DE4018013A1 - Verfahren zur herstellung von elektrodenstrukturen fuer solarzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung elektri­ scher Front- und/oder Rückkontakte auf dem Halbleiterkörper einer Solarzelle mit insbesondere welliger Oberfläche.

Solarzellen benötigen zur Abführung des Photostromes elektri­ sche Front- und Rückkontakte. Diese Kontakte müssen an die elektrische Leitfähigkeit des Halbleitermaterials angepaßt sein und durfen den Serienwiderstand der Solarzelle nicht un­ nötig erhöhen. Der Frontkontakt muß außerdem eine ausreichende Menge des einfallenden Sonnenlichts zum Halbleiterkörper durch­ lassen. Bei Solarzellen aus amorphem Material können zur Her­ stellung des Frontkontaktes dünne leitfähige Oxidschichten (TCO-Schichten) verwendet werden. Für die Frontkontakte von Solarzellen aus elektrisch besser leitendem kristallinem oder polykristallinem Halbleitermaterial sind metallische finger­ förmig ausgebildete Elektrodenstrukturen erforderlich, um bei möglichst geringer Abschattung des Sonnenlichts eine dennoch ausreichend gute Stromableitung zu erzielen.

Während die Aufbringung der auch Grid genannten fingerförmigen Frontkontakte auf Solarzellen mit glatten oder polierten Ober­ flächen mit heute üblichen Aufdampf- oder Siebdruckverfahren kostengünstig und problemlos erfolgen kann, ist die Herstel­ lung eines Grid auf Solarzellen mit welligen oder rauhen Ober­ flächen noch nicht befriedigend gelöst. Beim Aufdampfen der Elektrodenstrukturen über Masken ergibt sich das Problem, daß die Maske nicht eng genug an welligen Oberflächen von Halblei­ terkörpern anliegt, so daß eine Unterdampfung an tieferliegen­ den Stellen (Tälern) erfolgt. Eine exakte Elektrodenstruktur läßt sich daher nicht erzeugen, vielmehr werden breitere Elek­ trodenstrukturen als vorgesehen erzeugt. Auch eine Unterbre­ chung einzelner Elektrodenfinger ist so möglich, was ebenfalls zu einer verminderten Stromausbeute derartig kontaktierter Solarzellen führt. Siebdruckverfahren auf unebenen Oberflächen erfordern einen hohen technischen Aufwand und sind nicht ganz problemlos durchzuführen. Für Düsenspritzverfahren fehlen noch die geeigneten Pasten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Erzeugen von Elektrodenstrukturen für Solarzellen anzuge­ ben, welches auch die elektrische Kontaktierung welliger und unebener Halbleiteroberflächen erlaubt und welches kostengün­ stig durchzuführen ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem

• - der Halbleiterkörper auf der zu kontaktierenden Oberfläche mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Oxidschicht (TCO) versehen wird,
• - ganzflächig auf dieser Oxidschicht ein flexibles metallisches Netz aufgelegt wird und
• - der Halbleiterkörper mit dem Netz derart in eine transparen­ te Kunststoffolie eingeschweißt wird, daß durch die eng auf­ liegende Folie ein inniger elektrischer Kontakt des Netzes zur Oxidschicht gewährleistet ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zum Erzeugen einer Serienverschaltung derartiger Solarzellen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Verwendung eines metallischen Netzes er­ zeugt eine nur geringe Abschattung aktiver Halbleiteroberflä­ che. Da das Netz flexibel ist, kann es eng auf einer unebenen Oberfläche aufliegen und dabei ausreichend elektrischen Kon­ takt zu dieser herstellen, auch in den "Wellentälern" einer welligen Oberfläche. Das Verfahren ist einfach durchzuführen, da das Netz nur aufgelegt werden muß und keiner weiteren Be­ festigung mehr bedarf. Die Größe bzw. Fläche des metallischen Netzes ist der Größe der aktiven Fläche des Halbleiterkörpers angepaßt und kann zur äußeren Kontaktierung bzw. zur elektri­ schen Verschaltung mit der jeweils benachbarten Solarzelle zu einem Modul einen entsprechend größeren Zuschnitt aufweisen. Der innige elektrische Kontakt des Netzes zur Halbleiterober­ fläche bzw. zur Oberfläche der TCO-Schicht wird durch das An­ drücken der Folie erzeugt. Dabei stellt das Einschweißen in die Kunststoffolie keinen zusätzlichen Verfahrensschritt dar, da es sich um eine bekannte und für kristalline Solarzellen bereits standardmäßig angewendete Maßnahme handelt.

Das metallische Netz ist so ausgelegt, daß es eine ausreichen­ de Leitfähigkeit hat. Beispielsweise läßt es sich aus Drahtge­ flecht ausführen, wobei Maschenweite des Netzes und Durchmes­ ser der Einzeldrähte entsprechend der gewünschten Leitfähig­ keit ausgelegt werden. Die erfindungsgemäße Herstellung eines Frontkontaktes durch Auflegen eines metallischen Netzes und anschließendes Einschweißen der so behandelten Halbleiterkör­ per in Kunststoffolie stellt sowohl bezüglich der erforderli­ chen Maßnahmen als auch bezüglich des Materials eine äußerst kostengünstige Alternative zu bekannten Verfahren dar, die außerdem zu einer Solarzelle mit einem guten elektrischen Frontkontakt bei gleichzeitig minimaler Abschattung der aktiven Fläche führt.

Das Netz ist vorzugsweise aus Draht gefertigt, wobei wegen der geforderten Leitfähigkeit und der Flexibilität des Drahtes bzw. des Netzes vor allem Silber- und Kupferdraht in Frage kommen. Die Drähte sind miteinander verflochten, damit die Auflagepunk­ te des Netzes auf der TCO-Schicht, welche auch den elektri­ schen Kontakt zum Halbleiterkörper herstellen, möglichst gleich­ mäßg über die aktive Fläche verteilt sind. Zur besseren Anpas­ sung an die Oberfläche ist das Netz außerdem elastisch, um ein gutes Anschmiegen an die Oberfläche zu ermöglichen. Dies wird erreicht, wenn der Draht zwischen den Knoten bzw. Verknüpfungs­ punkten des Netzes nicht gerade verläuft. Durch mehrfaches Ab­ knicken oder eine wellige Verbiegung des Drahtes wird eine Längenreserve geschaffen, die das Netz elastisch macht. Durch eine wellige oder geknickte Struktur des Drahtes werden auch die Kontaktpunkte mit der Oberfläche vorgegeben. In einer be­ vorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Draht des Netzes zu einer Spiralfeder gebogen, wobei die Spirale einen runden oder einen eckigen, zum Beispiel einen dreieckigen Quer­ schnitt aufweist. Auch ein zu einer Zickzackfeder gebogener Draht ergibt ein elastisches Netz.

Zum Einschweißen des mit einer Netzelektrode versehenen Halb­ leiterkörpers werden bekannte Verfahren angewandt. Möglich ist zum Beispiel das Einschweißen in einen Kunststoffolienschlauch, oder auch das Verschweißen des Halbleiterkörpers zwischen zwei getrennte Folien. Ein enges Anliegen der Folie auf dem mit dem metallischen Netz versehenen Halbleiterkörper wird vorteil­ hafterweise durch Reduzierung des Drucks bzw. durch Anlegen eines Vakuums erreicht. Durch Evakuierung des Luftvolumens zwischen Halbleiterkörper und Kunststoffolie liegt die Kunst­ stoffolie dicht an der Oberfläche des Halbleiterkörpers an, drückt dabei das Netz auf die Oberfläche und fixiert es in dieser Stellung.

Geeignete Materialien für die Kunststoffolie müssen entspre­ chend lichtdurchlässig sein, das heißt für die Strahlung transparent sein, für die die Solarzelle empfindlich ist. Um eine lange Lebensdauer der Solarzelle zu gewährleisten, muß die Folie auch alterungsstabil sein und darf sich während der Lebensdauer der Solarzelle unter Einwirkung von Licht und Luft nicht in diesen wichtigen Eigenschaften verändern. Außerdem muß die Folie schweißfähig sein, eine gewisse Elastizität auf­ weisen und mechanisch ausreichend stabil sein, um die Solar­ zellenanordnung, das heißt eine oder mehrere Solarzellen ein­ schließlich des Netzes stabil zu fixieren. Ein für bekannte Verfahren zum Einschweißen von Solarzellen bereits verwendetes Kunststoffolienmaterial ist Ethylvinylacetat (EVA), welches auch für den Zweck der Erfindung hervorragend geeignet ist. Erfindungsgemäß kann eine einzelne Zelle, vorteilhafterweise jedoch mehrere zu einem Modul serienverschaltete Solarzellen in einem Arbeitsgang eingeschweißt werden.

Die im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens auf dem Halbleiterkörper aufzubringende TCO-Schicht dient als Antire­ flexschicht und übernimmt bereits teilweise Elektrodenfunktion. Wichtige Eigenschaften sind daher die elektrische Leitfähig­ keit und die Transparenz der TCO-Schicht. Sie muß einen gerin­ geren Flächenwiderstand als das Material des Halbleiterkörpers aufweisen und bezüglich der Transparenz die gleichen Anforde­ rungen wie die Kunststoffolie erfüllen. Geeignet sind nahezu sämtliche bekannten TCO-Materialien, insbesondere Indium-Zinn- Oxid (ITO), fluordotiertes Zinn-Oxid, fluordotiertes Zinkoxid, zinndotiertes Titanoxid oder Zinkoxid und beliebige Mischungen dieser Materialien.

Aufgebracht wird die TCO-Schicht ebenfalls nach bekannten Ver­ fahren, beispielweise durch Aufdampfen, durch CVD-Verfahren unter Zersetzung entsprechend flüchtiger metallorganischer Ver­ bindungen in einer Sauerstoffatmosphäre oder durch eine Sprüh­ technik.

Die Verwendung eines flexiblen Metallnetzes als Elektrode im erfindungsgemäßen Verfahren erlaubt es in einfacher Weise, mehrere Solarzellen durch einfache Maßnahmen in Serie zu einem Modul zusammenzuschalten. Dazu wird das die Elektrode bildende Netz so auf den Halbleiterkörper bzw. die TCO-Schicht aufge­ legt, daß es einseitig über eine Kante des Halbleiterkörpers übersteht. Auf diesen überstehenden Teil des Netzes wird nun eine zweite Solarzelle mit ihrer Rückelektrode aufgelegt, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen Frontelektrode (Netz) der ersten Solarzelle mit der Rückelektrode der zweiten Solar­ zelle hergestellt wird, was einer Serienverschaltung der beiden Zellen entspricht. Auf gleiche Weise kann eine beliebige An­ zahl derartig mit einem Netz bedeckter Solarzellen in einfacher Weise serienverschaltet werden, wobei durch das gemeinsame Ein­ schweißen des gesamten Moduls in Plastikfolie sowohl der me­ chanische Zusammenhalt des Moduls erreicht, als auch eine sta­ bile Verschaltung gewährleistet wird.

Eine weitere Methode der Serienverschaltung läßt sich in ein­ facher Weise derart bewerkstelligen, wenn aus mehreren mit einem Netz versehenen Halbleiterkörpern ein versetzter (schie­ fer) Stapel gebildet wird, wobei zwei benachbarte Halbleiter­ körper jeweils nur in einem kleinen Bereich ihrer Fläche über­ lappen und alle Solarzellen in der gleichen Richtung gegenüber der jeweils darunterliegenden Solarzelle versetzt sind. Beim Verschweißen eines solchen schiefen Stapels wird ebenfalls in einem Schritt sowohl die elektrische Kontaktierung als auch die Serienverschaltung des Stapels erzielt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbei­ spielen und der dazugehörigen fünf Figuren näher erläutert. Dabei zeigt die Fig. 1 eine Ausführungsform des metallischen flexiblen Netzes, die Fig. 2 die Anordnung einer Solarzelle mit Netz und Kunst­ stoffolie vor dem Verschweißen im schematischen Querschnitt, die Fig. 3 eine erfindungsgemäß mit Elektrode versehene und eingeschweißte Solarzelle im schematischen Quer­ schnitt und die Fig. 4 und 5 zwei Ausführungsbeispiele für eine Serien­ verschaltung erfindungsgemäß hergestellter Solar­ zellen.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung für ein Netz, welches im erfin­ dungsgemäßen Verfahren vorteilhaft zur Erzeugung eines elektri­ schen Frontkontaktes für Solarzellen verwendet werden kann. Das Netz 5 besteht beispielsweise aus Spiralfedern aus Kupfer­ draht, welche lose zu einem Netz verschlungen sind. Die Spira­ len sind dabei gedehnt, um auf der Solarzelle keine zu großen Abschattungen des einfallenden Sonnenlichts zu bewirken. Durch die gedehnten Spiralen wird weiterhin gewährleistet, daß die Berührungspunkte des Netzes mit einer Unterlage in regelmäßi­ gem Abstand voneinander liegen, so daß beim Aufliegen auf rau­ hen Oberflächen ein guter Kontakt auch in Vertiefungen herge­ stellt werden kann.

1. Ausführungsbeispiel (siehe dazu auch Fig. 2 und 3)

Als Halbleiterkörper für das Ausführungsbeispiel werden bandför­ mige Siliziumkristalle verwendet, wie sie beispielsweise nach einem aus der DE-OS 37 36 341 bekannten Verfahren hergestellt werden. Dazu werden Siliziumbänder an einem netzartigen Träger­ körper auskristallisiert, welcher waagrecht über die Oberflä­ che einer Siliziumschmelze gezogen wird. Je dünner das erhal­ tene Siliziumband ist, umso stärker ist dessen Oberfläche von der Struktur des Trägerkörpers geprägt.

Ein solches Siliziumband wird nun in Halbleiterkörper einer für Solarzellen geeigneten Größe zersägt oder gebrochen. Die Halbleiterkörper 1 werden zunächst in bekannten Verfahren mit einem metallischen Rückseitenkontakt 2 versehen, beispielswei­ se durch Aufdampfen einer Aluminiumschicht. An der gegenüber­ liegenden Oberfläche wird durch Eindiffundieren eines eine n-Leitung erzeugenden Dotierstoffes in geringer Tiefe ein pn-Übergang 3 in dem p-leitenden Halbleiterkörper 1 erzeugt. Auf der dünnen n⁺-dotierten Schicht wird nun eine dünne TCO- Schicht 4 erzeugt, beispielsweise durch CVD-Abscheidung von fluordotiertem Zinnoxid (SnO₂:F). Diese weist bei einer Dicke von 100 bis 300 nm (zum Beispiel 200 nm) einen Flächenwider­ stand von 10 Ohm per Square auf. Darauf wird ein in der Fig. 1 dargestelltes flexibles Metallnetz 5 aufgelegt, welches beispielsweise eine lichte Maschenweite a von ca. 1 bis 3 mm aufweist. Aufgrund der Welligkeit der Halbleiterkörperoberflä­ che bzw. der Oberfläche der TCO-Schicht 4 liegt das Netz 5 nur auf den höhergelegenen Wellenbergen der welligen Oberfläche 4 auf.

Der derart mit dem Netz 5 versehene Halbleiterkörper 1 wird nun zwischen zwei transparente Kunststoffolien aus EVA (6, 7) gelegt. Fig. 2 stellt die Anordnung in diesem Stadium dar. Durch Anlegen von Vakuum wird nun die Luft aus dem Raum zwi­ schen den Kunststoffolien 6 und 7 und somit aus dem Raum zwi­ schen den Folien und dem Halbleiterkörper entfernt. Dabei schmiegt sich die ebenfalls elastische Kunststoffolie (6, 7) eng an das Netz 5 bzw. die dazwischenliegende Oberfläche des mit der TCO-Schicht 4 versehenen Halbleiterkörpers 1 an. Wie aus der Fig. 3 deutlich zu erkennen ist, wird dabei das Netz 5 eng an die Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 angedrückt, wobei auch in den "Wellentälern" der Oberfläche ein guter Kontakt zwischen Netz 5 und Oberfläche 4 des Halbleiterkörpers 1 hergestellt wird.

2. Ausführungsbeispiel (Fig. 4)

Es soll anstelle der im ersten Ausführungsbeispiel hergestell­ ten bzw. erfindungsgemäß mit einem elektrischen Frontkontakt versehenen Solarzelle eine Vielzahl dieser Solarzellen durch weitere Maßnahmen während des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem photovoltaischen Modul serienverschaltet werden. Dazu wird wie im ersten Ausführungsbeispiel bis zum Auflegen des Netzes verfahren. Allerdings werden die Netze 8 so zugeschnit­ ten, daß sie beim Auflegen auf die Halbleiterkörper 1 an einer Seite mit einem Teil 9 den Halbleiterkörper 1 überlappen. Auf diesen überlappenden Teil 9 des Netztes 8 wird nun ein weite­ rer ebenfalls mit Netz versehener Halbleiterkörper 1′ derart aufgelegt, daß ein Kontakt zwischen Netz 9 und dem elektri­ schen Rückkontakt 2 des zweiten Halbleiterkörpers hergestellt wird. In gleicher Weise wird der Halbleiterkörper 1′ mit einem weiteren Halbleiterkörper 1′′ und dieser mit weiteren elek­ trisch in Serie geschaltet. Ist eine gewünschte Anzahl von Einzelzellen verschaltet, wird die gesamte Anordnung zwischen zwei Kunststoffolien (6, 7) gelegt, die Zwischenräume evakuiert und die Folien in den die Zellen bzw. das Modul überlappenden Bereichen verschweißt. Die Fig. 4 zeigt diese Anordnung im schematischen Querschnitt.

3. Ausführungsbeispiel (Fig. 5)

Es werden Halbleiterkörper 1 wie im ersten Ausführungsbeispiel mit Rückkontakt, pn-Übergang, TCO-Schicht und metallischem flexiblen Netz versehen. Eine gewünschte Anzahl derartiger An­ ordnungen wird nun übereinandergestapelt, wobei jede Solarzel­ le gegenüber der darunterliegenden in der gleichen Richtung seitlich versetzt ist, so daß sie nur mit einem geringen Teil ihrer Oberflächen überlappen. Dort wird dadurch ein elektri­ scher Kontakt der Halbleiterkörper hergestellt, der zur Serien­ verschaltung der gesamten Anordnung führt. In einem Arbeits­ schritt werden nun sowohl die Elektroden auf den Halbleiter­ körpern als auch die einzelnen Halbleiterkörper in der Stapel­ anordnung fixiert, indem die gesamte Anordnung zwischen zwei Plastikfolien unter Anlegen eines Vakuums eingeschweißt wird.

Bei allen vorgestellten Ausführungsbeispielen ist ein Verlöten der einzelnen Zellen mit versilberten Kupfer- oder Neusilber­ bändchen nicht mehr notwendig. Durch die Spiralform der Metall­ drähte ist dem Netz eine mechanische Spannung eingebaut, die für einen ständigen Druck auf die TCO-Schicht 4 sorgt. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn eine Solarzelle während der Tag- und Nachtzyklen starken Temperaturwechseln ausgesetzt ist, die aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungs­ koeffizienten zu Verspannungen in der Solarzelle bzw. Modul führen können.

Claims (9)

1. Verfahren zum Erzeugen von elektrischen Front- und/oder Rückkontakten auf dem Halbleiterkörper (1) einer Solarzelle mit insbesondere welliger Oberfläche, bei dem

• - der Halbleiterkörper (1) auf der zu kontaktierenden Ober­ fläche mit einer transparenten elektrisch leitfähigen Oxid­ schicht (4) (TCO) versehen wird,
• - ganzflächig auf dieser Oxidschicht (4) ein flexibles metal­ lisches Netz (5) aufgelegt wird und
• - der Halbleiterkörper (1) mit dem Netz (5) derart in eine transparente Kunststoffolie (6, 7) eingeschweißt wird, daß durch die eng aufliegende Folie ein inniger elektrischer Kontakt des Netzes (5) zur Oxidschicht (4) gewährleistet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Einschweißen des mit dem Netz (5) versehenen Halbleiterkörpers (1) im Vakuum oder unter reduzier­ tem Druck erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein aus Drahtspiralen beste­ hendes Netz aufgelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein aus Zickzackfedern beste­ hendes Netz aufgelegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Kupfer- oder Silber­ draht bestehendes Netz aufgelegt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem Netz versehenen Halbleiterkörper in eine Folie aus EVA eingeschweißt werden.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Netz (8) so aufgelegt wird, daß es einseitig über eine Kante des Halbleiterkörpers (1) übersteht und daß vor dem Einschweißen ein gleichartiger Halbleiterkörper (1′) mit elektrisch leitfä­ higem Rückkontakt auf den überstehenden Teil (9) des Netzes (8) so aufgelegt wird, daß beim Einschweißen eine Serienver­ schaltung der beiden Halbleiterkörper (1, 1′) erzielt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine gewünschte Anzahl gleichartiger Solarzellenhalbleiterkörper zu einem photovoltaischen Modul verschaltet wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Netz je­ weils bündig auf die Oxidschicht der Halbleiterkörper aufge­ legt wird, auf einem ersten dieser mit Netz versehenen Halblei­ terkörper ein zweiter gleichartiger Halbleiterkörper derart aufgelegt wird, daß lediglich ein schmaler Bereich der Ober­ fläche des ersten Halbleiterkörpers entlang einer Seitenkante überlappt wird, anschließend auf der gegenüberliegenden Ober­ flächenkante dieses zweiten Halbleiterkörpers in gleicher Weise ein dritter und auf den jeweils letzten schließlich weitere Halbleiterkörper aufgelegt werden, bis eine gewünschte Anzahl von Solarzellen zur Serienverschaltung übereinander liegt und daß die gesamte Anordnung anschließend in die Kunst­ stoffolie eingeschweißt wird, wobei sowohl zwischen einer Ober­ fläche und dem darüberliegenden Netz als auch zwischen Netz und dem Rückseitenkontakt des jeweils benachbarten Halbleiter­ körpers im Überlappungsbereich eine stabile elektrisch leiten­ de Verbindung entsteht.