DE202015103518U1

DE202015103518U1 - Solarzelle mit optimierten lokalen Rückkontakten

Info

Publication number: DE202015103518U1
Application number: DE202015103518.7U
Authority: DE
Original assignee: SolarWorld Innovations GmbH
Current assignee: SolarWorld Innovations GmbH
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2025-07-04
Also published as: US20170005212A1

Abstract

Solarzelle (104), aufweisend: • ein Silizium-Substrat (132) mit einer Vorderseite (148) und einer Rückseite (134); • eine dielektrische Schichtstruktur (138) auf der Rückseite (134) des Silizium-Substrats (132), wobei die dielektrische Schichtstruktur (138) mehrere Durchgangsöffnungen (158) aufweist, mittels derer die Rückseite (134) des Silizium-Substrats (132) freigelegt ist; • eine gedruckte Aluminium-haltige Metallisierungsschicht (136) auf der dielektrischen Schichtstruktur (138) auf der Rückseite (134) des Silizium-Substrats (132) und zumindest teilweise in den Durchgangsöffnungen (158) zum elektrischen Kontaktieren der Rückseite (134) des Silizium-Substrats (132); • wobei in einem ersten Bereich (152) die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht (136) eine geringere Schichtdicke aufweist als in einem zweiten Bereich (154), oder der erste Bereich (152) frei ist von der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht (136); • wobei mindestens eine Durchgangsöffnung (158) der mehreren Durchgangsöffnungen zumindest teilweise in dem ersten Bereich (152) angeordnet ist oder an den ersten Bereich (152) angrenzt oder einen Abstand zum ersten Bereich (152) von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 50 μm aufweist.

Description

Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen eine Solarzelle mit optimierten lokalen Rückkontakten.
Solarzellen sind Bauelemente, welche elektromagnetische Strahlung, insbesondere Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie umwandeln. Sie werden beispielsweise in Kraftwerken und in der Raumfahrt zur Energiegewinnung eingesetzt.
Eine Solarzelle kann ein Substrat, z. B. ein Silizium-Substrat, mit einer Vorderseite (auch Sonnenseite oder Lichteinfallsseite genannt), welche Licht empfängt, und einer Rückseite aufweisen.
Herkömmliche Solarzellen weisen auf ihrer Rückseite einen Rückseitenkontakt (im Folgenden auch bezeichnet als Metallisierungsschicht) auf, welcher beispielsweise mittels Druckens, beispielsweise Siebdruckens einer Aluminium-Paste („Al-Paste”) auf die Rückseite der Solarzelle hergestellt wird. Bei Siebdruck wird die Al-Paste beispielsweise durch ein feinmaschiges Gewebe mittels einer sogenannten Rakel gedruckt und somit eine Aluminium-haltige Metallisierungsschicht erzeugt.
Eine solche Metallisierungsschicht unterliegt in einem Herstellungsverfahren einer Solarzelle Veränderungen. Aufgrund der Viskosität der Al-Paste stimmt üblicherweise die Gestaltung des Siebes („Sieblayout”) nicht mit dem Druckbild der Al-Paste auf der Rückseite der Solarzelle identisch überein.
Üblicherweise wird bei einer so genannten PERC-Solarzelle (passivated emitter and rear cell, passivierte Emitter- und Rückseitenzelle), welche ein Silizium-Substrat aufweist, auf der Rückseite der PERC-Solarzelle eine dielektrische Schichtstruktur aufgebracht. Die dielektrische Schichtstruktur wird üblicherweise zur Verringerung von Ladungsträgerrekombination („Passivierung”) an der Rückseiten-Oberfläche des Silizium-Substrats eingesetzt. Eine PERC-Solarzelle erreicht mittels dieser Passivierung üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad als beispielsweise eine herkömmliche Al-BSF-Solarzelle (BSF: back surface field, Rückseiten-Oberflächenfeld), welche keine dielektrische Schichtstruktur auf der Rückseite der Solarzelle aufweist.
Bei einer herkömmlichen PERC-Solarzelle verlaufen Durchgangsöffnungen durch die dielektrische Schichtstruktur hindurch, welche das Silizium-Substrat teilweise freilegen. Beispielsweise werden diese Durchgangsöffnungen mittels eines Laserprozesses (beispielsweise in verschiedenen Formen von beispielsweise Kreisen, durchgehenden oder regelmäßig unterbrochenen Linien) in die dielektrische Schichtstruktur eingebracht wie in DE 10 2013 111 634 A1 beschrieben. Eine Aluminium-haltige Metallisierungsschicht wird flächig mittels Siebdruckens einer Al-Paste auf der dielektrischen Schichtstruktur und in den Durchgangsöffnungen gebildet. Beispielsweise können lediglich Kontaktbereiche, an denen die Solarzellen später verlötet werden sollen, stattdessen oder zusätzlich mit einer lötfähigen Silber-Paste („Ag-Paste”) bedruckt werden.
Mit dem Gebiet einer Durchgangsöffnung ist das Volumen der Metallisierungsschicht (bzw. auch gedruckt, getrocknet und geschmolzen) gemeint, welches direkt auf der Durchgangsöffnung aufliegt. Beispielsweise wäre, falls eine Durchgangsöffnung eine kreisförmige Grundfläche hat, das Gebiet der Durchgangsöffnung ein Zylinder mit derselben kreisförmigen Grundfläche und mit der Höhe der Schichtdicke (in dem Fall einer homogenen Schichtdicke) der Metallisierungsschicht, welche direkt auf der Durchgangsöffnung aufliegt.
Nach dem Siebdrucken und dem Trocknungsprozess werden in einer anschließenden Temperaturbehandlung (dem sogenannten „Feuerprozess” oder „firing” oder auch „co-firing” in einem Temperaturbereich von ca. 700°C–900°C) die Aluminium-Partikel in der Al-Paste aufgeschmolzen. Das aufgeschmolzene Aluminium löst Silizium aus dem Silizium-Substrat in den Bereichen, in denen das Silizium-Substrat mittels der eingebrachten Durchgangsöffnungen direkten Kontakt mit der geschmolzenen Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht hat. Das aufgeschmolzene Aluminium bildet zusammen mit dem gelösten Silizium eine flüssige Phase, die Aluminium-Silizium-Schmelze. Diese wird während des „Feuerprozesses” mit Si angereichert und überschreitet einen Si-Massenanteil von 12.5%, so dass sich beim Abkühlen ein BSF an der Grenzfläche Siliziumsubstrat zur Al-Si-Schmelze bilden kann. Das Volumen der Al-Si-Schmelze ist abhängig von dem Volumen des vorhandenen geschmolzenen Aluminiums, in welches das gelöste Silizium ausdiffundieren kann. Da das gelöste Silizium auch in umgebendes Aluminium außerhalb des Gebietes einer jeweiligen Durchgangsöffnung ausdiffundieren kann, kann sich eine großräumige Al/Si-Schmelze bilden.
Bei einer anschließenden Abkühlphase nach dem Feuerprozess rekristallisiert gelöstes Silizium aus der Al/Si-Schmelze auf das Silizium-Substrat in den Durchgangsöffnungen. Während der Rekristallisation des vorher gelösten Siliziums wird in dessen Kristallgitter Aluminium eingebaut. Da Aluminium als Dotant in Silizium fungieren kann, wird mittels des rekristallisierten Siliziums mit eingebautem Aluminium ein sogenanntes Al-BSF (Aluminium Back-Surface-Field, Aluminium Rückseitenfeld) gebildet. Sinkt die Temperatur unter 577°C, erstarrt schließlich die Schmelze mit einem Si Massenanteil von 12.5% zum Al-Si-Eutektikum.
Das gelöste Silizium kann während des Feuerprozesses aus den Gebieten der Durchgangsöffnungen in dem geschmolzenen Aluminium der geschmolzenen Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht ausdiffundieren. Dadurch wird die Konzentration von gelöstem Silizium in den Gebieten der Durchgangsöffnungen gesenkt. Dies kann dazu führen, dass während der Rekristallisation des gelösten Siliziums in der Abkühlphase in der Umgebung der Durchgangsöffnungen zu wenig Silizium zur Bildung eines geeigneten Al-BSFs zur Verfügung steht. Beispielsweise kann sich teilweise kein Al-BSF bilden oder nur ein Al-BSF mit einer geringen Dicke (d. h. beispielsweise unter 1 μm). Bei einer geringen Dicke oder einem fehlendem Al-BSF ist die Ladungsträgerrekombination in der Solarzelle verstärkt und der Wirkungsgrad der Solarzelle wird hierdurch begrenzt.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Solarzelle mit einer rückseitigen Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht bereitgestellt, wobei während einem Feuerprozesses die Konzentration von gelöstem Silizium in der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht lokal erhöht ist oder wird.
Die lokale Erhöhung der Silizium-Konzentration beeinflusst die Homogenität und die Dicke des Al-BSFs.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Solarzelle bereitgestellt, welche aufweist: ein Silizium-Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite; eine dielektrische Schichtstruktur auf der Rückseite des Silizium-Substrats, wobei die dielektrische Schichtstruktur mehrere Durchgangsöffnungen aufweist, mittels derer die Rückseite des Silizium-Substrats freigelegt ist; eine gedruckte Aluminium-haltige Metallisierungsschicht auf der dielektrischen Schichtstruktur auf der Rückseite des Silizium-Substrats und zumindest teilweise in den Durchgangsöffnungen zum elektrischen Kontaktieren der Rückseite des Silizium-Substrats; wobei in einem ersten Bereich die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht eine geringere Schichtdicke aufweist als in einem zweiten Bereich, oder der erste Bereich frei ist von der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht; wobei mindestens eine Durchgangsöffnung der mehreren Durchgangsöffnungen zumindest teilweise in dem ersten Bereich angeordnet ist oder an den ersten Bereich angrenzt oder einen Abstand zum ersten Bereich von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 50 μm aufweist.
Unter einer gedruckten Metallisierungsschicht kann eine Metallisierungsschicht nach erfolgtem Druckprozess verstanden werden, beispielsweise nach erfolgtem Siebdruck oder Inkjet-Druck. Unter einer getrockneten Metallisierungsschicht kann die gedruckte Metallisierungsschicht nach einem Trocknungsprozess (beispielsweise einer Temperaturbehandlung bei ca. 300°C) verstanden werden. Unter einer geschmolzenen Metallisierungsschicht kann die getrocknete Metallisierungsschicht verstanden werden, welche während des unten beschriebenen Feuerprozesses zumindest teilweise aufgeschmolzen ist.
Eine dielektrische Schichtstruktur kann eine einzelne Schicht oder ein Schichtstapel mit mehreren Schichten, beispielsweise aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliziumkarbid oder einer Kombination davon, aufweisen. Die dielektrische Schichtstruktur kann mehrere Funktionen erfüllen. Für beispielsweise eine PERC-Solarzelle kann sie eine Maske darstellen, mittels derer eine Aluminium-haltige Metallisierungsschicht (bzw. auch gedruckt, getrocknet und geschmolzen) nicht (bzw. nur in vorgesehenen Bereichen wie Durchgangsöffnungen) in direktem Kontakt mit dem Silizium-Substrat steht. Außerdem kann eine solche dielektrische Schichtstruktur die Oberfläche des Silizium-Substrats passivieren. Dies bedeutet, dass die Rekombination von Ladungsträgern gesenkt ist. Außerdem kann die dielektrische Schichtstruktur mittels geeigneter Wahl des oder der optischen Brechungsindizes der eingesetzten Materialien die Funktion eines dielektrisches Spiegels besitzen. Beispielsweise besteht die Wahrscheinlichkeit, dass langwelliges Licht (beispielsweise in einem Bereich einer Wellenlänge von ungefähr 950 bis ungefähr 1150 nm), welches durch die Vorderseite der Solarzelle dringt, bei einem ersten Durchgang durch das Silizium-Substrat kein Ladungsträgerpaar erzeugt. Mittels eines dielektrischen Spiegels an der Rückseite des Silizium-Substrats kann dieses langwellige Licht reflektiert werden und so einen zweiten Durchgang durch das Silizium-Substrat und damit eine erhöhte Wahrscheinlichkeit der Ladungsträgerpaarerzeugung ermöglichen. Die dielektrische Schichtstruktur, welche die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht (bzw. auch gedruckt, getrocknet und geschmolzen) teilweise von dem Silizium-Substrat trennt, kann elektrisch isolierend sein. Allerdings können auch elektrisch leitfähige Schichten zu der dielektrischen Schichtstruktur hinzugefügt werden, so dass der elektrische Gesamtwiderstand der Solarzelle beeinflusst werden kann.
Die Durchgangsöffnungen in der dielektrischen Schichtstruktur, welche das Silizium-Substrat freilegen, ermöglichen der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht (bzw. auch gedruckt, getrocknet und geschmolzen) den direkten Kontakt zu dem Silizium-Substrat.
Die dielektrische Schichtstruktur kann eine Schichtdicke im Nanometerbereich (beispielsweise kleiner als 200 nm) aufweisen und die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht kann sowohl vor als auch nach dem Feuerprozess eine Schichtdicke im Mikrometerbereich (beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 μm bis ungefähr 100 μm) aufweisen. Ferner kann eine in verschiedenen Ausführungsbeispielen verwendete Al-Paste beispielsweise organische Stoffe aufweisen, welche die Al-Paste flüssig halten. Diese Viskosität der Al-Paste kann bei dem Siebdruck Unebenheiten ausgleichen. Bereiche der dielektrischen Schichtstruktur mit einer und ohne Durchgangsöffnung, auf welche eine Al-Paste gedruckt ist, sind bei Draufsicht auf die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht praktisch nicht zu unterscheiden.
Nach dem Siebdrucken der Al-Paste kann die Al-Paste getrocknet werden. Dabei können die organischen Stoffe teilweise zerstört werden und/oder ausdiffundieren. Bei einem wie oben beschriebenen Feuerprozess wird in den Durchgangsöffnungen der dielektrischen Schichtstruktur, in denen die geschmolzene Metallisierungsschicht direkten Kontakt zu dem Silizium-Substrat hat, ein Al-BSF gebildet. Dieses Al-BSF hat unter anderem die Wirkung, dass ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht und dem Silizium-Substrat mit einem geringen elektrischen Widerstand hergestellt ist. Da Aluminium in Silizium als Dotant wirkt, senkt das Al-BSF außerdem die Ladungsträgerrekombination. Dies geschieht dadurch, dass beispielsweise Elektronen aufgrund der zusätzlichen Dotierung in dem Al-BSF „reflektiert” werden und somit nicht an die Rückseite des Silizium-Substrats gelangen, wo eine erhöhte Ladungsträgerrekombinationswahrscheinlichkeit vorherrscht.
Die Erzeugung des Al-BSFs mittels Silizium, welches während des Feuerprozesses aus dem Silizium-Substrat gelöst wird, kann die geometrische Form des Al-BSFs und des damit gebildeten elektrischen Kontakts beeinflussen. So kann beispielsweise bei einer kreisförmigen Durchgangsöffnung Silizium in annähernder Halbkugelform aus dem Silizium-Substrat gelöst werden. Nach einer Abkühlung kann das Al-BSF als Schicht an der Position der Oberfläche der Halbkugelform liegen und Aluminium der Metallisierung kann zumindest teilweise das Volumen der Halbkugelform ausfüllen. Da eine solche geometrische Form stark von mehreren Parametern abhängt, beispielsweise der Zusammensetzung der Al-Paste, den Temperaturen in dem Feuerprozess und der geometrischen Form der Durchgangsöffnungen, ist das in den unten folgenden schematischen Zeichnungen ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit Al-BSF allgemein als Rechteck eingezeichnet.
Ein erster Bereich, welcher eine Aluminium-haltige Metallisierungsschicht geringerer Schichtdicke als ein zweiter Bereich oder keine Aluminium-haltige Metallisierungsschicht aufweist, kann die Ausdiffusion von gelöstem Silizium während des Feuerprozesses aus dem Gebiet der Durchgangsöffnung in das umgebende geschmolzene Aluminium beeinflussen. Mittels Begrenzung des Volumens von geschmolzenem Aluminium, in welches gelöstes Silizium diffundieren kann, kann die Konzentration von gelöstem Silizium in dem Gebiet der Durchgangsöffnung erhöht werden. Somit steht in dem Gebiet der Durchgangsöffnung bei der Rekristallisation mehr Silizium zur Bildung des Al-BSFs zur Verfügung.
Zusätzlich kann in dem ersten Bereich und/oder dessen Teilbereiche ein zusätzliches Material eingebracht werden. Beispielsweise kann eine elektrisch isolierende Paste mittels Siebdrucks eigebracht werden. Das eingebrachte zusätzliche Material dient als Hindernis für die Diffusion des gelösten Siliziums während des Feuerprozesses. Das eingebrachte zusätzliche Material kann die geometrische Form eines ersten Bereiches und/oder dessen Teilbereiche, insbesondere während des Feuerprozesses, stabilisieren. Das eingebrachte zusätzliche Material kann auch elektrisch leitend sein und verschiedene erste und/oder zweite Bereiche bzw. Teilbereiche der Metallisierungsschicht elektrisch miteinander verbinden.
Das eingebrachte Material kann beispielsweise auch eine sogenannte Opferpaste aufweisen, welche im Feuerprozess zersetzt wird und den ersten Bereich bzw. dessen Teilbereiche mit verringerter Schichtdicke der Metallisierungsschicht zurücklässt.
In dem zweiten Bereich kann die Aluminiumhaltige Metallisierungsschicht eine homogene Schichtdicke, wie sie mittels Siebdruckens von Al-Paste entsteht (beispielsweise zwischen 10 μm und 100 μm), aufweisen. Die Schichtdicke kann darauf hin optimiert werden, dass eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit der Metallisierungsschicht bei möglichst geringem Einsatz von Al-Paste (Kostenersparnis) gegeben ist.
Bei einer Draufsicht auf die Rückseite der Solarzelle ist der Abstand als der kürzeste Abstand zwischen zwei Randpunkten zweier unmittelbar benachbarter Durchgangsöffnungen zu verstehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine Durchgangsöffnung der mehreren Durchgangsöffnungen in Form eines länglichen Grabens ausgebildet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine Durchgangsöffnung der mehreren Durchgangsöffnungen eine Länge aufweisen, die größer ist als ihre Breite, also auch viereckig oder elliptisch sein kann, wobei mindestens ein Endbereich der mindestens einen Durchgangsöffnung in dem ersten Bereich angeordnet ist oder an den ersten Bereich angrenzt oder einen Abstand zum ersten Bereich von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 50 μm aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine Durchgangsöffnung der mehreren Durchgangsöffnungen eine Länge aufweisen, die größer oder gleich ist als ihre Breite, also auch viereckig oder elliptisch sein kann, wobei mindestens ein Endbereich der mindestens einen Durchgangsöffnung in dem ersten Bereich angeordnet ist oder an den ersten Bereich angrenzt oder einen Abstand zum ersten Bereich von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 50 μm aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine Durchgangsöffnung der mehreren Durchgangsöffnungen in Form eines Prismas oder eines Kreiszylinders ausgebildet sein. Dabei kann es sich um ein Prisma mit einem regelmäßigen Vieleck als Grundfläche handeln.
Je nach Anzahl, Verteilung und geometrischer Größe der Durchgangsöffnungen kann die Größe der Oberfläche des Silizium-Substrats mit Passivierung einerseits und andererseits der elektrische Gesamtwiderstand mittels der geometrischen Größe des elektrischen Kontaktes zwischen Silizium-Substrat und Metallisierungsschicht optimiert werden.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels können beide Endbereiche der mindestens einen Durchgangsöffnung in dem ersten Bereich angeordnet sein oder an den ersten Bereich angrenzen oder einen Abstand zum ersten Bereich von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 50 μm aufweisen.
Beispielsweise bei Durchgangsöffnungen in Form von länglichen Gräben kann experimentell in den Endbereichen der Gräben eine erhöhte Wahrscheinlichkeit beobachtet werden, dass Al-BSF nicht oder mit zu geringer Dicke ausgebildet wird. Dies hängt damit zusammen, dass an den beiden Endbereichen eines Grabens ein dreidimensionales Aluminium-Volumen zur Verfügung steht, in welches das gelöste Silizium während des Feuerprozesses ausdiffundieren kann. Mittels eines ersten Bereiches oder mehrerer erster Teilbereiche kann die Bildung von Al-BSF in den Endbereichen der Gräben gesteigert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann eine Solarzelle einen ersten Bereich aufweisen, wobei dieser mehrere erste Teilbereiche aufweist; und die Solarzelle kann einen zweiten Bereich aufweisen, wobei dieser mehrere zweite Teilbereiche aufweist. Jeder zweite Teilbereich kann zumindest teilweise in mindestens einer Durchgangsöffnung zum elektrischen Kontaktieren der Rückseite des Silizium-Substrats eingerichtet sein. Jeder der zweiten Teilbereiche kann zumindest teilweise in einem ersten Teilbereich der mehreren ersten Teilbereiche angeordnet sein.
Dadurch, dass der erste Bereich in erste Teilbereiche und der zweite Bereich in mehrere zweite Teilbereiche aufgeteilt sind, kann beispielsweise ein zweiter Teilbereich mittels eines ersten Teilbereichs gänzlich umgeben sein. Somit besteht ein Hindernis für die Diffusion von gelöstem Silizium während des Feuerprozesses in allen Richtungen in der geschmolzenen Metallisierungsschicht. Um den elektrischen Kontakt zwischen dem gebildeten Al-BSF und der Metallisierungsschicht auf der gesamten Rückseite der Solarzelle sicherzustellen, kann der erste Bereich bzw. dessen Teilbereich wie oben beschrieben eine verringerte Schichtdicke aufweisen.
Alternativ ist es auch möglich den ersten Bereich, bzw. dessen Teilbereiche, ohne Metallisierungsschicht zu gestalten. In diesem Fall kann eine geringe geometrische Abmessung des ersten Bereichs, bzw. dessen Teilbereiche, genutzt werden. Während des Feuerprozesses kann die zumindest teilweise geschmolzene Aluminium-haltige Metallisierungsschicht des zweiten Bereichs, bzw. dessen Teilbereiche, in den ersten Bereich, bzw. dessen Teilbereiche, eindringen. Somit kann ein elektrischer Kontakt zwischen verschiedenen Bereichen und Teilbereichen hergestellt werden.
Weiterhin können die zweiten Teilbereiche im Wesentlichen streifenförmig ausgebildet sein.
Mittels streifenförmiger zweiter Teilbereiche können mehrere mittels Al-BSF in den Durchgangsöffnungen gebildete elektrische Kontakte miteinander elektrisch leitfähig verbunden werden. Eine elektrische Verbindung mehrerer streifenförmigen zweiter Teilbereiche kann mittels einer oder mehrerer zusätzlicher streifenförmigen zweiter Teilbereiche erzeugt werden, welche in einem Winkel (beispielsweise senkrecht) zu den streifenförmigen zweiten Teilbereichen angebracht sein kann bzw. können. Die elektrische Kontaktierung der Solarzelle kann beispielsweise mittels der zusätzlichen streifenförmigen zweiten Teilbereiche (und/oder damit in Kontakt stehenden Löt-Pads) erfolgen.
Ferner können die zweiten Teilbereiche zumindest in einem Teilbereich der Durchgangsöffnungen breiter sein als außerhalb des zumindest einen Teilbereichs der Durchgangsöffnungen.
Ferner kann die Schichtdicke der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht in dem ersten Bereich nicht konstant sein.
Mittels nicht-konstanter Schichtdicken der Metallisierungsschicht in dem ersten Bereich, bzw. dessen Teilbereichen, kann das Volumen des geschmolzenen Aluminiums während des Feuerprozesses für die Diffusion des gelösten Siliziums optimiert werden. Die nicht-konstanten Schichtdicken in dem ersten Bereich, bzw. dessen Teilbereiche, können beispielsweise ansteigen oder abfallen oder sonstige Formen annehmen. Die Formen beeinflussen die elektrische Leitfähigkeit der Metallisierungsschicht.
Auch kann die dielektrische Schichtstruktur eine oder mehrere Schichten aufweisen, wobei mindestens eine der mehreren Schichten eine dielektrische Schicht ist. Dielektrische Schichtstrukturen sind oben näher beschrieben.
Eine Solarzelle gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann mit weiteren Solarzellen elektrisch verbunden und in einem Solarzellenmodul eingebettet sein.
Das Silizium-Substrat kann eine Länge von 156 mm, eine Breite von 156 mm und eine Höhe von 200 μm aufweisen. Auf der Rückseite der Solarzelle kann das Silizium-Substrat in direktem Kontakt mit der dielektrischen Schichtstruktur stehen, welches sich auf der gesamten Rückseite befindet. Die dielektrische Schichtstruktur kann aus elektrisch isolierendem Siliziumnitrid bestehen oder ein solches aufweisen und eine Schichtdicke in einem Bereich von ungefähr 20 nm bis ungefähr 200 nm, beispielsweise ungefähr 70 nm bis ungefähr 170 nm aufweisen. In der dielektrischen Schichtstruktur können mehrere Durchgangsöffnungen in Form von Kreisen mit einem Radius von ungefähr 20 μm angeordnet sein und das Silizium-Substrat freilegen. Die Platzierung der mehreren Durchgangsöffnungen in der dielektrischen Schichtstruktur kann homogen über die Fläche der dielektrischen Schichtstruktur verteilt sein. Die Durchgangsöffnungen legen beispielsweise ca. 10% des Silizium-Substrats frei. Eine Aluminium-haltige Metallisierungsschicht (homogene Schichtdicke von ungefähr 25 μm) ist mittels Siebdrucks einer Al-Paste vollflächig (außer in den ersten Bereichen) auf der dielektrischen Schicht angeordnet. Die ersten Bereiche der Metallisierungsschicht können kreisförmig ausgebildet sein, wobei der Radius 20 μm betragen kann. Die Schichtdicke der Metallisierungsschicht in den ersten Bereichen beträgt beispielsweise ungefähr 10 μm. Die ersten Bereiche sind beispielsweise zentriert auf je einer Durchgangsöffnung angeordnet. Die Durchgangsöffnungen ermöglichen einen elektrischen Kontakt zwischen der Metallisierungsschicht und dem Silizium-Substrat. Aufgrund eines Feuerprozesses befindet sich zwischen der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht und dem Silizium-Substrat ein Al-BSF.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle bereitgestellt. Das Verfahren kann aufweisen ein Bilden einer dielektrischen Schichtstruktur mit mehreren Durchgangsöffnungen auf der Rückseite eines Silizium-Substrats, wobei die Rückseite des Silizium-Substrats mittels der Durchgangsöffnungen teilweise freigelegt ist; und Drucken einer Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht auf die dielektrische Schichtstruktur und zumindest teilweise in den Durchgangsöffnungen zum elektrischen Kontaktieren der Rückseite des Silizium-Substrats. In einem ersten Bereich weist die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht eine geringere Schichtdicke auf als in einem zweiten Bereich. Alternativ ist der erste Bereich frei von der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht. Mindestens eine Durchgangsöffnung der mehreren Durchgangsöffnungen wird zumindest teilweise in dem ersten Bereich angeordnet oder an den ersten Bereich angrenzend angeordnet oder in einem Abstand zum ersten Bereich von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 50 μm, angeordnet.
Die dielektrische Schichtstruktur, welche auf der Rückseite des Silizium-Substrats aufgebracht wird, kann beispielsweise mittels eines oder mehrerer Abscheidungsprozesse (beispielsweise einem oder mehreren Abscheidungsprozessen aus der Gasphase (PECVD, CVD) oder einem oder mehreren physikalischen Abscheidungsprozessen (beispielsweise Sputtern)) gebildet werden. Eine dielektrische Schichtstruktur kann als ein Reservoir für beispielsweise Wasserstoff dienen. Dieser Wasserstoff kann in einer Temperaturbehandlung, wie dem Feuerprozess, an die Oberfläche und in das Silizium-Substrat gelangen. Der Wasserstoff kann Defekte, wie Fremdatome in dem Silizium oder Kristallgitterfehler (was auch die Oberfläche des Silizium-Substrats miteinschließt), passivieren, d. h. die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination von Ladungsträgern senken.
Die Durchgangsöffnungen können beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass eine dielektrische Schichtstruktur auf der Rückseite des Silizium-Substrats gebildet wird und die Durchgangsöffnungen mittels Laser- und/oder Ätzprozessen (beispielsweise Laserablation oder Siebdruck einer Ätzpaste) in der dielektrischen Schichtstruktur erzeugt werden. Alternativ kann eine dielektrische Schichtstruktur mit Durchgangsöffnungen dadurch gebildet werden, dass mittels einer Maskierung der Rückseite des Silizium-Substrats die dielektrische Schichtstruktur nur teilweise aufgebracht wird.
Die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht kann mit dem Silizium-Substrat, wie oben beschrieben, ein Al-BSF und damit einen elektrischen Kontakt mit niedrigem elektrischem Widerstand bilden. Es kann ein sogenanntes „Gettern” (oder „gettering”) während des Feuerprozesses stattfinden. Während des Feuerprozesses werden Verunreinigungen des Silizium-Substrats aufgrund der erhöhten Temperatur in dem Silizium-Substrat beweglicher. Diese beweglichen Verunreinigungen können aus dem Silizium-Substrat in das Al/Si-Eutektikum und das geschmolzene Aluminium ausdiffundieren. Die Senkung der Konzentration von Verunreinigungen in dem Silizium-Substrat kann die Rekombinationswahrscheinlichkeit von Ladungsträgern in dem Silizium-Substrat senken.
Die Viskosität der Al-Paste kann während des Siebdruckens ausgenutzt werden. Beispielsweise kann mittels eines Sieblayouts, welches nur den Siebdruck einer Metallisierungsschicht in einem Teilbereich einer Durchgangsöffnung vorsieht, Al-Paste während des Siebdrucks in die gesamte Durchgangsöffnung gelangen.
Der erste Bereich der Metallisierungsschicht kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass per Siebdruck eine flächige gleichmäßige gedruckte Metallisierungsschicht auf die dielektrischen Schichtstruktur und den Durchgangsöffnungen aufgebracht wird. Anschließend (wobei die Al-Paste noch flüssig oder getrocknet sein kann) kann mittels eines Laserprozesses (beispielsweise Laserablation) oder eines mechanischen Prozesses (beispielsweise mittels eines Stempels) die Schichtdicke der gedruckten Metallisierungsschicht lokal verringert bzw. die gedruckte Metallisierungsschicht vollständig abgetragen werden.
Alternativ kann beispielsweise mittels entsprechender Auswahl bzw. Gestaltung der Siebe bei dem Siebdruck der Al-Paste ein erster Bereich erzeugt werden, Beispielsweise kann ein Sieb an den Stellen an denen ein erster Bereich realisiert wird, mit einer Beschichtung, z. B. einer Emulsionsschicht, geschlossen sein, so dass an diesen lokal keine Al-Paste auf die dielektrische Schicht aufgedruckt wird. Alternativ kann beispielsweise lokal die geometrische Form der Maschen in dem feinmaschigen Gewebe der Siebe verändert werden, so dass an diesen Stellen lokal weniger Al-Paste aufgedruckt wird. Möglich ist auch das Rakel so zu gestalten, beispielsweise mittels Zerlegung in individuell steuerbare Teile, dass dort, wo lokal ein erster Bereich erzeugt werden soll, lokal weniger oder kein Druck mittels des Rakels auf das Sieb ausgeübt und damit lokal weniger oder keine Al-Paste durch das Sieb gedruckt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die mindestens eine Durchgangsöffnung der mehreren Durchgangsöffnungen in Form eines länglichen Grabens ausgebildet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die mindestens eine Durchgangsöffnung der mehreren Durchgangsöffnungen eine Länge aufweisen, die größer oder gleich ist als ihre Breite, also auch vieleckig oder elliptisch sein, wobei mindestens ein Endbereich der mindestens einen Durchgangsöffnung in dem ersten Bereich angeordnet wird oder an den ersten Bereich angrenzt oder einen Abstand zum ersten Bereich von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 50 μm aufweist.
Gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele können beide Endbereiche der mindestens einen Durchgangsöffnung in dem ersten Bereich angeordnet werden oder an den ersten Bereich angrenzen oder einen Abstand zum ersten Bereich von weniger als ungefähr 500 μm, beispielsweise weniger als ungefähr 200 μm, beispielsweise weniger als ungefähr 50 μm aufweisen.
Weiterhin kann der erste Bereich mehrere erste Teilbereiche aufweisen; und der zweite Bereich kann mehrere zweite Teilbereiche aufweisen; wobei jeder der zweiten Teilbereiche zumindest teilweise in mindestens einer Durchgangsöffnung zum elektrischen Kontaktieren der Rückseite des Silizium-Substrats eingerichtet wird; und wobei jede der zweiten Teilbereiche zumindest teilweise in einem ersten Teilbereich der mehreren ersten Teilbereiche angeordnet wird.
Während des Feuerprozesses kann geschmolzenes Aluminium der Metallisierungsschicht in einen ersten Bereich, bzw. dessen Teilbereiche, eindringen. Dieser Prozess benötigt eine gewisse Zeitspanne. Während dieser Zeitspanne stellen ein erster Bereich, bzw. dessen Teilbereiche, ein Hindernis für die Diffusion des gelösten Siliziums dar. Somit kann während des Feuerprozesses die Konzentration von gelöstem Silizium in dem Gebiet der Durchgangsöffnung erhöht werden. Nach dem Feuerprozess kann aufgrund des eingedrungenen Aluminiums in den ersten Bereich, bzw. dessen Teilbereiche, die elektrische Leitfähigkeit des ersten Bereichs, bzw. dessen Teilbereiche, erhöht sein. Damit können zweite Teilbereiche, welche mittels Siebdruck elektrisch isoliert voneinander waren, nach einem Feuerprozess elektrisch leitend verbunden sein.
Ferner können die zweiten Teilbereiche im Wesentlichen streifenförmig ausgebildet werden.
Die zweiten Teilbereiche können zumindest in einem Teilbereich der Durchgangsöffnungen breiter ausgebildet werden als außerhalb des zumindest einen Teilbereichs der Durchgangsöffnungen.
Verschiedene Ausführungsbeispiele, welche verschiedene resultierende Geometrien der Metallisierungsschicht (bzw. erste Bereiche, zweite Bereiche, erste Teilbereiche und zweite Teilbereiche) zur Folge haben, können mit den oben beschriebenen Verfahren realisiert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Schichtdicke der Metallisierungsschicht in dem ersten Bereich nicht konstant ausgebildet werden.
Eine nicht-konstante Schichtdicke der Metallisierungsschicht in dem ersten Bereich, bzw. dessen Teilbereiche, kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Beispielsweise kann ein Laserprozess (z. B. Laserablation) benutzt werden. Alternativ kann, wie oben beschrieben, mittels Gestaltung der Siebe in dem Siebdruck die Schichtdicke beeinflusst werden. Alternativ kann mittels eines entsprechenden mechanischen Stempels in eine aufgedruckte Metallisierungsschicht ein entsprechendes Muster eingeprägt werden.
Gemäß eines weiteren Verfahrensbeispiels kann die dielektrische Schichtenstruktur mit einer oder mehreren Schichten ausgebildet werden, wobei mindestens eine der mehreren Schichten eine dielektrische Schicht ist.
Im Rahmen der Figuren wird ein ausführliches Beispiel eines Verfahrens gezeigt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1A bis 1C zeigen eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Solarzellenmoduls mit mehreren Solarzellen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. (1A), eine Querschnittansicht einer Solarzelle des Solarzellenmoduls aus 1A (1B) und eine vergrößerte Ansicht eines Teilbereichs der in 1B dargestellten Solarzelle (1C);
2A bis 2L verschiedene Ausgestaltungsformen der Metallisierungsschicht im Querschnitt;
3A bis 3D verschiedene Ausgestaltungsformen der Metallisierungsschicht in Draufsicht;
4A ein Sieblayout für den Siebdruck einer Metallisierungsschicht;
4B eine Ausgestaltungsform der Metallisierungsschicht in Draufsicht;
5A bis 5C verschiedene Ausgestaltungsformen der Metallisierungsschicht in Draufsicht;
6 eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Solarzelle.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann, In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorderes”, „hinteres”, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe ”verbunden”, ”angeschlossen” sowie ”gekoppelt” verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
1A zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Solarzellenmoduls 100 mit mehreren Solarzellen 104. 1B zeigt eine Schnittansicht 125 einer Solarzelle 104 aus 1A und 1C zeigt eine vergrößerte Ansicht 150 eines Teilbereichs der in 1B dargestellten Solarzelle 104 aus 1A.
Das Solarzellenmodul 100 weist mehrere miteinander elektrisch leitend verbundene (in Serie oder parallel) Solarzellen 104 auf. Eine Markierung 106 deutet die Position des Querschnitts an, welcher in der vergrößerten Querschnittansicht 125 in 1B gezeigt ist.
In der vergrößerten Querschnittansicht 125 des Solarzellenmoduls 100 ist ein Querschnitt der Solarzelle 104 gezeigt. Die Solarzelle 104 hat eine Vorderseite 142 und eine Rückseite 144. Die Solarzelle 104 weist ein Silizium-Substrat 132 (beispielsweise einkristallin, alternativ quasi-monokristallin, polykristallin oder sogar amorph) mit einer Vorderseite 148 und einer Rückseite 134 auf. Das Silizium-Substrat 132 kann p-dotiert (beispielsweise mit einem elektrischen Widerstand von ungefähr 1 Ωcm) sein. Innerhalb des Silizium-Substrats 132 werden mittels Licht, welches durch die Vorderseite 142 der Solarzelle 104 einfällt, Ladungsträgerpaare erzeugt.
Innerhalb des Silizium-Substrats 132 ist an der Oberfläche der Vorderseite 148 ein Emitter 130 ausgebildet. Der Emitter 130 ist beispielsweise eine dünne n-dotierte Schicht (Schichtdicke beispielsweise ungefähr 1 μm) mit einem elektrischen Schichtwiderstand von ungefähr 50 Ω/sq bis ungefähr 150 Ω/sq. Mittels des n-dotierten Emitters 130 und des p-dotierten Silizium-Substrats 132 ist die Struktur einer (pn-)Diode realisiert.
Auf der Vorderseite 148 des Silizium-Substrats 148 ist ferner optional eine Antireflexbeschichtung 128 aufgebracht. Diese Antireflexbeschichtung 128 kann beispielsweise Siliziumnitrid aufweisen und eine Schichtdicke von ca. 75 nm besitzen. Die Antireflexbeschichtung 128 senkt den Anteil von reflektiertem Licht, welches durch die Vorderseite 142 der Solarzelle 104 einfällt.
Eine Metallisierung (beispielsweise eine Silber-Metallisierung) 126 ist durch die Antireflexbeschichtung 128 hindurch vorgesehen und kontaktiert den Emitter 130. Die Metallisierung 126 (im Folgenden auch als „Frontseiten-Metallisierung” bezeichnet) kann so angebracht sein, dass eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit und eine geringe Abschattung der Vorderseite 142 der Solarzelle 104 gegenüber einfallendem Licht gegeben sind.
Auf der Rückseite 134 des Silizium-Substrats 132 ist eine dielektrische Schichtstruktur 138 angeordnet. Die dielektrische Schichtstruktur 138 weist beispielswiese Siliziumnitrid (beispielsweise einer Schichtdicke in einem Bereich von ungefähr 20 nm bis ungefähr 200 nm, beispielsweise ungefähr 70 nm bis ungefähr 170 nm) auf und bedeckt die Rückseite 134 des Silizium-Substrats 132 im Wesentlichen vollständig. In der dielektrischen Schichtstruktur 138 ist eine Mehrzahl von sich durch die dielektrische Schichtstruktur 138 hindurch sich erstreckende Durchgangsöffnungen 158 vorgesehen, welche Teilbereiche der rückseitigen Oberfläche des Silizium-Substrats 132 freilegen (in anderen Worten sind diese Teilbereiche im Wesentlichen frei von Material der dielektrischen Schichtstruktur 138).
Auf der dielektrischen Schichtstruktur 138 ist eine Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 mittels Siebdrucks (oder beispielsweise alternativ mittels Inkjet-Drucks) aufgebracht. Die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 bedeckt die dielektrische Schichtstruktur 138 im Wesentlichen vollständig, außer beispielsweise in einem Kontaktbereich 146. Der Kontaktbereich 146 weist ein silberhaltiges Löt-Pad auf und ist elektrisch mit der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht 136 verbunden. Der Kontaktbereich 146 kann vorgesehen sein, um eine Solarzelle mit weiteren Bauteilen (z. B. mit anderen Solarzellen des Solarzellenmoduls 100) verlöten zu können.
Eine kreisförmige Markierung 140 deute schematisch den vergrößerten Bereich der Solarzelle 104 an, welcher in der vergrößerten Querschnittansicht 150 in 1C gezeigt ist.
In der vergrößerten Querschnittansicht 150 ist schematisch ein Querschnitt der Solarzelle 104 gezeigt. Der zweite Bereich weist in verschiedenen Ausführungsbeispielen mehrere zweite Teilbereiche 154 auf, wobei die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 in den zweiten Teilbereichen 154 eine Schichtdicke von beispielsweise ungefähr 25 μm aufweist. Der erste Bereich 152 weist in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Schichtdicke der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht 136 von ungefähr 10 μm auf. Durch die dielektrische Schichtstruktur 138 verläuft eine kreisförmige Durchgangsöffnung 158 mit einem Radius von 20 μm. Diese ermöglicht der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht 136 den direkten Kontakt zwischen dem Silizium-Substrat 132 bzw. zum Al-BSF 162. Das Al-BSF 162 hat sich während eines Feuerprozesses gebildet. Der erste Bereich 152 stellt anschaulich ein Hindernis für die Ausdiffusion von gelöstem Silizium während des Feuerprozesses dar. Das in 1C mittels Schraffur markierte Gebiet der Durchgangsöffnung 160 symbolisiert einen theoretischen Zylinder mit der Grundfläche der Durchgangsöffnung 158. Dieses Gebiet der Durchgangsöffnung 160 dient nur der theoretischen Erläuterung der Konzentration von gelöstem Silizium während des Feuerprozesses.
2A bis 2L zeigen jeweils einen Querschnitt im Sinne der vergrößerten Querschnittansicht 150 der Solarzelle 100 mit verschiedenen Ausgestaltungen des ersten Bereichs 152 und des zweiten Bereichs 154 bzw. deren Teilbereiche. Die Ausgestaltungen, insbesondere des ersten Bereichs 152, bzw. dessen Teilbereiche, erlauben eine Anpassung der elektrischen Leitfähigkeit der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht und die Anpassung des Hindernisses für die Diffusion von gelöstem Silizium während des Feuerprozesses. Da die Figuren zweidimensionale Querschnitte sind, kann beispielsweise die Verbindung von verschiedenen Bereichen oder Teilbereichen nicht dargestellt sein. Es sind bei alternativen Ausführungsbeispielen andere geometrische Formen möglich. So können beispielsweise die in 2A bis 2L gezeigten zweiten Teilbereiche 154, mittels in den zweidimensional dargestellten Querschnitten nicht sichtbaren Verbindungen, ein zusammenhängender (d. h. anschaulich elektrisch leitend miteinander verbunden und damit auf demselben elektrischen Potential) zweiter Bereich 154 und umgekehrt sein. Analog können der erste Bereich 152 mehrere erste Teilbereiche 154 aufweisen.
2A zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel wie es auch in dem Rahmen der Solarzelle 100 in 1A gezeigt wurde (bzw. im Sinn von 1A auf dem Kopf stehend) und dient hier als Vergleich für die Ausgestaltungen gemäß 2B bis 2L.
2B zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, wobei in diesem Fall der erste Bereich 152 eine konstante verringerte Schichtdicke gegenüber dem zweiten Bereich 154 oberhalb der Durchgangsöffnung 158 hat.
2C zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, wobei der erste Bereich 152 einen Teilbereich mit verringerter Schichtdicke und einen Teilbereich ohne Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 aufweist. Ein solches Ausführungsbeispiel kann das Volumen des geschmolzenen Aluminiums für die Diffusion von gelöstem Silizium während des Feuerprozesses stark eingrenzen. Die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 in dem ersten Bereich 152 und die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 in dem zweiten Bereich 154 können miteinander elektrisch verbunden sein (aufgrund der zweidimensionalen Darstellung nicht gezeigt). Im Fall, dass die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 in dem ersten Bereich 152 und die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 in dem zweiten Bereich 154 nicht miteinander elektrisch leitend verbunden sind, kann beispielsweise mittels einer (nicht gezeigten) zusätzlichen Kontaktierung bei der Solarzellenmodulherstellung eine elektrische Verbindung hergestellt werden. Alternativ kann eine weitere leitfähige Schicht aufgebracht werden, welche die Bereiche elektrisch leitend miteinander verbindet.
2D zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, wobei der erste Bereich 152 nur einen Graben ohne Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 darstellt. Je nach Zusammensetzung der Al-Paste, der Temperaturen in dem Feuerprozess oder der Dauer des Feuerprozesses kann ein solches Diffusionshindernis für gelöstes Silizium während des Feuerprozesses ausreichen.
2E zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel ähnlich der 2A, wobei erste Teilbereiche 152 verschiedene Schichtdicken aufweisen kann. Eine solche asymmetrische Konfiguration der Schichtdicken kann sinnvoll sein, um eine Optimierung der elektrischen Gesamtleitfähigkeit der Metallisierungsschicht 136 und des Diffusionshindernis für gelöstes Silizium während des Feuerprozesses zu erreichen.
2F zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel ähnlich der 2C. Um das Volumen des geschmolzenen Aluminiums für gelöstes Silizium während des Feuerprozesses zu optimieren, kann der erste Bereich, wie hier gezeigt, unterschiedlichste Formen annehmen.
2G zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel ähnlich der 2A, wobei der erste Bereich 152, bzw. dessen Teilbereiche, frei von der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht 136 ist. In dieser Ausführungsform ist in die ersten Teilbereiche 152 eine isolierende Paste (beispielsweise mittels Siebdruck) eingebracht worden, welche sowohl elektrisch isolieren kann, als auch das Volumen der verschiedenen zweiten Teilbereiche 154 trennt.
2H zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel ähnlich der 2G, wobei die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 in dem ersten Bereich 152 und dem zweiten Bereich 154 miteinander elektrisch verbunden sind. Wie in dem Rahmen von 2F erläutert, kann der erste Bereich 152 jegliche Formen annehmen.
2I zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei der erste Bereich 152 asymmetrisch über der Durchgangsöffnung 158 angeordnet ist. Wie im Rahmen von 2E und 2D beschrieben, kann eine Asymmetrie zur Optimierung eingesetzt werden.
2J zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei abwechselnd verschiedene zweite Teilbereiche 154 und erste Teilbereiche 152, vorhanden sind. Wie im Fall von asymmetrischen ersten Teilbereichen 152 (beispielsweise 2E) kann eine Optimierung des elektrischen Widerstands gegenüber der Eigenschaft als Hindernisses der Diffusion für gelöstes Silizium während des Feuerprozesses zu verschiedenen Ausgestaltungen der ersten 152 und zweiten Bereiche 154 bzw. deren Teilbereiche führen. Eine wie hier gezeigte Ausführung kann beispielsweise darüber hinaus dafür geeignet sein, eine Stelle mit großer Oberfläche, beispielsweise für einen späteren Klebeprozess bei der Solarzellenmodulherstellung, zu erzeugen. Somit kann eine solche Ausführungsform mehrere Wirkungen erzielen.
2K zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel, ähnlich zu 2A, wobei die zweiten Teilbereiche 154 durch eine Aussparung im Silizium-Substrat 132 „vergraben” (englisch auch „buried contact”) sind. Wie schematisch gezeigt, kann entsprechend die geometrische Form das Al-BSF 162 ebenfalls beeinflusst sein.
2L zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einen „buried contact”, wobei sich in der Umgebung der Durchgangsöffnung 158 nur ein zweiter Teilbereich 154 und ein erster Teilbereich 152 befindet. Ein solches Ausführungsbeispiel kann das Volumen des geschmolzenen Aluminiums für die Diffusion von gelöstem Silizium während des Feuerprozesses stark eingrenzen. Die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 in dem ersten Teilbereich 152 und die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 in dem zweiten Teilbereich 154 können miteinander elektrisch verbunden sein (aufgrund der zweidimensionalen Darstellung nicht gezeigt). Im Fall, dass die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 in dem ersten Teilbereich 152 und die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 in dem zweiten Teilbereich 154 nicht miteinander elektrisch verbunden sind, kann beispielsweise mittels einer (nicht gezeigten) zusätzlichen Kontaktierung beispielsweise bei der Solarzellenmodulherstellung eine elektrische Verbindung hergestellt werden. Alternativ kann ein zusätzlicher zweiter Teilbereich (nicht dargestellt) mehrere zweite Teilbereiche elektrisch miteinander verbinden. Wie schematisch gezeigt, kann entsprechend die geometrische Form das Al-BSF 162 ebenfalls beeinflusst sein.
3A bis 3D zeigen jeweils eine Draufsicht auf die Rückseite der Solarzelle. Im Sinne der Übersichtlichkeit sind in den folgenden Figuren nur beispielhafte Teilbereiche mit einem Bezugszeichen versehen. Verschiedene Bereiche sind mittels der eingezeichneten Schraffur unterscheidbar.
3A zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel bei dem der zweite Bereich 154, welcher mit einer horizontalen Schraffur markiert ist, fast die gesamte Rückseite der Solarzelle ausfüllt. Die Gebiete der Durchgangsöffnungen 160, welche mit einer vertikalen Schraffur markiert sind, sind ebenfalls Teil des zweiten Bereichs 154. Der erste Bereich 152, bzw. dessen Teilbereiche, haben eine verringerte Schichtdicke in Bezug auf die Schichtdicke des zweiten Bereichs 154 oder sind frei von einer Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht 136. Die Bezugszeichen 302 verdeutlichen die Position der Endbereiche der grabenförmigen Gebiete der Durchgangsöffnungen 160 in diesem Beispiel.
3B zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel bei dem der erste Bereich 152, bzw. dessen Teilbereiche, frei von einer Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht 136 sind. Die zweiten Teilbereiche 154, welche mit einer horizontalen Schraffur markiert sind, überdecken die Gebiete der Durchgangsöffnungen 160.
3C zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, bei dem der erste Bereich 152, bzw. dessen Teilbereiche, frei von einer Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht 136 sind. Die streifenförmigen zweiten Teilbereiche 154, überdecken die Gebiete der Durchgangsöffnungen 160 unvollständig. Allerdings kann, wie hier durch die Pfeile 304 angedeutet, während des Siebdrucks Al-Paste verlaufen und das Gebiet der Durchgangsöffnung 160 vollständig oder teilweise ausfüllen.
3D zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel bei dem der erste Bereich 152, bzw. dessen Teilbereiche, relativ zu den zweiten Teilbereichen 154 eine verringerte Schichtdicke aufweist.
4A zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Sieblayouts für den Siebdruck, welches beispielsweise eine Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 nach 3A ermöglichen kann.
Im Sinne der Übersichtlichkeit sind nur beispielhafte Teilbereiche mit einem Bezugszeichen versehen. Verschiedene Bereiche sind mittels der eingezeichneten Schraffur unterscheidbar. Das Sieb kann feinmaschiges Gewebe 402 aufweisen, durch welches Al-Paste während des Siebdrucks mittels einer Rakel gedruckt wird. Das Sieb kann außerdem an Stellen 404, an denen ein erster Bereich 152 auf der Rückseite der Solarzelle 104 realisiert werden soll, mit einer Emulsionsschicht verschlossen sein, so dass an dieser Stelle keine Al-Paste gedruckt wird. Alternativ kann die Maschengröße, die Gewebedicke oder der Fadendurchmesser des Gewebes an den Stellen 404 verändert sein, so dass eine geringere Menge Al-Paste gedruckt und damit eine geringere Schichtdicke im ersten Bereich 152 realisiert werden kann.
4B zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel in Sinne von 3B, wobei die zweiten Teilbereiche 154 mittels einer (oder in einem anderen Beispiel auch mehrerer) zusätzlicher zweiter Teilbereiche 406 elektrisch verbunden sind.
5A bis 5C zeigen jeweils eine Draufsicht auf die Rückseite der Solarzelle 104. Im Sinne der Übersichtlichkeit sind in den folgenden Figuren nur beispielhafte Teilbereiche mit einem Bezugszeichen versehen. Verschiedene Bereiche sind mittels der eingezeichneten Schraffur unterscheidbar. Die Schraffuren sind im gleichen. Sinne wie die Schraffuren zu 3A bis 3D eingezeichnet.
5A zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel bei dem der zweite Bereich 154, welcher mit einer horizontalen Schraffur markiert ist, fast die gesamte Rückseite der Solarzelle ausfüllt. Die Gebiete der Durchgangsöffnungen 160, welche mit einer vertikalen Schraffur markiert sind, sind ebenfalls Teil des zweiten Bereichs 154. Der erste Bereich 152, bzw. dessen Teilbereiche, haben eine verringerte Schichtdicke in Bezug auf die Schichtdicke des zweiten Bereichs 154 oder sind frei von einer Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht 136. Die Teilbereiche des ersten Bereichs 152 sind in dieser Ausführungsform so angeordnet, dass sie während des Feuerprozesses als ein Hindernis für die Diffusion von gelöstem Silizium für zwei Gebiete der Durchgangsöffnungen 160 dienen. Nicht dargestellte Ausgestaltungsformen, bei der ein erster Bereich 152, bzw. dessen Teilbereiche, als Diffusionshindernis im obengenannten Sinne für mehrere Gebiete der Durchgangsöffnungen 160 dienen, sind selbstverständlich ebenfalls möglich.
5B zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel in Sinne von 5A.
5C zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel in dem Sinne von 5A. Um Platz zu sparen, sind um je ein Gebiet der Durchgangsöffnung 160 mögliche Konfigurationen von ersten Bereichen 152, bzw. dessen Teilbereichen, eingezeichnet. Der erste Bereich 502 hat ein gesondertes Bezugszeichen, um zu verdeutlichen, dass dieser wie im Sinne von 5A als Diffusionshindernis für zwei (oder in anderen Ausführungsformen mehreren) Gebiete der Durchgangsöffnung dient.
In 6 ist ein Verfahren 600 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt.
Ein Silizium-Substrat 132, welches beispielsweise monokristallin aus einem Czochralski-Verfahren oder Floatzone-Verfahren oder multikristallin beispielsweise aus einem Blockguss-Verfahren (z. B. auch „Quasi monokristallin”) gewonnen wird, welches mittels des Kristallisationsverfahrens p-dotiert ist (ca. 2·10¹⁶ Bor-Atomen pro Kubikzentimeter), wird in 602 gereinigt. Diese Reinigung kann beispielsweise die Funktion der Sägeschadenätze haben. Das bedeutet beispielsweise, dass mittels einer chemischen Lösung (beispielsweise verdünntes Kaliumhydroxid KaOH) eine Schicht von der Oberfläche des Silizium-Substrats 132 abgeätzt wird (ca. 10 μm pro Seite). Zusätzlich kommen Bäder in verdünnter Salzsäure HCL zur Beseitigung von metallischen Verunreinigungen an der Oberfläche und/oder in verdünnter Flusssäure HF zur Beseitigung von Oxidschichten zum Einsatz.
In 604 wird eine Textur aufgebracht. Das bedeutet beispielsweise, dass mittels einer chemischen Lösung (beispielsweise verdünntes Kaliumhydroxid KaOH) die Oberfläche des Silizium-Substrats 132 angeraut wird. Diese angeraute Oberfläche senkt die Reflektion von Licht an der Vorderseite des Silizium-Substrats 132 bzw. der Vorderseite der Solarzelle 104.
In 606 erfolgt eine weitere Reinigung. Dies kann beispielsweise eine Kaskade von Wasserbädern zur Beseitigung von Resten der chemischen Lösung zur Herstellung der Textur sein. Zusätzlich können nochmals (wie im Rahmen von 602 beschrieben) Bäder in verdünnter HCL und HF erfolgen.
In 608 wird ein Emitter 130 durch die Vorderseite 148 in das Silizium-Substrat 132 eingebracht. Dies geschieht in einer Diffusionsröhre bei ca. 750 bis 850°C in einer mit POCL₃ angereicherten Atmosphäre. Der Phosphor der Atmosphäre diffundiert unter Bildung eines sogenannten Phosphorglases in das Silizium-Substrat 132 ein. Beispielsweise wird an der Oberfläche des Silizium-Substrats 132 so ein Emitter 130 innerhalb des Silizium-Substrats 132 mit einer Schichtdicke von weniger als 1 μm erzeugt. Diese (mit ca. 1·10¹⁹ Phosphor-Atomen/cm³ in der Schicht und ca. 1·10²¹ Phosphor-Atomen/cm³ an der Oberfläche der Schicht bzw. an der Oberfläche des Silizium-Substrats 148) kann beispielsweise einen elektrischen Schichtwiderstand von ungefähr 50 Ω/sq bis ungefähr 150 Ω/sq. aufweisen. Die Rückseite des Silizium-Substrats 134 kann beispielsweise dadurch vor der Emitterdiffusion geschützt sein, dass während der Diffusion zwei Silizium-Substrate aneinander anlehnen (sogenannte „Back-to-Back” Prozessierung).
In 610 wird die so erhaltene Struktur nochmals gereinigt. Insbesondere kann ein Bad in einer verdünnten HF-Lösung das während der Diffusion entstandene Phosphorglas entfernen, sowie die Kantenisolation durchgeführt werden.
In 612 wird auf der Vorderseite 148 des Silizium-Substrats 132 mittels PECVD (Plasma unterstütze chemische Gasphasenabscheidung) eine Antireflexschicht 128 aufgebracht. Diese Antireflexschicht 128 kann beispielsweise aus Siliziumnitrid bestehen und eine Schichtdicke von ca. 75 nm aufweisen.
Anschließend kann in 614 mittels PECVD eine dielektrische Schichtstruktur 138 auf der Rückseite der Solarzelle 104 aufgebracht werden (beispielsweise Siliziumnitrid mit einer Schichtdicke in einem Bereich von ungefähr 20 nm bis ungefähr 200 nm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 70 nm bis ungefähr 170 nm).
In 616 werden mittels Laserablation Durchgangsöffnungen 158 in Form von ausgefüllten Kreisen mit ca. 40 μm Durchmesser in der dielektrischen Schichtstruktur 138 erzeugt.
In 618 wird mittels Siebdruck von Silber-Paste und einem Trocknungsprozess (beispielsweise einer Temperaturbehandlung bei ca. 300°C in einer Zeitspanne von ca. 180 Sekunden) eine Silber-Metallisierung in Form von Linien auf die Vorderseite der Solarzelle 104, d. h. auf die Antireflexbeschichtung 128, aufgebracht. Außerdem wird auf die Rückseite der Solarzelle 104, d. h. auf die dielektrische Schichtstruktur 138, Silber-Paste lokal an wenigen Stellen zur Bildung von sogenannten Löt-Pads aufgebracht.
In 620 wird mittels Siebdruck und einem Trocknungsprozess (beispielsweise einer Temperaturbehandlung bei ca. 300°C in einer Zeitspanne von ca. 180 Sekunden) Al-Paste auf die Rückseite der Solarzelle 104, d. h. auf die dielektrische Schichtstruktur 138 aufgebracht. Diese Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 ist vollflächig und mit konstanter Schichtdicke von ca. 25 μm auf der dielektrischen Schichtstruktur 138 und damit auf der Rückseite der Solarzelle 104 angebracht (außer an den wenigen lokalen Stellen mit Silber-Paste zu der Bildung von Löt-Pads).
In 622 wird mittels Laserablation ein erster Bereich 152 in der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht 136 erzeugt. Dazu wird in einem Radius von ca. 20 μm um die kreisförmigen Durchgangsöffnungen 160 kreisförmige Vertiefungen (erster Bereich 152, bzw. Teilbereiche) in der gedruckten Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht 136 gebildet. Diese kreisförmigen Vertiefungen haben eine Tiefe von ca. 15 μm. Durch die Laserablation der Al-Paste ist in diesem ersten Bereich (in diesen kreisförmigen Vertiefungen) die Schichtdicke der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht 136 auf ca. 10 μm reduziert.
Anschließend wird ein Feuerprozess 624 bei einer Temperatur in einem Bereich von ungefähr 700°C bis ungefähr 900°C durchgeführt. Da gleichzeitig die Silber-Paste und die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht 136 der Al-Paste „gefeuert” werden, nennt man diesen Prozess auch „Ko-Feuern” oder „co-firing”. Die Temperaturbehandlung dauert ca. 10 Sekunden und die Solarzelle 104 wird anschließend abgekühlt. Bei dem Feuerprozess wird, wie oben beschrieben, ein Al-BSF 162 in den Durchgangsöffnungen 158 und damit ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen Silizium-Substrat 132 und Aluminium-haltiger Metallisierungsschicht 136 gebildet. Die Silber-Paste dringt während des Feuerprozesses durch die Antireflexschicht 128 und stellt einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen Silber-Metallisierung 126 und Emitter 130 her.
Die so gewonnene Solarzelle ist beispielsweise mittels der Löt-Pads 146 und der Silber-Metallisierung 126 durch elektrische Verbindungen mit anderen Solarzellen elektrisch leitfähig verbunden, wodurch ein Solarzellenmodul hergestellt werden kann.
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

DE 102013111634 A1 [0007]

Claims

Solarzelle (104), aufweisend: • ein Silizium-Substrat (132) mit einer Vorderseite (148) und einer Rückseite (134); • eine dielektrische Schichtstruktur (138) auf der Rückseite (134) des Silizium-Substrats (132), wobei die dielektrische Schichtstruktur (138) mehrere Durchgangsöffnungen (158) aufweist, mittels derer die Rückseite (134) des Silizium-Substrats (132) freigelegt ist; • eine gedruckte Aluminium-haltige Metallisierungsschicht (136) auf der dielektrischen Schichtstruktur (138) auf der Rückseite (134) des Silizium-Substrats (132) und zumindest teilweise in den Durchgangsöffnungen (158) zum elektrischen Kontaktieren der Rückseite (134) des Silizium-Substrats (132); • wobei in einem ersten Bereich (152) die Aluminium-haltige Metallisierungsschicht (136) eine geringere Schichtdicke aufweist als in einem zweiten Bereich (154), oder der erste Bereich (152) frei ist von der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht (136); • wobei mindestens eine Durchgangsöffnung (158) der mehreren Durchgangsöffnungen zumindest teilweise in dem ersten Bereich (152) angeordnet ist oder an den ersten Bereich (152) angrenzt oder einen Abstand zum ersten Bereich (152) von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 50 μm aufweist.
Solarzelle (104) gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine Durchgangsöffnung (158) der mehreren Durchgangsöffnungen in Form eines länglichen Grabens ausgebildet ist.
Solarzelle (104) gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine Durchgangsöffnung (158) der mehreren Durchgangsöffnungen in Form eines Prismas oder eines Kreiszylinders ausgebildet ist.
Solarzelle (104) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Durchgangsöffnung (158) der mehreren Durchgangsöffnungen eine Länge aufweist, die größer ist als ihre Breite, also auch viereckig oder elliptisch sein kann, wobei mindestens ein Endbereich der mindestens einen Durchgangsöffnung (158) in dem ersten Bereich (152) angeordnet ist oder an den ersten Bereich (152) angrenzt oder einen Abstand zum ersten Bereich von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 50 μm aufweist.
Solarzelle (104) gemäß Anspruch 4, wobei beide Endbereiche der mindestens einen Durchgangsöffnung (158) in dem ersten Bereich (152) angeordnet sind oder an den ersten Bereich (152) angrenzen oder einen Abstand zum ersten Bereich (152) von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 50 μm aufweist.
Solarzelle (104) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, • wobei der erste Bereich (152) mehrere erste Teilbereiche aufweist; • wobei der zweite Bereich (154) mehrere zweite Teilbereiche aufweist; • wobei jeder der zweiten Teilbereiche (154) zumindest teilweise in mindestens einer Durchgangsöffnung (158) zum elektrischen Kontaktieren der Rückseite (134) des Silizium-Substrats (132) eingerichtet ist; • wobei jede der zweiten Teilbereiche (154) zumindest teilweise in einem ersten Teilbereich (152) der mehreren ersten Teilbereiche angeordnet ist.
Solarzelle (104) gemäß Anspruch 6, wobei die zweiten Teilbereiche (154) im Wesentlichen streifenförmig ausgebildet sind.
Solarzelle (104) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die zweiten Teilbereiche (154) zumindest in einem Teilbereich der Durchgangsöffnungen (158) breiter sind als außerhalb des zumindest einen Teilbereichs der Durchgangsöffnungen (158).
Solarzelle (104) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schichtdicke der Aluminium-haltigen Metallisierungsschicht (136) in dem ersten Bereich (152) nicht konstant ist.
Solarzelle (104) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die dielektrische Schichtenstruktur (138) eine oder mehrere Schichten aufweist, wobei mindestens eine der mehreren Schichten eine dielektrische Schicht ist.