumschicht.
  • Zusammenfassend kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in-situ eine direkte, selektive, lokale und automatisch abbrechende Saatschichtdeposition, ohne vorherige Maskierung eines Musters auf der Oberfläche der TCO-Schicht, mit einer anschließenden selektiven, stromlosen Abscheidung von metallischem Material, wie beispielsweise Nickel, Kupfer und/oder Silber, für die elektrischen Kontakte auf der Saatschicht erfolgen. Eine Maske aus Lack sowie ein Rückätzschritt sind nicht erforderlich, sodass der Prozess des Aufbringens von elektrischen Kontakten auf Bauelemente beträchtlich vereinfacht wird.
  • Spezieller Beschreibungsteil
  • Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und den beigefügten Figuren näher beschrieben, ohne dass es hierdurch zur Einschränkung der Erfindung kommen soll.
  • Es zeigen:
    • 1: Schichtstruktur eines SHJ-Substrats gemäß Stand der Technik
    • 2: Anordnung zur lokalen, laserunterstützten Saatschichtbildung
    • 3: Oberflächenausschnitt der lokal mit Laserstahl behandelten SHJ-Solarzelle gemäß Anordnung in 2
    • 4: Metallisierung auf Saatschicht
  • 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine Schichtanordnung einer SHJ-Solarzelle gemäß Stand der Technik, umfassend eine Substratschicht 1, auf die auf beiden Seiten jeweils eine intrinsische amorphe Siliziumschicht 2 aufgebracht ist. Auf diese amorphe Siliziumschicht 2 ist auf der einen Seite eine p-dotierte amorphe Siliziumschicht 3a aufgebracht, die als Rückseite vorgesehen ist und auf der gegenüberliegenden Seite eine n-dotierte Siliziumschicht 3b aufgebracht, die als dem Licht zugewandten Vorderseite der SHJ-Solarzelle vorgesehen ist. Auf diese Schichten ist jeweils eine elektrische leitfähige Außenschicht (TCO) 4 aufgebracht. Auf der Rückseite sind auf der Außenschicht 4 zwei Elektroden 5 angeordnet.
  • 2 zeigt eine Schichtanordnung einer SHJ-Solarzelle gemäß 1, die mit ihrer Rückseite der Solarzelle in eine elektrisch leitfähige Lösung 6, hier beispielsweise eine Lösung aus Natriumcitrat 6 (0,04 mol/L), getaucht ist. Die Natriumcitratlösung kann beispielsweise Raumtemperatur aufweisen. Die gegenüberliegende Seite der Solarzelle ist über eine (Front-) Elektrode 5 mit einer Anode 7 (hier beispielsweise aus Platin) verbunden. Die Rückseite in der Natriumcitratlösung 6 fungiert in dieser Anordnung als Kathode. Die Rückseite der Schichtanordnung wird punktuell mit einem Laserstahl 8 einer bestimmten Wellenlänge (hier beispielsweise Wellenlänge: 532 nm; Bestrahlungsbreite des Lasers: Finger 30 µm; Busbars: 1 mm;) durch die Lösung aus Natriumcitrat 6 hindurch bestrahlt. Durch die Bestrahlung mit dem Laser entstehen auf Grund des photovoltaischen Effekts Elektronen-Loch Paare an der Solarzellenoberfläche. Durch den Einfluss des elektrischen Felds bewegen sich diese Löcher zur p-dotierten Seite und die Elektronen zur n-dotierten Seite. In der hier dargestellten Anordnung ist die p-dotierte Schicht zur Rückseite ausgerichtet und die n-dotierte Schicht zur Vorderseite. Diese Anordnung kann auch umgekehrt werden, so dass auf der Vorderseite die p-dotierte Schicht angeordnet ist. In der hier dargestellten Ausführung sammeln sich die Elektronen daher dort, wo der Laser 8 auftrifft. Bedingt durch die Lasereinstrahlung und die daraus resultierende Elektronenansammlung wird in der TCO-Schicht 4 eine Redoxreaktion ausgelöst: Ionen aus der TCO-Schicht 4, hier beispielsweise Indiumionen aus der IWO-Schicht der TCO-Schicht 4, werden reduziert und bilden selektiv eine Saatschicht 9 an den Positionen, wo die Lasereinstrahlung aufgetroffen ist.
  • 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der 2 in dem Bereich, wo der Laser 8 durch die Lösung 6 hindurch auf die TCO-Außenschicht 4 trifft. Wie schon zuvor zu 2 beschrieben, sammeln sich negativ geladene Elektronen (e-) dort, wo der Laser auf die TCO-Schicht 4 trifft. Durch diese lokale Elektronenansammlung wird in der TCO-Außenschicht 4 eine Reduktionsreaktion ausgelöst. Im oberen rechten Bereich der 3 ist beispielhaft diese mögliche Reduktionsreaktion dargestellt. Auf die In-O-Verbindungen des In2O3-Materials der TCO-Schicht 4 wird so viel Energie eingestrahlt, durch beispielsweise die Bestrahlung mit dem Laser 8, dass diese Bindungen aufbrechen. Die In3+ Ionen des Materials der TCO-Schicht 4 nehmen die Elektronen auf, die durch den photovoltaischen Effekt erzeugt werden, und werden somit zu elementarem Indium reduziert. Sobald die bestrahlte Oberfläche der TCO-Außenschicht 4 mit einer Indiumschicht bedeckt ist, kann der Laser die In2O3-basierte Schicht nicht mehr erreichen und die Redoxreaktion stoppt automatisch.
  • 4 A) zeigt wie 1 schematisch im Querschnitt eine Schichtanordnung einer SHJ-Solarzelle gemäß Stand der Technik in einer Ausführung mit aufgebrachtem Fotolack 10, der grabenartig strukturiert wurde. In diese Gräben des Fotolacks 10 ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Saatschicht 9 aufgebracht worden.
  • 4 B) zeigt das erfindungsgemäß stromlos auf diese Saatschicht 9 aufgebrachte Material der Elektroden 11.
  • 4 C) zeigt die Schichtanordnung der SHJ-Zelle mit erfindungsgemäß aufgebrachter Saatschicht 9 und erfindungsgemäß stromlos aufgebrachter Elektrodenmaterialschicht 11, bei der anschließend der Fotolack 10 weggeätzt wurde.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    (Halbleiter-) Substratschicht
    2
    intrinsische amorphe Si:H-Schicht
    3a
    p-dotierte amorphe Si:H-Schicht
    3b
    n-dotierte amorphe Si:H-Schicht
    4
    TCO (Außen-) Schicht
    5
    Frontseitenelektroden
    6
    elektrisch leitfähige Lösung
    7
    Anode
    8
    äußerer Energieeintrag, z.B. Laserstrahlung
    9
    Saatschicht
    10
    Fotolack
    11
    stromlos aufgebrachtes Elektrodenmaterial
  • Literaturquellen:
    • [1] J. Yu, J. Bian, Y. Liu, F. Meng, Z. Liu; Patterning and formation of copper electroplated contact for bifacial silicon hetero-junction solar cell; Sol. Energy 146 (2017) 44-49
    • [2] J. Yu, L. Zhang, T. Chen, J. Bian, J. Shi, F. Meng, Y. Huang, Z. Liu, Dual-Function Light-Trapping: Selektive Plating-Maske aus SiOx/SiNx Stacks for Silicon Heterojunction Solar Cells, Sol. RRL (2019) 1800261.
    • [3] Junjun Li et al.; In-situ formation of indium seed layer for copper metallization of silicon heterojunction solar cells; Solar Energy Material & Solar Cells 204; 2020
    • [4] A. Rodofili, W. Wolke, L. Kroely, M. Bivour, G. Cimiotti, J. Bartsch, M. Glatthaar, J. Nekarda, Laser Transfer and Firing of NiV Seed Layer for the Metallization of Silicon Heterojunction Solar Cells by Cu-Plating, Sol. RRL (2017) 1700085

Claims (9)

  1. Verfahren zur Metallisierung von Bauelementen oder Halbleiterbauelementen, insbesondere von SHJ-Solarzellen, welches folgende Verfahrensschritte umfasst: a) Bereitstellen einer Substratschicht (1) eines Bauelements oder Halbeiterbauelements, insbesondere einer SHJ-Solarzelle, mit einer Vorder- und einer Rückseite, umfassend wenigstens eine kristalline Siliziumschicht als Halbleitermaterial, deren Vorder- und/oder Rückseite mit einer TCO-Schicht (4) aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Material beschichtet ist. b) Selektives, lokales Ausbilden einer metallischen Saatschicht (9) durch ein elektrochemisches Reduktionsverfahren, wobei die elektrochemische Reduktion in-situ, selektiv und lokal in den Bereichen der TCO-Schicht (4) ausgeführt wird, die lokal mit einer Energiequelle bestrahlt werden, wodurch das Metall der TCO-Schicht (4) reduziert wird und sich lokal die metallische Saatschicht (9) ausbildet. c) Stromloses Aufbringen eines metallischen Materials (11) für die elektrischen Kontakte auf der zuvor gemäß Schritt b) lokal ausgebildeten Saatschicht (9).
  2. Verfahren nach vorherigem Anspruch gekennzeichnet dadurch, dass das Ausbilden einer metallischen Saatschicht (9) auf der Oberfläche der TCO-Schicht (4) auf der Vorder- und/oder Rückseite der kristallinen Siliziumsubstratschicht (1) erfolgt.
  3. Verfahren nach vorherigem Anspruch gekennzeichnet dadurch, dass das Bauelement ein elektrisches Bauelement ist, insbesondere eine Solarzelle oder eine Leuchtdiode oder eine Vorstufe einer Leiterplatte, umfassend wenigstens eine Substratschicht (1) mit einer TCO-Schicht (4).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine SHJ-Solarzelle ist, umfassend wenigstens eine kristalline Si-Substratschicht (1), eine amorphe intrinsische Si:H-Schicht (2), die auf der oberen und unteren Oberfläche der kristallinen Si-Substratschicht (1) ausgebildet ist, eine n-dotierte amorphe Si:H-Schicht (3b), die auf der einen Seite der amorphen intrinsischen Si:H-Schicht (2) ausgebildet ist und eine p-dotierte amorphe Si:H-Schicht (3a), die auf der anderen Seite der amorphen intrinsischen Si:H-Schicht (2) ausgebildet ist, sowie eine transparente, leitfähige TCO-Schicht (4), die auf der Oberfläche der amorphen Siliziumschicht vom n-Typ (3b) und der amorphen Siliziumschicht vom p-Typ (3a) ausgebildet ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TCO-Schicht (4) Indiumoxid, Indiumzinnoxid, In2O3 basierte TCO Materialien, insbesondere Wolfram dotiertes Indiumoxid (IWO), Titan dotiertes Indiumoxid (ITO) sowie Cerium-dotiertes Indiumoxid (ICO), umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Bestrahlung mit einer Energiequelle gemäß Schritt b) so lang erfolgt, bis die Oberfläche, die lokal bestrahlt wird, mit der metallischen Saatschicht (9) bedeckt ist, die sich während der elektrochemischen Reduktionsreaktion bildet.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Saatschicht (9) mit einer Schichtdicke in einem Bereich von 1 bis 80 nm aufgebracht wird.
  8. Schichtstruktur umfassend wenigstens eine Substratschicht (1) mit einer TCO-Schicht (4) auf die eine Saatschicht (9) lokal und selektiv gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebracht ist.
  9. Bauelement/ Halbleiterbauelement; insbesondere eine SHJ-Solarzelle, umfassend wenigstens eine Silizium-Halbleitersubstratschicht (1), eine intrinsische amorphe Siliziumschicht (2), die auf der oberen und unteren Silizium-Halbleitersubstratschicht (1) aufgebracht ist, eine amorphe p-dotierte Siliziumschicht (3a) auf der einen Seite der Oberfläche der intrinsischen amorphen Siliziumschicht (2) und eine amorphe n-dotierte Siliziumschicht (3b) auf der anderen Seite der Oberfläche der intrinsischen amorphen Siliziumschicht (2), eine TCO-Schicht (4) auf der Oberfläche der p-dotierten Schicht (3a) und der n-dotierten Schicht (3b) und Metallelektroden (11) auf der Oberfläche der TCO-Schicht (4), wobei die Metallelektroden (11) eine elektrisch leitfähige Saatschicht (9) umfassen, die durch elektrochemische Reduktion auf der TCO-Schicht (4) ausgebildet ist.
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