DE112009000883T5

DE112009000883T5 - Verfahren zur Herstellung eines waferbasierten Solarpaneels

Info

Publication number: DE112009000883T5
Application number: DE112009000883T
Authority: DE
Inventors: Martin Nese; Erik Sauar; Andreas Bentzen; Paul Alan San Mateo Basore
Original assignee: Renewable Energy Corp ASA
Current assignee: REC Solar Pte Ltd
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2011-05-12
Also published as: US20110120531A1; JP2011517136A; CN102084501B; US8753957B2; KR20110004873A; US20140238463A1; GB2459274A; WO2009128721A2; KR102015072B1; GB0806850D0; US10147830B2; KR101699253B1; JP5663469B2; CN102084501A; WO2009128721A3; KR20160106198A

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Solarpaneelen/-modulen umfassend folgende Schritte:
– Einsetzen einer Zahl von Halbleiter-Wafern, die bis zu einem Punkt vorverarbeitet sind, wo wenigstens ihre vordere Oberfläche fertiggestellt ist, um auf einem Frontglas eines Solarpaneels/-moduls befestigt zu werden, aber welche auch ein oder mehrere Prozessschritte für die Rückseite des Wafers beinhalten können bis zur, aber nicht beinhaltend, Metallbeschichtung zum Ausbilden von elektrischen Kontakten,
– Platzieren und Anbringen der vorgesehenen Zahl von vorverarbeiteten Wafer, so dass diese aneinander angrenzen und mit ihrer Vorderseite nach unten zur Rückseite des Frontglases gerichtet sind,
– Aufbringen von wenigstens einer Metallschicht, die die Rückseite des Frontglases, beinhaltend der Rückseite der vorverarbeiteten Wafer, abdeckt, und
– Strukturieren/Aufteilen der aufgebrachten Metallschicht(en) in wenigstens ein einzelnes Gebiet, das die elektrischen Kontakte für jede Solarzelle und die Modulzwischenverbindungen zwischen angrenzenden Solarzellen ausbildet.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für waferbasierte Solarpaneele.
Einleitung
Es wird erwartet, dass die weltweiten Vorräte an fossilem Öl in den folgenden Dekaden allmählich erschöpfen. Das heißt, dass unsere Hauptenergiequelle des letzten Jahrhunderts innerhalb von wenigen Dekaden ersetzt werden muss, um einerseits den derzeitigen Energieverbrauch und andererseits den künftigen Anstieg des globalen Energiebedarfs abzudecken.
Zusätzlich werden viele Bedenken geweckt, dass die Nutzung fossiler Energie den Treibhauseffekt der Erde in einem Ausmaß verstärkt, das gefährlich werden kann. Daher soll der derzeitige Verbrauch fossiler Treibstoffe vorzugsweise durch Energiequellen/träger ersetzt werden, die erneuerbar und nachhaltig für unser Klima und unsere Umwelt sind.
Eine solche Energiequelle ist Sonnenlicht, das die Erde mit erheblich mehr Energie bestrahlt als der Mensch derzeit und vorhersehbar ansteigend an Energie verbraucht.
Bis heute ist Elektrizität aus Solarzellen jedoch zu teuer, um mit Kernenergie, thermischer Energie etc. konkurrieren zu können. Das muss sich ändern, wenn das erhebliche Potential der Elektrizität aus Solarzellen genutzt werden soll.
Die Kosten der Elektrizität aus einem Solarpaneel ist eine Funktion des Energieumwandlungswirkungsgrads und der Produktionskosten von Solarpaneelen. Daher sollte die Suche nach preiswertem Solarstrom auf hocheffiziente Solarzellen, die durch kosteneffektive Fabrikationsverfahren hergestellt werden, fokussiert werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf kosteneffektive Produktionsverfahren von hocheffizienten siliziumbasierten Solarpaneelen.
Stand der Technik
Ein effizientes und kosteneffektives Verfahren, um elektrische Kontakte für rückseitig kontaktierte photovoltaische Vorrichtungen tauglich zu machen, ist die Erstellung der elektrischen Kontakte durch die Herstellung lokaler Öffnungen in der/den Passivierungsschicht(en) auf der Rückseite der Wafer, die die dotierten Gebiete darunter freilegen, Aufbringen einer metallischen Schicht auf der gesamten Rückseite des Wafers, die Passivierungsschicht(en) und die lokalen Öffnungen bedeckend, und dann die Aufteilung der metallischen Schicht in elektrisch isolierende metallische Gebiete, die die dotierten Gebiete des Wafers kontaktieren.
Ein Beispiel einer solchen Technologie ist in US 6 337 283 gegeben, das ein Verfahren zur Fabrikation einer Siliziumsolarzelle mit Punktkontakt an der Oberfläche der Rückseite offenlegt. Das Verfahren umfasst die Formung von zwei Passivierungsschichten auf der Rückseite eines Siliziumwafers, der p-dotierte und n-dotierte Gebiete besitzt, die Erzeugung von Kontaktöffnungen in den Passivierungsschichten in den p- und n-dotierten Gebieten, das Aufbringen einer ersten Metallschicht auf den Passivierungsschichten in einer Art, sodass die erste Metallschicht in Kontakt mit den p-dotierten Gebieten und den n-dotierten Gebieten kommt, die Strukturierung der ersten Metallschicht in einer Art, sodass die separaten Kontakte für die p-dotierten und die n-dotierten Gebiete gebildet werden, das Aufbringen einer ersten Isolationsschicht auf der ersten Metallschicht, die Erzeugung von Kontaktöffnungen in der Isolationsschicht an den ersten Metallkontakten entweder der p-dotierten oder der n-dotierten Gebiete, und schließlich das Aufbringen einer zweiten Metallschicht auf der Isolationsschicht, um den elektrischen Kontakt mit den separaten Kontakten für entweder die p-dotierten oder die n-dotierten Gebiete zu schaffen. Die Solarzelle ist in 1 dargestellt, in der die Bezugsnummer 10 der Wafer ist, 12 eine Passivierungsschicht auf der vorderen Oberfläche ist, 14 in einer Art dotierte Gebiete sind, 16 die andersartig dotierten Gebiete sind, 18 und 20 zwei Passivierungsschichten auf der Rückseite des Wafers sind, 24a die erste Metallschicht nach der Strukturierung ist, 26 die Isolationsschicht nach der Strukturierung ist, und 28 die zweite Metallschicht ist, die die ersten Metallkontakte 24a in Kontakt mit der in einer Art dotierten Gebiete 14 des Wafers 10 bringt. Das Herstellungsverfahren wird für jede einzelne Solarzelle angewendet.
Verfahren zur Kontaktierung dotierter Bereiche auf Siliziumwafern, die das Aufbringen einer Metallschicht auf der gesamten Oberfläche des Wafers beinhalten induzieren mechanische Beanspruchungen in der Zelle aufgrund von Differenzen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Siliziumwafers und der Metallschicht. Diese mechanische Spannung verursacht nur geringfügige Probleme für gegenwärtige Wafer mit typischen Dicken von 140–180 μm, da so dicke Wafer die nötige mechanische Belastbarkeit besitzen, um signifikante Krümmung/Deformation zu vermeiden. Für Filme und Wafer mit Dicken unter etwa 100 μm erzeugt diese mechanische Beanspruchung jedoch Probleme mit inakzeptabler Krümmung/Deformation und/oder Brechen der Zellen.
Für photovoltaische dünne Schichten, die auf Glassubstraten aufgebracht sind, gibt es jedoch kosteneffektive Produktionsverfahren, in denen der Halbleiterfilm einerseits und eine metallische Schicht, die als elektrische Kontakte dient andererseits direkt auf das Glassubstrat aufgebracht sind, gefolgt von der Aufteilung in Zellen und elektrische Kontakte. Ein Beispiel einer solchen Technologie wird in der US Anmeldung Nr. 2007/0227578 vorgestellt, in der eine Mo-Schicht zuerst auf ein Glassubstrat aufgebracht wird, gefolgt von einer Halbleiterschicht aus Cu(In, Ga)Se. Dann werden die Filme mittels Laserritzen oder chemischem Ätzen in ein Menge von verbundenen Solarzellen auf dem Glassubstrat aufgeteilt. Ein anderes Beispiel ähnlicher Technologie ist aus US 4 292 092 bekannt.
In einem kürzlich erschienen Artikel von Keevers et al. [1] sind photovoltaische Paneele, die eine polykristalline dünne Schicht aus Silizium aufgebracht auf ein Glassubstrat (auch bekannt als kristallines Silizium auf Glas oder CSG-Technologie), offengelegt. Der Artikel gibt an, dass das Herstellungsverfahren grundsätzlich kosteneffektiv ist und hat Solarpaneele mit einem Rekordwirkungsgrad von 10,4% gezeigt. Der Herstellungsprozess beginnt mit der Texturierung einer Oberfläche des Glassubstrats durch Tauchbeschichtung mit 0,5 μm Siliziumpartikeln. Dann wird eine Schicht SiN_x und eine Schicht p-dotiertes amorphes Silizium auf die texturierte Oberfläche mittels plasmaverstärkter chemischer Dampfabscheidung (plasma enhanced chemical vapour deposition PECVD) aufgebracht. Dann wird eine dünne Schicht polykristallines Silizium mittels Festphasenkristallisation gefolgt von einer schnellen thermischen Behandlung und schneller Reihenhydrierung (inline hydrogenation) ausgebildet. Die aufgebrachte Halbleiterschicht wird dann in eine Menge von individuellen Zellen mittels Laserritzen aufgeteilt, bevor eine Harzschicht durch Walzenbeschichtung (roller coating) aufgeteilt. Dann wird eine Menge von Kontaktöffnungen in der Harzschicht durch Tintenstrahldrucken eines Ätzmittels ausgebildet bevor das Paneel durch Aufbringen einer A1 Schicht mit Kathodenzerstäubung (Sputtern), gefolgt von Ritzen, um die Zwischenverbindungen herzustellen, fertiggestellt ist.
Ein anderes Beispiel der Nutzung von amorphen Siliziumfilmen, bedeckt von einer dielektrischen Schicht und einer Metallschicht ist in US 6 518 596 gezeigt. Dieses Dokument zeigt die Nutzung eines Siliziumfilms bedeckt mit einem Siliziumnitritfilm als Passivierungsschicht, und die Kontaktierung durch die Erstellung lokaler Öffnung in der Passivierung durch Laser, gefolgt vom Aufbringen einer Metallschicht, um die Kontakte herzustellen, und schließlich die Aufteilung der Metallschicht in separate Kontakte mittels Laserritzen.
Die Einschränkung der CSG-Technologie ist der relativ niedrige photovoltaische Umwandlungswirkungsgrad von etwa 10%. Dies ist die Hälfte des Umwandlungswirkungsgrads, der mittels monokristallinen siliziumbasierten Solarzellen erreicht werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, eine kosteneffiziente, waferbasierente Herstellungsmethode für Solarpaneelen bereitzustellen, die die Verwendung von dünnen Wafern von 100 μm oder weniger ermöglicht, und die das Problem von Krümmung/Deformation und/oder Bruchstellen der Zellen löst.
Die Aufgabe der Erfindung kann durch die Merkmale, wie im Folgenden in der Beschreibung der Erfindung und/oder in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt, realisiert werden.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung basiert auf der Realisierung, dass von einer Kostenperspektive die vorteilhafte CSG-Technologie angepasst werden kann, um für die waferbasierte Solarzellenproduktion verwendet zu werden, und somit die Vorteile der Ersparnis an Arbeitsaufwand im Zusammenhang mit der CSG-Technologie und der hohe Umwandlungswirkungsgrad, der mittels monokristallinen oder polykristallinen Wafern erreicht wird, auszunutzen. Dies ergibt sich dadurch, dass mit Hilfe von halb vorarbeiteten Solarzellen hergestellt aus Wafern, die zumindest auf ihrer Vorderseite fertig gestellt sind, die Metallbeschichtung der Zelle und Modulzwischenverbindungen in einer Metallprozesssequenz ähnlich der CSG-Technologie kombiniert werden können, wobei die mehr oder weniger vorgefertigten Wafer an dem transparenten Frontglas des Solarpaneels/modul angebracht sind. Dieses Merkmal wird zusätzlich zur Lösung des Problems von Krümmung/Bruchstellen von dünnen Wafern mit einer aufgebrachten Metallschicht auch signifikante Kosten- und Arbeitsaufwandersparnisse zur Herstellung der Solarzellen und -module ermöglichen, wobei die elektrischen Kontakte der Solarzelle auf der Hinterseite des Wafers durch Kombination der Metallbeschichtung der Zelle und Modul/Paneel-Verbindung in einem Metallprozess ausgeführt werden.
Damit bezieht sich ein Aspekt der vorliegenden Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Solarmodulen/-paneelen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– Verwenden einer Anzahl von Halbleiter-Wafern, die bis zu einem Punkt vorgefertigt sind, wo wenigstens ihre Vorderoberfläche soweit fertiggestellt ist, um auf einem Frontglas der Solarpaneele/-modul befestigt zu werden, aber ein oder mehrere Verfahrensschritte für die Rückseite des Wafers beinhalten bis zur, aber nicht beinhaltend, Metallbeschichtung zur Ausbildung elektrischer Kontakte,
– Platzieren und Anbringen der vorgesehen Zahl von vorverarbeiteten Wafern, so dass diese aneinander angrenzen und mit ihrer Vorderseite nach unten zur Rückseite des Frontglases gerichtet sind,
– Aufbringen von wenigstens einer Metallschicht oder einem geschichteten Metallsystem, die/das die Hinterseite der vorgefertigten Wafer bedeckt, und
– Strukturieren/Aufteilen der aufgebrachten Metallschicht(en) in wenigstens ein einzelnes Gebieten, das die elektrischen Kontakte für jede Solarzelle und die Modulzwischenverbindungen zwischen angrenzenden Solarzellen ausbildet.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf Solarpaneele/-module umfassend:

– ein transparentes Frontglas
– eine Anzahl von Halbleiter-Wafern, die jeweils so verarbeitet sind, dass sie eine halbfertige Solarzelle bilden und die aneinander angrenzend auf der Rückseite des transparenten Frontglases befestigt sind, und
– wobei die elektrischen Kontakte der Solarzellen und der Zwischenverbindungen, die die angrenzenden Solarzellen der Solarpaneele/-module verbinden, durch mindestens eine strukturierte Metallschicht ausgebildet sind, die die Rückseite des Frontglases inklusive der Rückseite der befestigten, halbfertigen Solarzelle bedeckt.

In diesem Zusammenhang bezeichnet der Ausdruck „vorverarbeitet zu halbfertigen Solarzellen vorbereitet für Metallbeschichtung der Hinterseite” Halbleiter-Wafer, deren Frontseite zu einem fertigen Solarzellenstatus vorverarbeitet wurde, sodass sie am Frontglas angebracht werden können und somit eine funktionierende Vorderseite des Solarpaneels/-moduls bilden. Dies kann ein oder mehrere der folgenden Verarbeitungsschritte beinhalten (ist aber nicht beschränkt auf diese): Oberflächentexturierung/zerstörendes Ätzen (damage eching), Ein-Diffusion von Dotierelementen, Aufbringen von Oberflächenpassivierungsfilmen, Aufbringen von Antireflexbeschichtung, usw. Die Reihenfolge und die Auswahl, welche Verfahrensschritte als notwendig angesehen werden, um die Vorderseite einer Solarzelle auszubilden, sind offensichtlich abhängig davon, welche Art von Solarzelle hergestellt wird. Typischerweise beinhaltet das Vorverarbeiten von Wafern, bevor diese an dem Frontglas befestigt werden, Hochtemperaturdiffusionsprozesse und Passivierung der Oberfläche, die zum Frontglas gerichtet ist, weil diese Oberfläche nach Befestigung am Frontglas nicht mehr zugänglich ist.
Für die Hinterseite des Wafers wird der Ausdruck „vorverarbeitet zu halbfertigen Solarzellen fertiggestellt für Metallbeschichtung der Rückseite” verwendet, was heißt, dass die Rückseite des Wafers zu einem halbfertigen Zustand verarbeitet ist, der die Vollendung der Rückseite aller Zellen inklusive der Metallverbindung ermöglicht, nachdem die Wafer am Frontglas befestigt sind. Das heißt, die einzig verbleibenden Prozessschritte, um die verbundenen Solarpaneele/-modul auszubilden, sollten Prozessschritte sein, die im Modullevel ausgeführt werden, was für alle Zellen des Paneels/Moduls in einem Arbeitsgang ausgeführt wird, wenn sie am Frontglas befestigt sind. Dies kann einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen: Aufbringen und Diffusion von Dotierelementen, Aufbringen und strukturierendes Ätzen von Hetero-Übergangskontaktschichten, Aufbringen einer Reflexionsschicht auf der Rückseite, Aufbringen von Oberflächenpassivierungsschichten auf der Rückseite, lokalisierendes Ätzen von Passivierungsschichten, um Kontaktöffnungen zu den dotierten Gebieten des darunter liegenden Wafers auszubilden, Texturierung, Glätten und Planarisieren der Waferkanten, und die kombinierte. Metallbeschichtung und Ausbildung der Zwischenverbindung.
Damit bezeichnet der Ausdruck „vorverarbeitet zu halbfertigen Solarzellen vorbereitet für die Metallbeschichtung der Rückseite” zusammenfassend, dass die vordere Oberfläche der Wafer zu einem fertigen Solarzustand verarbeitet sind, so dass die Wafer bereit sind, um am Frontglas des Moduls/Paneels befestigt zu werden. Für die Rückseite der Wafer gilt, dass alle Prozessschritte, die nicht durchgeführt werden können, sobald die Wafer an dem Frontglas befestigt sind, davor durchgeführt werden müssen. Typischerweise kann dies Hochtemperatureindiffusion von Dotierelementen umfassen. Aber die Vorverarbeitung der Rückseite der Wafer kann alle Prozessschritte bis zur Aufbringung der Metallschicht (Metallbeschichtung) beinhalten, die ausgeführt werden können, wenn die Wafer am Frontglas angebracht sind. Dies können Dotierungsmethoden sein, wie zum Beispiel Aufbringen einer hochdotierten amorphen Siliziumschicht, Dotierung mittels Laser oder Innenimplantation.
Die Erfindung ist nicht an einen spezifischen Typ von Solarzellen gebunden, so dass jede erdenkliche Kombination von Verfahrensschritten zu halbfertigen Solarzellen, vorbereitet für die Metallbeschichtung der Rückseite, verwendet werden kann und in erfindungsgemäßem Verfahren beinhaltet sind. Das heißt, die Erfindung kann jede bekannte und denkbare Kombination von Passivierungsfilmen, Dotierelementen, Antireflexbeschichtungen für die einzelnen Wafern einsetzen und die Wafer können aus jedem denkbaren Halbleitermaterial, beinhaltend (aber nicht einschränkend) Si, Ge, InP oder GaAs, hergestellt sein. Gleiches gilt für die Wahl des Produktionsverfahrens für die Vorverarbeitung; jeder denkbare oder jeder einem Fachmann bekannte Prozess für die Vorverarbeitung der Wafer zu halbfertigen Solarzellen, vorbereitet für die Metallbeschichtung der Rückseite, kann eingesetzt werden.
In ähnlicher Weise ist die Erfindung nicht an die Verwendung einer oder einer Menge von spezifischen Strukturierungen der aufgebrachten Schicht zur Ausbildung der Kontakte und Zwischenverbindungen gebunden. Jedes denkbare und bekannte Muster, das Kontakte und Zwischenverbindungen bildet, kann eingesetzt werden, solange diese in einem Arbeitsgang ausgebildet werden, wenn alle Wafer des Solarpaneels/-moduls auf dem transparenten Frontsubstrat des Paneels/Moduls angebracht sind. Es kann vorteilhaft sein, den Randabschnitt eines jeden Wafers zu glätten/planarisieren, um scharfe Ecken oder das Risiko des Auflösens der Metallzwischenverbindungen zu vermeiden und somit das Risiko des Brechens und/oder Kurzschließens der Zwischenverbindungen zu vermeiden. Das Glätten oder Planarisieren der Ränder kann durch Entfernen eines Teils der Kante auf der vorderen Seite des Wafers ermöglicht werden, so zum Beispiel durch mechanisches oder Laser unterstütztes Schleifen. Alternativ kann das Glätten oder Planarisieren durch Aufbringen eines geeigneten Materials auf den Wafer oder durch Auffüllen des Raumes zwischen angrenzenden Wafer erreicht werden, um eine abgerundetere Form des Randabschnitts eines jeden Wafers zu bilden. Das Auffüllen mit Material kann durch konventionelle Techniken wie Zentrifugalbeschichtung (spin-coat deposition), Walzenbeschichtung (roller coating), Tintenstrahldrucken, Befestigen von vorgefertigten Elementen usw. geschehen.
Im hier verwendeten Zusammenhang, bezeichnet der Ausdruck „Vorderseite/vordere Seite” die Seite des Wafers, die zur Sonne hin gerichtet ist, wenn das Solarpaneel im Betrieb ist. Der Ausdruck „Rückseite” ist die Seite entgegengesetzt zur Vorderseite des Wafers und der Ausdruck „rückseitig kontaktiert” heißt, dass alle Verbindungen auf der Hinterseite des Wafers platziert sind. Im Zusammenhang mit Frontglas, bezeichnet der Ausdruck „Vorderseite/vordere Seite” die Seite des transparenten Frontglases, die zur Sonne hin ausgerichtet ist, wenn die Solarpaneele im Betrieb ist und der Ausdruck „Rückseite” bezeichnet die entgegengesetzte Seite, die die Wafer und dann die aufgebrachte(n) Metallschicht(en) aufnimmt.
Nach Vollendung des Metallkontakt- und Zwischenverbindungsprozesses auf der Rückseite des Frontglases wird das Frontglas in einen Standardmodulprozess weitergeführt, wobei die Zellen und Zwischenverbindungen auf der Rückseite durch EVA und schützende Rückseitenfolie (zum Beispiel Tedlar oder Glas) in einem Laminierungsprozess bei erhöhter Temperatur in Vakuum von der Umgebung versiegelt/geschützt werden. Schlussendlich kann das laminierte Modulsandwich durch einen Metallrahmen mechanisch verstärkt werden und durch eine Diodenanschlussbox elektrisch verbunden/geschützt werden.
Der Ausdruck „Frontglas”, wie hier verwendet, bezeichnet jeden Typ von transparentem Material, das die Vorderplatte des fertigen Solarpaneels/-moduls bilden kann. Das heißt, das Frontglas sollte die nötige mechanische und thermische Stabilität haben, um den Beanspruchungen standzuhalten, die mit dem Tragen der Solarzellen, dem Aufbringen von Metallschicht(en) während der Produktion (Aufbringen von Metallschichten) und der vorgesehenen Verwendung des Solarpaneels/-moduls verbunden sind. Zusätzlich sollte das Frontglas hochtransparent sein und eine niedrige Reflexion für die meisten oder alle Lichtfrequenzen haben, die mit dem photovoltaischen Effekt der Zelle verknüpft sind. Das Frontglas kann eine Antireflexbeschichtung usw. beinhalten. Geeignete Materialien beinhalten (aber sind nicht eingeschränkt auf) Kalk-Natron-Glas mit beliebiger Zusammensetzung, Borosilikatglas, Quarz, transparente polymerische Feststoffe, usw.
Der Ausdruck „Wafer”, wie hier verwendet, bezeichnet jedes planare Sheet oder jede planare Scheibe aus Halbleitermaterial mit einer Dicke von ungefähr 20 μm bis zu einer bisher maximalen Waferdicke von 200–300 μm. Damit beinhaltet der Ausdruck also Sheets/Scheiben von Halbleitermaterialien, die gewöhnlich als „dicke Filme (thick films)” bezeichnet werden. Aber die Wafer, die im Rahmen dieser Erfindung eingesetzt werden, haben vorzugsweise eine planare Dicke von ungefähr 150 μm oder weniger, solange der Halbleiterwafer ausreichend mechanische Stabilität hat, um dem Vorverarbeiten zu einer halbfertigen Solarzelle standzuhalten. Eine geeignete Dicke liegt bei 20 bis 80 μm. Die Erfindung sollte als waferbasierte Produktion bis zu dem Punkt verstanden werden, an dem die Wafer ausreichend vorverarbeitet sind, um die Befestigung am Frontglas und die Ausführung der verbleibenden Prozessschritte in dem Modullevel zu erlauben. Das heißt, das erfindungsgemäße Verfahren sollte verstanden werden als eine Kombination von konventionellem Verfahren in der Waferproduktion und der CSG-Technologie.
In vorteilhafter Weise können die Wafer im Wesentlichen rechteckige oder quadratische Form haben und werden Seite an Seite auf das Frontglas mit einer Lücke der Größe im Bereich 0,1 bis 2 mm gelegt. Die Erfindung kann jedes bekannte oder denkbare photovoltaische Halbleitermaterial in Form von Wafer einsetzen. Beispiele für Halbleitermaterialien beinhalten, aber sind nicht eingeschränkt auf, Si, InP, Ge, GaAs, usw. Die Halbleitermaterialien können monokristallin oder multikristallin sein.
In vorteilhafter Weise können die Wafer durch Verwendung eines transparenten Klebstoffs an dem Frontglas befestigt sein. Jeder bekannte oder denkbare Klebstoff kann eingesetzt werden. Beispiele beinhalten (aber sind nicht eingeschränkt auf) Epoxid-basierte, silikonbasierte oder Sol-gelbasierte Klebstoffe, die auf das Frontglas in einer Dicke zwischen 1 bis 50 μm, vorzugsweise in einer Dicke von 10 bis 20 μm, aufgebracht werden, wobei eine der folgenden Techniken genutzt wird: Zentrifugalbeschichtung (spin coating), Sprühbeschichtung (spray coating), Walzenbeschichtung (roller coating), Schmelzbeschichtung (hot-melt dispensing) oder Tintenstrahldrucken.
In vorteilhafter Weise kann der Wafer planarisiert werden, das heißt die scharfen Kanten auf der Rückseite der Wafer können geglättet werden, um die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, einen Bruch in der Metallbrücke zu induzieren, die durch die aufgebrachte Metallschicht die elektrischen Kontakte über angrenzende Wafer ausbildet. Das Glätten/Planarisieren der Waferkanten auf der Rückseite kann erreicht werden durch (ist aber nicht eingeschränkt auf) einen der folgenden Verfahrensschritte: Entfernen eines Teils der rückseitigen Kanten des Wafers, zum Beispiel durch Laserablation, Aufbringen von geeigneten Materialien entlang der Kanten und/oder im Raum zwischen den Wafer, um eine glatte, kontinuierliche Oberfläche zwischen angrenzenden Wafer, zum Beispiel durch die Verwendung von Tintenstrahldrucken oder Befestigen von vorgefertigten Elementen oder durch Beschichten beider der rückseitigen Oberfläche der Zellen und der Spalten zwischen den Zellen mit einem Polymermaterial, bevorzugt mit einem Polymermaterial, das hohe optische Reflexion und einen glättenden Effekt auf Oberflächenstufen hat. Dieses Polymermaterial kann, zum Beispiel durch Verwenden von Zentrifugalbeschichtung (spin coating), Sprühbeschichtung (spray coating), Walzbeschichtung oder Tintenstrahldeposition aufgebracht werden. Das Entfernen der rückseitigen Kanten oder das Auffüllen von Material in die Lücken zwischen angrenzenden Wafer, sollte in vorteilhafter Weise einen Winkel zwischen der Seitenwand des Wafers und dem transparenten Substrat von weniger als 70°, vorzugsweise in einem Bereich von 30 bis 60°, ergeben. Im Falle der Verwendung von aufgebrachtem Material kann dies entweder durch die Verwendung von Tintenstrahldruck oder durch Pressen der Wafer gegen den Kleber auf dem transparenten Substrat mit einem Druck erreicht werden, wobei der Druck so eingestellt ist, dass der Klebstoff in die Spalten zwischen aufeinanderfolgenden Wafer hineingepresst wird. Der Klebstoff sollte vorzugsweise die vertikale Fläche der Stufe zwischen Wafer und transparentem Substrat um mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 70%, auffüllen und der Kontaktwinkel zwischen dem Kleber und den Waferkantenflächen sollte weniger als 70°, vorzugsweise in einem Bereich von 30 bis 50°, liegen.
Der Ausdruck „p-dotierter Bereich” bezeichnet ein Oberflächengebiet des Wafers, wobei ein dotiertes Material, das in erhöhter Zahl von positiven Ladungsträgern resultiert, die in die Halbleitermatrix in einer bestimmten Entfernung unter der Oberfläche eingefügt sind und einen Bereich des Wafers mit einer Oberflächenschicht mit p-Dotierung ausbildet. Der Ausdruck „n-dotierter Bereich” bezeichnet ein Oberflächengebiet des Wafers, wobei ein dotiertes Material, das in erhöhter Zahl von negativen Ladungsträgern (mobile Elektronen) resultiert, in die Halbleitermatrix in einer bestimmten Distanz unter die Oberfläche eingefügt ist, das ein Gebiet auf dem Wafer mit einer Oberflächenschicht mit n-Dotierung ausbildet. Die Dicke der dotierten Schicht ist gewöhnlich im Bereich von einigen Zehn nm bis zu einem μm, aber dies sollte nicht als Einschränkung der Erfindung verstanden werden. Alle bekannten und denkbaren Dicken des dotierten Gebiets können eingesetzt werden. Auch jede Art von bekannten und denkbaren Dotierelementen kann eingesetzt werden. Die Dotierung des Wafers kann durch Eindiffusion von Dotierelementen oder alternativ durch Aufbringen von dünnen Schichten (im Bereich von 10 nm) von amorphem Silizium erreicht werden, das entweder n- oder p-dotiert wurde. Diese dünnen, dotierten Schichten bilden einen Hetero-Übergangskontakt zu dem Silizium, das ähnliche elektrische Eigenschaften hat, wie durch Hinzufügen eines dotierten Materials direkt in die Halbleitermatrix erreicht wird.
Das Aufbringen von Metallschicht(en), die die Rückseite der Metallbeschichtung bilden, kann durch Dampfabscheidungstechniken, Verdampfung, Kathodenzerstäubung usw. einer metallischen Phase auf der gesamten Rückseite des Frontglases mit den befestigten halbfertigen Solarzellen erreicht werden. Geeignete Metalle für Dampfabscheidung beinhalten Nickel, Palladium, Titan, Silber, Gold, Aluminium, Kupfer, Wolfram, Vanadium, Chrom, oder jede beliebige Kombination dieser Metalle. Die Dicke der aufgebrachten Metallschicht oder des geschichteten Systems von Metallschichten sollte in vorteilhafter Weise eine Gesamtdicke im Bereich von 0,1 bis 20 μm haben, vorzugsweise von 0,1 bis 2 μm im Falle von schmalen Zellen (mit einer Breite im Bereich von 5 bis 50 mm) und vorzugsweise von 5 bis 20 μm im Fall der Verwendung von Zellen mit Breiten von 150 mm oder mehr. Andere mögliche Techniken zum Aufbringen von Metallschicht(en) auf ein gesamtes Modul in einem Arbeitsgang sind Stromlose- oder Strom-Plattierung. Geeignete Metalle für die Plattierung beinhalten Nickel, Palladium, Silber, Gold, Kupfer, Chrom, Zinn oder jede Kombination dieser Materialien. Die Erfindung ist nicht beschränkt auf diese Auswahl von Metallen, es können jegliche Materialien eingesetzt werden, die einen guten elektrischen Kontakt mit dem darunterliegenden Halbleiter bilden und die resistent gegenüber UV-Licht und jeglichen anderen störenden Kräften/physikalischen Bedingungen in Verbindung mit der normalen Verwendung von Solarpaneelen während der erwarteten Lebenszeit von Solarpaneelen und der folgenden Herstellungsschritte nach Ausbildung der Kontakte sind. Dies kann beinhalten bekannte, elektrisch leitende Kunststoffe und/oder andere Polymerzusammensetzungen wie Kohlenstoffpolymere, usw.
Erfindungsgemäß kann jeder Prozess zur Metallaufbringung und Strukturierung eingesetzt werden, solange das Frontglas den üblichen Temperaturen und der üblichen chemischen Umgebung standhält. Mögliche Prozesssequenzen für die Metallaufbringung und Strukturierung auf dem Modullevel des Frontglases kann folgende Schritte umfassen (aber ist nicht eingeschränkt auf):

– Verdampfung oder Kathodenzerstäubungsdeposition eines Metallstapels mit Gesamtdicke in einem Bereich von 0,1 bis 20 μm, gefolgt von Aufbringen eines Maskierungsmaterials für den metallnassätzenden Prozess. Die Maske für das Metallätzen kann entweder ein Polymermaterial sein (aufgebracht durch Sprüh-, Zentrifugal- oder Walzenbeschichtung) oder Siliziumoxid (aufgebracht durch chemische Dampfabscheidung oder Verdampfung). Die Strukturierung der Ätz-Maske kann durch Laserablation, Tintenstrahlätzen der Maske oder Tintenstrahlaufbringung von zusätzlich strukturierten Polymerschichten, gefolgt in jedem Fall von Metallätzen durch Nassverfahren,
– Alternativ kann eine dünne Metallkeimschicht durch Verdampfung oder Kathodenzerstäubung aufgebracht werden und wie oben beschreiben strukturiert werden, gefolgt von Plattierung zu einer Dicke von 1–20 μm,
– Alternativ kann eine dünne Metallkeimschicht durch Verdampfung oder Kathodenzerstäubung aufgebracht werden und durch direktes Laserritzen strukturiert werden, gefolgt von Plattierung zu einer Dicke von 1–20 μm,
– Alternativ kann die Metallschicht durch ein Abhebeverfahren wie folgt strukturiert werden; i) Aufbringen eines Polymerfilms (durch Sprüh-/Zentrigugal-/Walzenbeschichtung oder als vorgefertigter Film), ii) Strukturieren durch Laserablation, iii) Aufbringen einer Metallschicht durch Kathodenzerstäubung oder Verdampfung, und schließlich iv) Entfernen des Metalls zwischen Kontakten durch Abheben des Polymerfilms, entweder durch Auflösen des Polymermaterials in einer chemischen Lösung oder durch physikalisches Reißen oder Schälen des Films. Die Metallschicht, die an dem Polymerfilm befestigt ist, kann schließlich recycelt werden.
– Metallglühen. Ein Ausglühprozess kann verwendet werden, um den Metallkontakt zu dem darunterliegenden Halbleiter und die Leitfähigkeit des Metalls selbst zu verbessern, aber dies muss genügend kurz und nicht zu heiß sein, um weitere Beschädigungen anderer Elemente in der Struktur zu vermeiden, beinhaltend jeden Kleber, der benutzt wird, um die Zelle an das Frontglas zu befestigen.

Das Muster zum Ätzen der Metallschicht ist ausgewählt, so dass zwei deutliche Kontaktgebiete für jede Solarzelle und Zwischenverbindung zwischen den Zellen auf der metallischen Schicht nach dem Ätzen entstehen, ein Anschluss für die p-dotierte Gebiet und ein Terminal für die n-dotierte Gebiet. Der chemische Ätzmittel sollte die metallische Phase selektiv ätzen, um eine Zerstörung der darunterliegenden Passivierungs- und/oder Reflexionsschicht(en) oder des Frontglases zu vermeiden. Jedes säurehaltige oder alkalische Ätzmittel, das bekannt ist, die metallische Phase aufzulösen, aber nicht die darunterliegende Passivierungs- und/oder Reflexionsschicht(en) oder das Frontglas, kann als Ätzmittel eingesetzt werden.
Eine Option der Erfindung ist es, jeden Wafer in eine Zahl von einzelnen Gebieten oder Zellen aufzuteilen, in denen eine Zahl von Gräben ausgebildet sind, die in die Wafer um etwa 70% bis 100% der Wafer-Dicke hineinreichen, zum Beispiel durch die Verwendung von Laserritzen, chemischem Ätzen, Plasmaätzen, oder reaktivem Ionenätzen. Typische Breiten der schmalen Zellen liegen im Bereich von 5 bis 50 mm. Im Falle von schmalen Zellen ist die Metallschicht(en)dicke signifikant reduziert im Vergleich zu breiteren Zellenalternativen. Typische Metallschicht(en)dicken im Falle von schmalen Zellen liegen im Bereich von 0,1 bis 2 μm abhängig von der eigentlichen Zellbreite. Mit solch dünnen Metallschichten sind die bevorzugten Strukturierungstechniken: direkte Laserablation oder durch Aufbringen einer Polymermaske unter Verwendung von Tintenstrahlen gefolgt von chemischem Ätzen. Gebiete können durch die Verwendung von Laserritzen ausgebildet werden, wobei Laserritzen Gräben ausbildet, die um etwa 70 bis 100% der Dicke des Wafers in den Wafer hineinreichen.
Liste der Zeichnungen
1 zeigt ein Beispiel einer Solarzelle mit Kontakten auf der Rückseite gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt ein Beispiel für das Schneiden eines Cz-Stabs, um Donorsubstrate zur Herstellung rechteckiger Wafer herzustellen.
3 zeigt in einer schematischen Zeichnung, wie man einen zylindrischen Cz-Stab zum Pseudoquadrieren schneidet, gesehen vom oberen Ende des Stabs in Zugrichtung.
4 zeigt in einer schematischen Zeichnung, wie man einen halb-quadratischen Cz-Stab in Donorsubstrate schneidet.
5 zeigt die Seitenansicht eines Teils einer beispielhaften Ausführungsform eines Solarpaneels gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt ein Beispiel eines die Lücke zwischen den angrenzenden Wafer planarisierenden Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt ein weiteres Beispiel eines die Lücke zwischen den angrenzenden Wafern planarisierenden Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beispiel einer Ausführungsform der Erfindung
Die Erfindung wird nun detaillierter anhand eines Beispiels einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Dieses Beispiel sollte nicht als Einschränkung der generellen Idee der Kombinierung der Kontaktierung und der Zwischenverbindung von Solarzellen für das gesamte Modul in einem Prozessschritt interpretiert werden.
Die beispielhafte Ausführungsform der Erfindung setzt monokristalline Siliziumwafer ein, geschnitten aus rechteckigen monokristallinen Donorsubstraten, erstellt aus Czochralski (Cz)-gewachsenen Stäben, die in dicke Donorsubstrate geschnitten sind, wie in 2a) und 2b) gezeigt. Jeder Donorwafer ist nach dem Schneiden kantenbeschnitten und planarisiert, um gleichgroße und rechteckig geformte dicke Donorsubstrate zu bilden. Diese begünstigen, dass zwei oder mehr Donorsubstrate gleichzeitig zur Bildung von monokristallinen Siliziumwafern mit ähnlichen Dimensionen und gleichmäßig rechteckigen Formen verarbeitet werden können. Daher können die gebildeten Wafer aneinander angrenzend in einem regelmäßigen Muster auf das vordere Glas angeordnet werden, mit einer regelmäßigen schmalen Lücke zwischen den Wafern, die die Bildung von Metallverbindungen mittels Ausbringen und Strukturieren einer Metallschicht erlaubt. Typische Donorsubstratdicken können im Bereich von 1 mm bis zu 100 mm sein.
Wie 2a) zu entnehmen ist, wird der Mittelteil des monokristallinen Stabs, der mit der Bezugsziffer 1 gekennzeichnet ist, in longitudinaler Richtung geschnitten, um ein rechteckig geformtes Donorsubstrat, gekennzeichnet durch die Bezugsziffer 2, auszubilden. Mit dem Ausdruck „rechteckig geformtes Donorsubstrat” meinen wir ein durchgängiges Stück Halbleiter (im diesem Fall monokristallines Silizium) mit einer Form, so nahe wie praktisch möglich an einem rechteckigem Parallelepiped mit einer Länge a, Breite b und Höhe c. Mit „gleichgroß” meinen wir, dass Länge a, Breite b und Höhe c jedes Substrats so nah wie praktisch möglich für alle Donorsubstrate gleich sind. Typische Dimensionen von Cz-gewachsenen monokristallinen Stäben sind Zylinder mit einem Durchmesser im Bereich von 150 mm bis zu 300 mm und einer Länge von 50 cm bis zu mehr als 1 m. Wenn große Cz-gewachsene Stäbe benutzt und longitudinale Scheiben aus der mittleren Sektion des Zylinders geschnitten werden wie in 2b) gezeigt, dann ist es möglich, eine Anzahl von rechteckig geformten Donorsubstraten herauszuschneiden, die nach dem Beschneiden eine Länge zwischen 15 und 100 cm, eine Breite zwischen 15 und 30 cm und eine Höhe zwischen 1 mm und 10 cm besitzen. Alternativ, statt dem Sägen in longitudinaler Richtung, können die dicken Donorsubstrate aus dem quadratischen oder pseudoquadratischen Cz-Stab durch Sägen in einer Ebene senkrecht zur Zugrichtung geformt werden, siehe 3 und 4, was typische Flächendimension der Donorsubstrate von 10 mal 10 cm² bis zu 30 cm² und Dicken von 1 mm bis 10 cm erzeugt.
Als Alternative zu monokristallinen Wafern, ist es vorstellbar, dass preiswerte Solarpaneele auf Wafern basieren können, die aus multikristallinen Siliziumstäben gemacht sind, typischerweise (aber nicht notwendigerweise) erstellt mit dem Bridgeman Verfahren. Diese können Dimensionen von bis zu 70 × 70 × 30 cm³ besitzen. Es ist möglich, aus diesen Stäben im Wesentlichen quadratische multikristalline Donorsubstrate zu erhalten, deren Seiten Längen von bis zu 65 cm und eine Dicke von typischerweise 0,1 bis zu 5 cm haben. Mit im Wesentlichen quadratisch, meinen wir so nah wie praktisch möglich an einer quadratischen Form.
Es sind mindestens zwei Verfahren bekannt, um einen Siliziumwafer aus einem Siliziumdonorsubstrat zu erhalten, bei denen die ausgebildeten Wafer die gleiche Kristallordnung wie das Donorsubstrat haben und bei denen die Wafer auf dem Donorsubstrat gebildet werden und dann von dem Donorsubstrat separiert und auf ein Haltesubstrat transferiert werden. Beide Verfahren können eingesetzt werden, aber auch andere Verfahren können angewendet werden, solange sie die Ausbildung von mehr oder weniger planaren Wafern aus Halbleitermaterial mit Dicken von 20 bis zu 150 μm auf einem Donorsubstrat gefolgt von der Separation des ausgebildeten Wafers vom Donorsubstrat erlauben.
Eines der bekannten Verfahren basiert auf der Ausbildung einer porösen Schicht auf der Oberfläche des Donorsubstrats, gefolgt von epitaktischem Wachstum auf dem Siliziumwafer auf der porösen Schicht. Der epitaktische Wachstumsprozess bildet einen homogenen und durchgehenden Wafer auf der porösen Schicht (d. h. nicht porös) mit der gleichen Kristallordnung wie der Donor. Die zugrunde liegende poröse Schicht ist mechanisch schwächer als der gewachsene Wafer, sodass es möglich ist, den Wafer vom Donor mittels mechanischer Scherspannung, Ultraschall, Laserheizen, usw. zu separieren. Mit dieser Technologie wird das Donorsubstrat um wenige 10 nm auf wenige 10 μm für jedes Waferabheben reduziert und daher viele Male wiederbenutzt. Typische Donorsubstratdicken für diese Technologie sind im Bereich von 1 bis zu 5 mm. Ein Beispiel einer solchen Technologie ist in US 7 148 119 beschrieben.
Das andere Verfahren benutzt Ionenimplantation von Wasserstoffionen (Protonen) in einer gewissen Tiefe in das Donorsubstrat, und bildet daher eine verborgene Schicht mit hoher Spannung aus. Diese unter Spannung stehende Schicht kann durch Erhitzen des Donorsubstrats weiter geschwächt werden, sodass die Protonen Wasserstoffatome ausbilden, die die Siliziumbindungen schwächen und daher ermöglichen, dass ein Wafer in einem kontrollierten Spaltprozess abgehoben werden kann. Ein Beispiel einer solchen Technologie ist in US 6 890 838 offengelegt. Die Eindringtiefe der Protonen ist gesteuert und einstellbar bis zu 180 μm im Fall eines Siliziumdonorsubstrats durch die Regulierung der Energie des Protonenstrahls. Daher kann diese Technik eingesetzt werden, um Wafer mit Dicken im Bereich von 20 bis 150 μm auszubilden. Das zur Ausbildung der Stäbe und Donorsubstrate verwendete Siliziummaterial kann vorzugsweise ein vordotiertes Material sein. Typische Donorsubstratdicken für diese Technologie liegen im Bereich von 10 bis zu 100 mm.
Nach der Ausbildung eines Halbleiterwafers auf dem Donorsubstrat, kann der Wafer zur Verarbeitung auf ein Haltesubstrat transferiert oder individuell durch Reihenprozesse auf einer freistehenden Basis in halbfertige Solarzellen, vorbereitet zur Metallbeschichtung der Rückseite, verarbeitet werden. Der Transfer des Wafers auf ein Haltesubstrat hängt von der tatsächlichen Waferdicke ab. Alternativ können einige oder alle Prozessschritte zur halbgefertigten Solarzelle, vorbereitet zur Metallbeschichtung auf der Rückseite vor der Separierung vom Donorsubstrat am Wafer, vorgenommen werden. Wie bereits erwähnt, kann dieser Prozess von irgendeinem erdenklichen oder einem, einem Fachmann bekannten, Prozess gebildet werden, und es gibt keine Einschränkung in der Art des Passivierungsfilms, der Antireflexbeschichtung oder der Ausbildung der dotierten Gebiete des Halbleiterwafers, der genutzt wird. Daher ist eine detaillierte Beschreibung der Fertigung bis zum halbgefertigten Zustand nicht nötig.
Ebenso kann die Erfindung, obwohl die hier beschriebenen Beispiele auf Wafer auf Donorsubstraten basieren, natürlich auch auf konventionelle Wafer, die aus CZ-Stäben oder polykristallinen Stäben/Blöcken gesägt wurden, angewendet werden.
Die Solarzellen gemäß dieser Ausführungsform können eine optionale vordere Oberflächenschicht besitzen, die n-dotiert ist. Die Substratdotierung kann von beiderlei Art sein. Auf der Rückseite des Halbleiterwafers ist ein ineinandergreifendes Muster von n+ und p+ dotierten Gebieten ausgebildet. Beide Seiten der Waferoberfläche werden passiviert durch eine oder mehrere Schichten, ausgewählt von: Eine Schicht von hydriertem amorphem Silizium, hydriertem amorphen Siliziumnitrit oder Siliziumoxid. Die Passivierungsschichten haben Dicken im Bereich von 1 bis 200 nm. Die Oberflächenpassivierungsschicht auf der Vorderseite dient auch als Antireflexbeschichtung. Die amorphe Siliziumschicht kann mit amorphem Siliziumkarbid legiert werden und/oder bedeckt mit einer Schicht von amorphem Siliziumnitrit.
Die Ausbildung des monokristallinen Siliziumwafers mit dotierten Gebieten und der vorderen Passivierungsfilme sind in den Prozess zur Ausbildung halbgefertigter Wafer, vorbereitet für die Metallbeschichtung der Rückseite, einbezogen. All diese Prozessschritte können ausgeführt werden, wenn die Wafer am Haltesubstrat befestigt sind. Die Ausbildung der vorderen Schicht mit n-leitenden eindiffundierten Dotierelementen kann durch die Nutzung von n-dotierten Haltesubstraten und Erhitzen des Substrats und des Wafers erreicht werden. Alternativ können all diese Prozessschritte auf einer freistehenden Halterung (nicht unmittelbar mit irgendeinem Substrat verbunden) durchgeführt werden, wenn der Wafer ausreichende Dicke/mechanische Stabilität besitzt. Die beiden alternativen Technologien zur Herstellung des Wafers werden vermutlich im bevorzugten Prozess zur Herstellung der halbgefertigten Zelle vor dem Transfer und der Befestigung derselben auf dem vorderen Glas anders aussehen.
Der nächste Schritt ist der Transfer der halbgefertigten Wafer und deren Befestigung mit einer oberflächenpassivierten Seite nach unten weisend auf dem Frontglas, nebeneinander in einem regelmäßigen Muster, sodass sich schmale und gleichmäßige Lücken zwischen den Solarzellen in der Größenordnung von 0,1 bis zu 2 mm ausbilden. Im Anschluss an die Befestigung auf dem Frontglas können die halbgefertigten Wafer in eine Anzahl von schmalen Solarzellen aufgeteilt werden. Dies wird durch die Möglichkeit der Erhöhung der Solarmodulausgangsspannung und reduzierte Metallschichtdicke angeregt. Die Aufteilung der Wafer in schmale Zellen kann durch Laserritzen ausgeführt werden. Alternativ wird die Aufteilung der Wafer durch chemisches Laserätzen, Nassätzen von Silizium, Plasmaätzen oder reaktivem Ionenätzen ausgeführt.
Danach wird das gesamte Frontglas mit befestigtem Wafer der halbgefertigten Zellen in eine PECVD-Kammer zur Aufbringung einer entsprechenden Passivierungsschicht transferiert. Zusätzlich zur Oberflächenpassivierungsschicht kann eine Polymerbeschichtung aufgebracht werden, um die Oberflächenstufen zu glätten und die interne Reflektionscharakteristik der Oberfläche der Rückseite der Zelle zu erhöhen. Die Polymerbeschichtung sollte eine weiße Farbe haben, um gute optische Eigenschaften zu haben, um die interne Reflektion der Oberfläche der Rückseite zu erhöhen. Die weiße Polymerbeschichtung kann mittels Tintenstrahldeposition aufgebracht und strukturiert werden. Das strukturierte weiße Polymer kann als Ätzmaske zum Ätzen der Kontaktlöcher in der zugrundeliegenden Passivierungsschicht dienen, um elektrische Kontakte zwischen den dotierten Gebieten des Halbleiterfilms und der Metallschicht, die aufgebracht werden soll, herzustellen.
Zusätzlich können in einem anschließenden Schritt vor der Aufbringung des Metalls, die Oberflächenstufen der Lückenzonen geglättet und planarisiert werden durch i) Entfernung der Kante des Siliziumwafers, zum Beispiel durch Laserschleifen (laser grinding), ii) Aufbringen von Material an der Seitenwand des Wafers, zum Beispiel durch Aufbringen von Material mit einer Düse (Tintenstrahl) oder einem vorgefertigten Material, oder iii) Auffüllen der gesamten Lücke zwischen den Wafern mit einem geeigneten Material, Polymer, Glas, Epoxid, usw.
Direkt vor der Metallaufbringung sollten die unbedeckten dotierten Gebiete des Halbleiters von Rückständen und Oberflächenoxiden mittels chemischem oder Plasmaätzen gereinigt werden.
Die Metallschichtaufbringung kann durch Kathodenzerstäubung von Aluminium geschehen. Nach der Aufbringung der Metallschicht, ist die Metallschicht durch lokales selektives Ätzen aufgeteilt, um ein metallisches Muster auszubilden, das die elektrischen Kontakte auf jeder Zelle ausbildet und Verbindungen zwischen den angrenzenden Zellen des Solarpaneels/-moduls ausbildet. Die Metallstrukturierung wird erreicht durch Tintenstrahlaufbringung einer strukturierten Ätzmaske, gefolgt von Metallätzen.
Der elektrische Kontakt zwischen Metall und Silizium wird vollendet durch einen Kontaktausglühprozess, der kurz und nicht zu heiß sein muss, um Beschädigungen der Struktur sowie jedweden Klebers, der benutzt wurde, um die Wafer an dem Frontglas zu befestigen und dem Frontglas selbst, zu vermeiden.
Der Ausglühprozess zur Ausbildung des Metall-Silizium Kontakts hängt vom verwendeten Metallsystem und dem Widerstand der Siliziumkontaktfläche ab. Typische Kontaktausglühprozesse haben einen Temperaturbereich von 200–300°C und eine Dauer von wenigen Minuten bis zu 30 Minuten.
An diesem Punkt sind die Solarzellen in einem funktionsfähigen Zustand, sodass das Solarpaneel/-modul durch Montieren des vorderen Glases in einen tragfähigen Rahmen fertiggestellt werden kann.
Eine Seitenansicht eines Teils des Solarpaneels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist in 5 gezeigt. Das in der Abbildung gezeigte Paneel kann wie folgt ausgebildet sein:
Eine Menge von monokristallinen Siliziumwafern mit Dicken im Bereich von 50 bis 100 μm, gefertigt aus CZ-gewachsenen Donorsubstraten sind vorgefertigt, sodass jeder Wafer ein ineinandergreifendes Muster von n-dotierten 101 und p-dotierten 102 Zonen und eine oder mehrere aufgebrachte dielektrische Oberflächenpassivierungsfilme 103 auf der Vorderseite erhält. Dann werden die Wafer mit ihrer Vorderseite (die Oberfläche mit der/den aufgebrachten Passivierungsschicht(en) und optional auch einem antireflektierendem Film) nebeneinander auf das Frontglas gelegt und mit einer Kleberschicht befestigt.
Wenn die vorgefertigten Wafer auf dem Frontglas befestigt sind, sind sie in mehrere schmale Gebiete (Zellen) von etwa 10 mm Breite mittels Laserablation aufgeteilt. Die Laserablation wird auch benutzt, um einen Anteil der rückseitigen Kanten des Wafers zu entfernen, sodass die Wafer von der Seite gesehen wie ein gleichschenkliges Trapezoid (Trapez mit übereinstimmenden Winkeln) aussehen. Der Winkel ist ungefähr 70°.
5 zeigt zwei solcher schmalen kantenbeschnittenen Bereiche des Wafers 100, die am Frontglas 104 mit einer Kleberschicht 105 befestigt sind. Das ineinandergreifende Muster der n- und p-dotierten Gebiete ist jeweils als schraffierte Fläche 101 und 102 dargestellt. Die Laserablation resultiert in Gräben 108.
Wenn die Wafer in schmale Gebiete geteilt sind, so wird die gesamte Rückseite des Frontglases inklusive befestigte Wafer in eine PECVD-Kammer transferiert und mit (einer) ähnlichen Oberflächenpassivierungsschicht(en) 103a wie die Vorderseite des Wafers versehen. Dann wird eine reflektierende Polymerbeschichtung 107 mittels strukturierende Tintenstrahldeposition auf die rückseitige Oberflächenpassivierungsschicht(en) 103a gelegt und ausgerichtet an den n- und p-dotierten Gebiete 101 und 102. Der nächste Schritt ist die lokale Entfernung der rückseitigen Passivierungsschicht(en) 103a. Dies wird erreicht mittels der Benutzung eines chemischen Ätzmittels, das selektiv auf die Passivierungsschicht(en) 103a wirkt, wobei die strukturierte Polymerbeschichtung 107 als Ätzmaske wirkt.
Wenn die Kontaktöffnungen ausgebildet werden, wird die gesamte Rückseite des Frontglases inklusive befestigtem Wafer mit einer Schicht aus Aluminium mittels Dampfabscheidung beschichtet. Die Aluminiumschicht ist etwa 1 μm dick. Schließlich wird die Rückseite des Frontglases durch lokales Ätzen der aufgebrachten Aluminiumschichten in Gebiete 109 gefertigt, sodass die angrenzenden schmalen Gebiete des Wafers 100 seriell miteinander verbunden werden.
6 zeigt ein ähnliches Paneel wie 5, aber jetzt im Stadium nach der Kantenbeschneidung des Wafers 100. In diesem Fall wird die Kantenbeschneidung durch das Aufbringen eines Materials 110, das die Lücke zwischen angrenzenden Wafer füllt, durchgeführt. 7 stellt eine ähnliche Situation dar, aber jetzt wird die Kantenbeschneidung durch das Drücken der Wafer in die Kleberschicht 105 durchgeführt, sodass der Kleber teilweise in die Fläche 108 zwischen den Wafer eindringt.
Nach der Vollendung des Metallkontakts und des Verbindungsprozesses auf der Rückseite des Frontglases, geht das Frontglas durch einen standardisierten Modulprozess, bei dem die Zellen und Zwischenverbindungen auf der Rückseite vor der Umgebung mittels Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA) und schützender Rückseitenfolie (zum Beispiel Tedlar oder Glas) in einem Laminierprozess bei erhöhter Temperatur in Vakuum versiegelt/geschützt werden. Schließlich kann das laminierte Modulsandwich mechanisch durch einen Metallrahmen verstärkt und elektrisch durch eine Diodenanschlussbox verbunden/geschützt werden.
Zusammenfassung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen und deren photovoltaischen Paneelen. Das Verfahren zur Herstellung der Solarpaneele umfasst das Einsetzen einer Zahl von Halbleiterwafern und/oder Halbleitersheets von Filmen, vorgefertigt, um deren Rückseite mit Metall zu beschichten. Dazu werden die Halbleiterwafer/Sheets von Filmen nebeneinander mit der Vorderseite nach unten gerichtet auf die Rückseite eines Frontglases platziert und angebracht, bevor nachfolgende Verfahrensschritte durchgeführt werden. Diese nachfolgenden Verfahrensschritte umfassen die Aufbringung von wenigstens einer Metallschicht, die das gesamte Frontglas inklusive der Rückseite der angebrachten Wafer/Sheets von Filmen bedeckt. Die metallische Schicht wird dann in elektrische isolierte Kontakte für jede Solarzelle und in Zwischenverbindungen zwischen angrenzenden Solarzellen strukturiert/aufgeteilt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6337283 [0009]
US 4292092 [0011]
US 6518596 [0013]
US 7148119 [0049]
US 6890838 [0050]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Keevers et al. [0012]

Claims

Verfahren zum Herstellen von Solarpaneelen/-modulen umfassend folgende Schritte: – Einsetzen einer Zahl von Halbleiter-Wafern, die bis zu einem Punkt vorverarbeitet sind, wo wenigstens ihre vordere Oberfläche fertiggestellt ist, um auf einem Frontglas eines Solarpaneels/-moduls befestigt zu werden, aber welche auch ein oder mehrere Prozessschritte für die Rückseite des Wafers beinhalten können bis zur, aber nicht beinhaltend, Metallbeschichtung zum Ausbilden von elektrischen Kontakten, – Platzieren und Anbringen der vorgesehenen Zahl von vorverarbeiteten Wafer, so dass diese aneinander angrenzen und mit ihrer Vorderseite nach unten zur Rückseite des Frontglases gerichtet sind, – Aufbringen von wenigstens einer Metallschicht, die die Rückseite des Frontglases, beinhaltend der Rückseite der vorverarbeiteten Wafer, abdeckt, und – Strukturieren/Aufteilen der aufgebrachten Metallschicht(en) in wenigstens ein einzelnes Gebiet, das die elektrischen Kontakte für jede Solarzelle und die Modulzwischenverbindungen zwischen angrenzenden Solarzellen ausbildet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vorverarbeitung der vorderen Oberfläche der Wafer ein oder mehrere der folgenden Prozessschritte umfasst: Oberflächentexturierung/zerstörendes Ätzen, Eindiffusion von Dotierelementen, Aufbringen von Oberflächenpassivierungsfilmen und Aufbringen von Antireflexbeschichtung, und dadurch, dass – die Vorverarbeitung der hinteren Oberfläche einen oder mehrere der folgenden Prozessschritte umfasst: Aufbringen und Diffusion von Dotierelementen, Aufbringen und strukturiertes Ätzen von Heteroübergangskontaktschichten, Aufbringen von reflektierender Beschichtung auf der Rückseite, Aufbringen von Oberflächenpassivierungsschichten auf der Rückseite, lokalisiertes Ätzen der Passivierungsschichten, um Kontaktöffnungen zu den dotierten Gebieten des darunterliegenden Wafers/Sheets von Film auszubilden, Texturieren und Glätten/Planarisieren von Waferkanten.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeschichtung das Aufbringen eines gestapelten Systems von Metallschichten beinhaltet, das in wenigstens ein einzelnes Gebiet strukturiert/aufgeteilt ist, das die elektrischen Kontakte für jede Solarzelle und die Modulzwischenverbindungen zwischen angrenzende Solarzellen herstellt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wafer durch die Verwendung von Klebstoff mit einer Dicke im Bereich von 1 bis 50 μm, bevorzugt einer Dicke im Bereich von 10 bis 20 μm, an einem transparenten Substrat angebracht sind und – der Klebstoff durch eine der folgenden Techniken aufgebracht ist: Zentrifugalbeschichtung, Sprühbeschichtung, Walzenbeschichtung, Schmelzaufbringung oder Tintenstrahldrucken.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass das Glätten/Planarisieren von Waferkanten durch einen der folgenden Prozessschritte erreicht wird: – i) Entfernen eines Teils der Kanten auf der Rückseite des Wafers, zum Beispiel durch Laserablation, – ii) Aufbringen eines geeigneten Materials entlang der Kanten und/oder im Raum zwischen den Wafern, um eine glatte, kontinuierliche Oberfläche zwischen angrenzenden Wafern zu bilden, zum Beispiel durch die Verwendung von Tintenstrahldruck oder Befestigen von vorgefertigten Elementen, oder – iii) durch Beschichten beider, der Rückseite der Zellen und der Lücken zwischen den Zellen mit einem Polymermaterial, bevorzugt mit einem Polymermaterial, das eine hohe optische Reflexion hat, einem glättenden Effekt auf Oberflächenkanten hat und zum Beispiel durch die Verwendung von Zentrifugalbeschichtung, Sprühbeschichtung, Walzenbeschichtung oder Tintenstrahldrucken aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung von Schritt i), – das Entfernen der Kanten auf der Rückseite des Wafers ein Winkel zwischen den Waferseitenwänden und dem transparenten Substrat von weniger als 70°, bevorzugt in einem Bereich von 30° bis 60°, ergibt.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung von Schritt ii), – das aufgebrachte Material zwischen angrenzenden Wafer oder Zellen durch Verwendung von Tintenstrahldrucken oder einer Düse aufgebracht wird, und – dass das aufgebrachte Material benetzende Eigenschaften auf der hinteren Silizium Oberfläche oder den Seitenflächen der Wafer hat und in einer Menge aufgebracht ist, die in einem Kontaktwinkel von weniger als 70°, bevorzugt in einem Bereich von 30° bis 50°, resultiert.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – das Glätten/Planarisieren von den Spalten zwischen Waferkanten durch die Akkumulation von genug Klebstoff in den Spalten zwischen aufeinander folgenden Wafer durch Drücken der Wafer gegen den Klebstoff und das transparente Substrat erreicht wird, so dass Klebstoff in die Spalte zwischen zwei aufeinander folgenden Wafer gepresst wird, wobei – der angelegte Druck auf den Wafer so angepasst ist, dass Klebstoff die vertikale Stufenfläche zwischen Wafer und dem transparenten Substrat mit mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 70%, auffüllt und – der Kontaktwinkel zwischen Klebstoff und Waferkantenfläche weniger als 70°, vorzugsweise in einem Bereich von 30° bis 50°, liegt.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht oder der Stapel von Metallschichten in einer gesamten Dicke im Bereich von 0,1 bis 20 μm aufgebracht wird, mittels – Verdampfung oder Kathodenzerstäubung, oder – Strom- oder Stromlos-Plattierung.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht strukturiert ist durch entweder: – i) Aufbringen eines Abdeckungsmaterials auf das aufgebrachte Metall, gefolgt von Laserablation des Abdeckungsmaterials, gefolgt von der Verwendung einer Ätz-Flüssigkeit, um das dieser ausgesetzte Metall zu entfernen, und schließlich gefolgt von Verwendung einer geeigneten Flüssigkeit, um das Abdeckungsmaterial zu entfernen, – ii) Aufbringen eines Abdeckungsmaterials, das direkt die gewünschte Struktur aufweist, wobei ein Tintenstrahlprozess verwendet wird, gefolgt von chemischem Ätzen von nicht abgedeckten Flächen, oder – iii) Verwenden von Laser-Ritzen, was direkt das gewünschte Muster ausbildet.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenn Schritt i) oder ii) verwendet werden, die Abdeckung ein Polymermaterial, das durch Zentrifugal-, Sprüh- oder Walzenbeschichtung aufgebracht wird, oder Siliziumoxid, das durch chemische Dampfabscheidung oder Verdampfung aufgebracht wird, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht nachfolgend in einem nasschemischen Ätzprozess geätzt wird, der stark selektiv wirkt, also nur auf die Metallschicht, um Schaden an anderen Teilen der Struktur durch Verwendung von einer Kombination von Alkalilösungen oder säurehaltigen Lösungen zu minimieren.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerfilm oder -schicht vor Aufbringung der Metallschicht(en) aufgebracht wird und dass die Metallschicht(en) in einem Abhebeprozess strukturiert werden, umfassend, – Aufbringen eines Polymerfilms durch Sprüh-/Zentrifugal-/Walzenbeschichtung oder durch Anbringen eines vorgefertigten Films, – Strukturierung des Polymerfilms durch Laserablation, – Aufbringen der Metallschicht durch Verdampfung oder Kathodenzerstäubung, und – Entfernen des Metalls, um das gewünschte Muster durch Abheben des Polymerfilms auszubilden, wobei entweder das Polymermaterial in chemischer Lösung aufgelöst wird oder der Film physikalisch abgerissen oder abgeschält wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Metallschicht(en) geglüht wird/werden, um einen stabilen und niedrigohmigen Kontakt zwischen der/den Metallschicht(en) und dem Halbleiter zu ermöglichen.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wafer aus multikristallinem oder monokristallinem Silizium gefertigt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass – jeder Wafer durch die Ausbildung von Gräben in eine Vielzahl von schmalen Gebieten aufgeteilt wird, die zu ungefähr 70 bis 100% der Dicke der Wafer in die Wafer hineinragen und – die Gräben durch die Verwendung von Laserschneiden oder Ablation, chemischem Ätzen, Plasmaätzen oder reaktivem Ionenätzen ausgeformt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass – die Breite der schmalen Gebiete in einem Bereich von 5 bis 50 mm liegt, und – die Dicke des aufgebrachten Metallsystems, das die elektrischen Kontakte ausbildet, in einem Bereich von 0,1 bis 2 μm liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wafer von einem Donorsubstrat hergestellt werden, entweder durch: – Ausbilden einer porösen Schicht auf dem Donorsubstrat, epitaktisches Wachsen auf einer Siliziumschicht mit einer Dicke im Bereich von 20 bis 150 μm und dann Separieren des Wafers durch die Verwendung von mechanischer Scherspannung, Ultraschall oder Laserheizen, oder – Implantieren von Wasserstoffionen mittels Protonstrahl mit einer Tiefe von etwa 20–150 μm im Donorwafer und dann Separieren des Wafers durch die Verwendung von mechanischer Scherspannung, Ultraschall oder Laserheizen.
Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der vorverarbeitenden Schritte in Anspruch 2 an den Wafer durchgeführt werden, wenn diese mit dem Donorsubstrat verbunden sind, das heißt bevor sie vom Donorsubstrat separiert werden.
Solarpaneel/-modul umfassend: – ein transparentes Frontglas, – eine Zahl von Halbleiterwafern, wobei jeder einzelne verarbeitet ist, um halbfertige Solarzellen auszubilden, und wobei diese Halbleiterwafer nebeneinander auf der Rückseite des transparenten Frontglases angebracht sind, und – wobei die elektrischen Kontakte der Solarzellen und die Zwischenkontakte, die angrenzenden Solarzellen des Solarpaneels/-moduls miteinander verbinden, durch eine strukturierte Metallschicht ausgebildet sind, die die Rückseite des Frontglases, beinhaltend die Rückseite der angebrachten halbfertigen Solarzellen, bedeckt.
Solarpaneel/-modul gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wafer aus einem der folgenden Elemente hergestellt sind: Si, Ge, InP, oder GaAs.
Solarpaneel/-modul gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wafer aus monokristallinem Silizium mit einer Dicke von 150 μm oder weniger, vorzugsweise mit einer Dicke von 20 bis 80 μm, hergestellt sind und die angrenzend nebeneinander gelegt werden, wobei die Lücke zwischen angrenzenden Wafern/Sheets von Filmen im Bereich von 0,1 bis 2 mm liegt.
Solarpaneel/-modul gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachte Metallschicht aus einem der folgenden Elemente hergestellt ist: Nickel, Palladium, Titan, Silber, Gold, Aluminium, Kupfer, Wolfram, Chrom, Vanadium, Zinn oder jede beliebige Kombination dieser Materialien.
Solarpaneel/-modul gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachte Metallschicht durch einen elektrisch leitenden Kunststoff und/oder andere Polymerzusammensetzungen wie zum Beispiel Kohlenstoffpolymere ersetzt ist.
Solarpaneel/-modul gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Lücken der Wafer, die auf das vordere Substrat angebracht sind, durch Befüllen mit Polymer, Glas oder Epoxid planarisiert sind.