EP1075708A2 - Verfahren zur herstellung von kontaktstrukturen in solarzellen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von kontaktstrukturen in solarzellen

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EP1075708A2
EP1075708A2 EP99929034A EP99929034A EP1075708A2 EP 1075708 A2 EP1075708 A2 EP 1075708A2 EP 99929034 A EP99929034 A EP 99929034A EP 99929034 A EP99929034 A EP 99929034A EP 1075708 A2 EP1075708 A2 EP 1075708A2
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EP
European Patent Office
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layer
etching
mask
sequence
contact
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99929034A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf LÜDEMANN
Sebastian Schaefer
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing contact structures in solar cells, and to solar cells with these contact structures.
  • the invention relates in particular to structures of trenches or holes and methods for their implementation, which enable novel contacts to be made with solar cells.
  • Solar cells are components that convert light into electrical energy. They usually consist of a semiconductor material which contains regions or layers of different mobility for positive and negative charge carriers, n- or p-conducting regions. The areas are called emitters or bases. Positive and negative charge carriers generated by incident light are separated and can be removed by means of metallic contacts provided on the respective areas. Accordingly, only those charge carriers that reach the contacts and do not previously recombine with another charge carrier contribute to the usable electrical power of the solar cells.
  • the metallic contacts are generally produced by evaporating metal, which is then galvanically thickened, by electroless deposition of nickel or by printing a metal paste on the surface of the areas to be contacted. If these areas do not extend over the entire solar cell surface or for other reasons (eg shadowing of the light, increased recombination at the contact, etc.)
  • the metal may only be applied in places, as described below, this is ensured by using masks during manufacture.
  • a photolithographically produced resist mask (3) is usually applied directly to the surface of the layer (1) to be contacted, as shown in FIG.
  • a metal layer (4) is then deposited from the metal vapor (5) over the entire surface and the paint mask is removed.
  • Another structuring option is to put on or clip on a shadow mask (3), as shown in FIG. 1b.
  • the further process steps take place as described in connection with FIG.
  • Printing processes can also be used to apply the metallization.
  • masks are used, for example screen printing masks (3) or preformed clichés (stamp or pad printing).
  • Figure lc shows the screen printing process, in which metal in the form of a metal paste (6) is pressed into the spaces between the mask by means of a doctor blade (7).
  • the metal contacts produced with the methods just described are usually realized in a comb-like form, i.e. they form so-called grids.
  • solar cells consist of full-surface base and emitter areas, with the emitter mostly on the side facing the light
  • Figure 2 shows a solar cell with the base layer (1), the emitter layer (2) and the emitter grid (8) for contacting the emitter.
  • the front, from which the light (10) is incident, is formed by the emitter layer (2).
  • the base contact (9) is applied over the entire surface of the back of the base layer (1).
  • Emitter layer contacted via trenches, which in turn are in contact with a grid applied to the surface of the solar cell.
  • the trenches are produced in this solar cell using an etching process. Due to the arrangement and shape of the grids, undesirable shading of the surface of the solar cell must also be accepted.
  • a disadvantage of this method is that the trenching using a laser is a very complex process.
  • the laser beam must be guided over the entire surface of the solar cell via a precise deflection or displacement device.
  • the action of the laser beam also damages the solar cell, so that the trenches must then be etched in order to remove the damaged layer.
  • This also applies to mechanically generated, for example sawn, trenches.
  • simplifying production and developing cheaper starting materials represent the most important challenges for solar cell technology.
  • the elimination of masks during metallization means a significant simplification.
  • Two recently described methods for the mask-free production of grids are based on the texturing of the surface by sawn trenches similar to a sawtooth pattern.
  • the solar cell consists only of a thin semiconductor layer (3-50 ⁇ m), which is applied to a carrier material.
  • a thin semiconductor layer (3-50 ⁇ m)
  • many of these substrates are not conductive. Therefore, the base cannot be contacted from the back through the substrate. Instead, a so-called single-sided grid must be used, which consists of two interlocking grids, each for contacting the base and the emitter.
  • FIG. 4a shows an example of the structure of a thin-film solar cell with one-sided contact.
  • the base layer (1) is applied here on an insulating substrate (11).
  • the selective emitter regions or layers (2) are embedded in the base layer. Both the emitter regions and the base are contacted by intermeshing emitter (8) or base grids (9), as shown in the figure.
  • the concept of single-sided contacting can simultaneously be used to connect several solar cells to one another on a substrate, as in German patent application P 197 15 138.8 is described.
  • both contacts and the selective emitter regions (2) are made on the back of the base layer (1) in order to completely eliminate the shadowing of light (10) on the front. If the contacts are implemented as narrow grids (8, 9), light that reaches the solar cell from the rear can also contribute to electricity generation (so-called "bifacial cell").
  • the method should enable the simple implementation of single-sided contacting of thin-film and rear-side contact solar cells.
  • the depressions are etched through to the first layer or layer sequence up to or into the underlying second layer.
  • the etching takes place in such a way that the etching mask is underetched.
  • electrically conductive material is introduced into the depressions, the etching mask forming a shadow mask for the introduction of the material due to the undercut and the resulting protruding edges.
  • the conductive material is introduced into the depressions only to an extent or up to a height such that there is no contact between the conductive material and the first shift or shift sequence.
  • the etching mask is removed.
  • the first steps are carried out as in the method according to claim 1.
  • the etching of the depressions is carried out in such a way that at least a region of the first layer or layer sequence receives or undercuts negative flanks.
  • the etching mask can already be removed.
  • electrically conductive material is introduced into the depressions, in which case the region of the first layer or layer sequence with negative flanks forms a shadow mask for the introduction of the material due to the resulting protruding edges.
  • the conductive material is only introduced into the depressions to an extent or up to a height such that there is no contact between the conductive material and the first layer or layer sequence.
  • contacting of the second layer through the first layer can be realized without additional masking or isolation.
  • This enables a base layer to be contacted through the emitter layer of a solar cell.
  • any pattern such as trenches or holes and combinations of trenches and holes, can be realized in one step.
  • photolithographically structured lacquer layers can be used as etching masks. It is also possible to use oxide, nitride or metal layers, for example, as etching masks. A particular advantage of the method is the possibility of using shadow masks that are simply placed on or clamped on, so that no additional masking step is required.
  • the electrically conductive material can be introduced by known methods, such as, for example, the methods described in the introduction to the description in connection with FIG. 1.
  • a solar cell according to the invention which has been provided with a contact structure in accordance with the method according to claim 2, has depressions or openings in the first layer or layer sequence which extend to or into the second layer or layer sequence.
  • the depressions have inclined flanks, at least in a region of the first layer or layer sequence, the mutual spacings of which increase with the depth (negative flanks).
  • Electrically conductive material is introduced into the depressions only to an extent or up to a height such that there is no contact between the conductive material and the first layer or layer sequence.
  • inclined flanks are to be understood to mean both straight and curved flanks, in other words any flank shape that deviates from the normal (to the surface of the solar cell or the first layer or etching mask). Of course, this also includes steps in the flank, which have horizontal areas which lead to the enlargement of the cross section of the depression with the depth, as oblique or negative flanks in the present sense.
  • the method according to the invention is an improvement of known contact structures or contacting methods for solar cells.
  • the core of the method according to claims 1 and 2 are specially shaped depressions.
  • the specified etching processes are preferably implemented using a plasma etching process (cf. claim 8).
  • the depressions in the form of trenches or holes are distinguished by the fact that they cause partial self-masking due to specific undercut or flank shape (cf. FIG. 6, claim 2).
  • This shape of the depressions can be realized by specifically controlling the etching or else by different etching behavior of the materials in different surface layers. Due to the (self-) masking achieved in this way, parts of the structure are not metallized during vapor deposition, so that short circuits between the emitter and base are prevented during the metallization.
  • this self-masking effect can also be achieved by etching processes which do not attack the mask necessary for producing the structure, but undercut so that the mask partially masks the flanks of the depressions during the metallization (see FIG. 7, Claim 1). Since the same mask is used for the structure generation and for the metallization, these are so-called self-aligning contact structures.
  • the trenches or holes should be narrow and deep, i.e. have a high aspect ratio (ratio of depth to width).
  • the trench or hole structures according to the invention cannot be produced by means of lasers or by mechanical shaping.
  • the structures can be realized to a limited extent, for example, by wet chemical etching.
  • wet chemical etching the property of some etching solutions can be exploited to etch faster in certain crystal directions than in others. This can lead to the desired structures on appropriately cut single-crystal material.
  • their size and geometry are determined by the crystal structure of the material.
  • etching solutions can be used which etch equally quickly in all crystal directions, and undercut the etching mask, but do not attack.
  • this purely isotropic etching erosion only produces hemispherical structures, ie a poor aspect ratio.
  • Plasma etching methods are therefore preferably used, with which the slope or undercut can advantageously be checked.
  • a high aspect ratio can also be achieved with plasma etching processes.
  • reactive and / or inert gases are ignited into plasmas by means of high-frequency and / or microwave radiation.
  • the resulting radicals can react with the sample surface (isotropic chemical etching) and / or ions are accelerated thereon by an electric field.
  • reactive ion etching RIE, “Reactive Ion Etching”
  • reactive ions mainly reactive ions are used, which not only knock out surface atoms or support chemical reactions through their energy, but can also react with surface atoms.
  • the directed ion current causes anisotropic removal. The ratio of isotropic and anisotropic etching and thus the undercutting or
  • Flank shape of the structures can be influenced in a targeted manner. This is independent of the material to be etched and its crystal orientation and can therefore also be used for inexpensive multicrystalline material.
  • plasma etching processes are dry-chemical processes extends the field of application beyond the wet-chemical processes.
  • plasma etching processes are dry processes, the material to be treated does not come into contact with liquids. Shadow masks can also be used as an etching mask, which is much cheaper than the photo-lithographic masks required for wet chemistry.
  • FIG. 1 shows examples of metallization processes in solar cells according to the prior art
  • Figure 2 is a schematic of a simple solar cell according to the
  • FIG. 3 examples of a maskless metallization of sawtooth structures according to the prior art
  • FIG. 4 examples of single-sided contacting of a thin-film solar cell (a) and a rear-side contact cell (b) according to the prior art
  • FIG. 5 shows an example of the steps for producing a selective emitter according to the prior art
  • FIG. 6 examples of the design of self-masking contact structures according to the invention
  • Figure 7 Examples of the self-adjusting
  • FIG. 8 shows an example of the steps in the self-adjusting production of buried contacts according to the invention
  • FIG. 9 shows an example of the contacting of the base of a solar cell according to the invention through a homogeneous emitter layer
  • FIG. 10 shows an example of the result of the metallization of a structure without using the method according to the invention
  • FIG. 11 shows an example of the metallization of the emitter and base according to the invention in the case of rear-side contact
  • FIGS. 12 shows an example of the inventive equal ⁇ term metallization of Einactivityorial- grids.
  • the examples of methods for metallization, contacting and configuration of solar cells in the prior art shown in FIGS. 1 to 5 have already been explained in the introduction to the description.
  • FIG. 6 shows examples of contact structures which were produced by undercutting or by etching negative flanks in a region of the emitter layer (2) located on the base layer (1) of a solar cell. All structures shown have a self-masking effect in the case of metal vapor deposition, so that after the metal has been deposited on the surface of the emitter layer, the emitter contact (8) and in the depressions the base contact (9) is formed in the form shown schematically. The depressions are only filled to the extent that the metal is deposited only for as long as there is no contact between the base contact (9) and the emitter layer (2).
  • flanks of the depressions shown in the figure show (in the figures from left to right) negative straight flanks, vertical flanks in the base layer with a negative area in the emitter layer, any flank shape with a negative area in the emitter layer, and a flank shape Isotropic etching with a negative area in the emitter layer.
  • the flank shapes shown can arise, for example, from different etching behavior in the emitter and base.
  • FIG. 7 shows examples of self-masking by under-etching the etching mask (3) according to one aspect presented the invention.
  • the meaning of the reference numerals corresponds to that of FIG. 6.
  • the etching mask (3) itself is not attacked during this under-etching.
  • the exact shape of the depressions no longer plays a role, ie no negative flanks in the emitter layer (2) as in FIG. 6 are required.
  • the right illustration shows an SEM image of a structure realized with the method.
  • This structure can be generated, for example, in an ECR reactor in the downstream mode.
  • an etching gas such as sulfur hexafluoride SF 6 at a gas flow of 30 sccm, a pressure of 3 Pa, a microwave power of 400W, a sample temperature of 10 ° C, a distance between sample and plasma of 200 mm and an etching time of 15 min Trench depth of 15 ⁇ m can be achieved.
  • additional high frequency (RIE) power of 20 W is used, the trenches can be made narrower and deeper in the same time.
  • One application example (example 1) of the method according to the invention is the self-aligning metallization of buried contacts in a solar cell.
  • the method represents an improvement in the trenches produced by laser or by sawing with regard to aspect ratio and damage to a buried contact cell.
  • an emitter contact can be implemented. If the structuring takes place on the base area of the solar cell, a base contact is realized.
  • a mask (3) is used to create the trenches (or holes). This can either be a photo - IS
  • lithographically generated paint mask or a shadow mask Correspondingly opened, existing layers (oxides, nitrides, metals, etc.) on the solar cell (1) can also be used as a mask.
  • a very narrow, deep structure can be produced by plasma etching (e.g. RIE or microwave-assisted RIE methods such as ECR-RIE) without damaging the mask, as is shown in FIG. 8a.
  • An undercut of the mask (3) can be seen in FIG. 8a. Accordingly, the mask also becomes
  • Metallization used and only then removed in a so-called "lift-off" process After removing the mask, a metallized trench (4) is obtained (FIG. 8b). This eliminates the need to adjust the metallization mask to the structure.
  • the metallization can be done either by vapor deposition or by filling the structures with metal paste. This can be done by doctoring or printing over the entire surface.
  • FIG. 9 Another exemplary embodiment according to the invention (example 2) allows for the first time the contacting of the base of a solar cell through a homogeneous emitter, ie through an emitter layer covering the entire surface.
  • This corresponds to a self-adjusting contact on the base with one-sided contact.
  • a single mask is sufficient for the production of the trenches or holes according to the invention and the subsequent metallization. Both the elaborate manufacture of a selective emitter and the adjustment of the metallization mask to the structure are eliminated. This provides a simple solar cell contact from one side, which applies to both thin-film cells insulating substrate as well as for back contact cells.
  • the trenches or holes are produced as in the previous example (example 1) by using a mask (3) on the emitter layer (2) (FIG. 9a).
  • the emitter layer (2) is located on the base layer (1).
  • the mask (3) is under-etched ( Figures 9b and 9d) or the flank shape of the recesses is etched ( Figure 9c) so that masking of the emitter (2) is ensured during the metallization.
  • the metallization is carried out by vapor deposition and possibly subsequent galvanic thickening of the metal. Since the vapor deposition does not take place exactly vertically, the emitter area in the structure or the depressions must also be masked, comparable to casting a shadow. This is ensured by the structure according to the invention.
  • the deposition or application of the metal may only take place up to a height within the depressions at which the metallization (9) is not yet in contact with the emitter layer (2).
  • This can be seen in the lower figures of FIGS. 9b to 9d.
  • the cross-sectional shape of the metallization (9) shown results from the masking.
  • the trenches or holes can also be produced wet-chemically in this application.
  • the etching rate is then isotropic, ie horizontally and vertically the same, only very broad structures can be realized, which result in a correspondingly large shading of the solar cell or a high contact resistance and low current conductivity of the contacts.
  • FIG. 9d shows a form of the vertical fung or trench, as can be generated by wet-chemical etching.
  • Suitable etching solutions or materials or crystal directions or the appropriate choice of parameters in the plasma etching process for producing the structures according to the invention can be found in the specialist literature at any time.
  • FIG. 11 shows an exemplary embodiment (example 3) for the simultaneous self-adjusting metallization of emitter and base in the case of rear-side contact cells. Since the entire rear side can be metallized in the case of rear-side contact cells, the trenches or holes according to the invention enable the self-adjusting contacting of the emitter and base at the same time.
  • structures are etched into the base (1) by the emitter (2). The self-masking shape of the structural flanks is crucial.
  • FIG. 11 shows the underetching of regions of the emitter layer (2) near the surface, as a result of which the depression in the region of the emitter layer receives oblique flanks, the spacing of which increases with depth.
  • the mask is then removed and it is a full-surface metallization follows.
  • the metallization on the emitter layer (2) forms the emitter contact (8)
  • the metallization in the recess forms the base contact (9).
  • different types of masks for generating the structures are possible. Due to the shape of the trenches or holes with protruding edges of the regions of the emitter layer near the surface, the metal is deposited as shown in FIG. 11, so that a short circuit between emitter (8) and base contact (9) is excluded. With the example shown, the emitter (2) and the base (1) are advantageously contacted simultaneously when a single mask is used.
  • the emitter contact (8) cannot be implemented over the entire surface, for example for realizing an emitter grid.
  • an additional metallization mask (13) is required.
  • the metallization of emitter (2) and base (1) can still be carried out in one step.
  • the additional mask (13) for defining the emitter contact is applied.
  • the emitter and base are contacted simultaneously.
  • the additional mask is then removed. This form of simultaneous metallization of the emitter and base can also be used for one-sided contacting from the front. It has the same advantages as in the previous example.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktstrukturen in Halbleiterbauelementen, insbesondere Solarzellen, sowie Halbleiterbauelemente mit diesen Kontaktstrukturen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden nach dem Positionieren einer Ätzmaske (3) über einer ersten Schicht bzw. Schichtfolge (2) Vertiefungen durch die erste Schicht bis an oder in eine darunterliegende zweite Schicht (1) geätzt. Das Ätzen erfolgt so, daß die Ätzmaske (3) unterätzt wird und/oder zumindest ein Bereich der ersten Schicht (2) negative Flanken erhält. Anschließend wird elektrisch leitfähiges Material (9) in die Vertiefungen eingebracht, wobei die Ätzmaske (3) oder die erste Schicht (2) eine Schattenmaske für das Einbringen des Materials bildet. Das leitfähige Material wird nur bis zu einer Höhe in die Vertiefungen eingebracht, bei der noch kein Kontakt zwischen dem leitfähigen Material (9) und der ersten Schicht (2) besteht. Die Strukturen erlauben erstmals die Kontaktierung der Basis durch den Emitter ohne zusätzliche Maskierung. Die Erfindung ermöglicht dadurch eine einfachere und kostengünstige Herstellung von Metallkontakten an Solarzellen.

Description

Verfahren zur Herstellung von Kontaktstrukturen in
Solarzellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktstrukturen in Solarzellen, sowie Solarzellen mit diesen Kontaktstrukturen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Strukturen von Gräben oder Löchern und Verfahren zu ihrer Realisierung, die neuartige Kontaktierungen von Solarzellen ermöglichen.
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Üblicherweise bestehen sie aus einem Halbleitermaterial, das Bereiche bzw. Schichten unterschiedlicher Beweglichkeit für positive und negative Ladungsträger, n- bzw. p-leitende Bereiche, enthält. Die Bereiche werden als Emitter bzw. Basis bezeichnet. Durch einfallendes Licht erzeugte positive und negative Ladungsträger werden getrennt und können durch auf den jeweiligen Bereichen vorgesehene metallische Kontakte abgeführt werden. Zur nutzbaren elek- trischen Leistung der Solarzellen tragen entsprechend nur solche Ladungsträger bei, die die Kontakte erreichen und nicht vorher mit einem jeweils anderen Ladungsträger rekombinieren.
Die metallischen Kontakte werden in der Regel durch Aufdampfen von Metall, das anschließend galvanisch verdickt wird, durch stromlose Abscheidung von Nickel oder durch Aufdrucken einer Metallpaste auf die Oberfläche der zu kontaktierenden Bereiche hergestellt. Wenn sich diese Bereiche nicht über die gesamte Solar- zellenoberfläche erstrecken oder aus anderen Gründen (z.B. Abschattung des Lichts, erhöhte Rekombination am Kontakt, etc.) das Metall nur stellenweise aufgebracht werden darf, wie weiter unten beschrieben, wird dies durch Verwendung von Masken bei der Herstellung sichergestellt.
Beim Aufdampfen von Metall wird üblicherweise eine photolithographisch hergestellte Lackmaske (3) direkt auf die Oberfläche der zu kontaktierenden Schicht (1) aufgetragen, wie dies in Figur la dargestellt ist. Danach wird eine Metallschicht (4) aus dem Metalldampf (5) ganzflächig auf der Oberfläche abgeschieden und die Lackmaske entfernt.
Eine andere Möglichkeit der Strukturierung besteht im Auflegen bzw. Aufklemmen einer Schattenmaske (3), wie in Figur lb gezeigt. Die weiteren Prozeßschritte erfolgen wie in Verbindung mit Figur la beschrieben. Zum Aufbringen der Metallisierung sind auch Druckverfahren anwendbar. Auch hierbei werden Masken, beispielsweise Siebdruckmasken (3) oder vorgeformte Klischees (Stempel- oder Tampondruck), eingesetzt.
Figur lc zeigt das Siebdruckverfahren, bei dem Metall in Form einer Metallpaste (6) mittels eines Rakels (7) in die Zwischenräume der Maske gedrückt wird.
Die mit den gerade beschriebenen Verfahren herge- stellten Metallkontakte werden meist in einer kammartigen Form realisiert, d.h. sie bilden sog. Grids .
In der einfachsten Form bestehen Solarzellen aus ganzflächigen Basis- und Emitterbereichen, wobei der Emitter meist auf der dem Licht zugewandten Seite
(Vorderseite) liegt (siehe Figur 2 ) . Dadurch kann die Basis durch ganzflächiges Aufbringen von Metall auf der Rückseite kontaktiert werden. Der Emitter wird mit einem Grid kontaktiert, mit dem Ziel, möglichst wenig Licht durch Reflexion am Metallkontakt für die Solarzelle zu verlieren. Man spricht von der Abschattung der Solarzelle durch die Kontaktierung. Je geringer die Abschattung, d.h. je mehr Licht in die Solarzelle gelangen kann, desto größer ist die Stromausbeute der Zelle pro Fläche, und somit der Wirkungsgrad. Um einen Stromtransport mit geringem Widerstand zu garantieren, dürfen der Abstand der Gridfinger nicht zu groß, Anzahl und Querschnitt nicht zu klein gewählt werden. Eine gewisse Abschattung muß also in Kauf genommen werden.
Figur 2 zeigt eine Solarzelle mit der Basisschicht (1), der Emitterschicht (2) und dem Emittergrid (8) zur Kontaktierung des Emitters. Die Vorderseite, von der das Licht (10) einfällt, wird durch die Emitterschicht (2) gebildet. Auf der Rückseite der Basisschicht (1) ist der Basiskontakt (9) ganzflächig aufgebracht.
Die WO 88/03709 AI beschreibt eine derartige Solarzelle. Bei dieser Solarzelle wird die
Emitterschicht über Gräben kontaktiert, die wiederum mit einem auf der Oberfläche der Solarzelle aufgebrachten Grid in Kontakt sind. Die Gräben werden bei dieser Solarzelle über einen Ätzprozeß erzeugt. Durch die Anordnung und Form der Grids muß jedoch auch hier eine unerwünschte Abschattung der Oberfläche der Solarzelle in Kauf genommen werden.
Eine Möglichkeit, die Abschattung durch die Metallkontakte zu verringern, besteht darin, die
Gridfinger hoch und schmal zu gestalten, wie dies in S.W. Glunz et al . , Optimized High-Efficiency Silicon Solar Cells with Jsc= 42 mA/cm2 and η= 23.3 %, 14th EU- PVSEC Barcelona, Spain (1997), vorgeschlagen wird. Dadurch wird die von den Kontakten abgedeckte Solarzellenfläche verringert, ohne den Querschnitt und damit die Leitfähigkeit des Grids zu verringern. Das Verfahren erfordert jedoch eine spezielle Lackmaske, die sicherstellt, daß während der galvanischen Verdickung des aufgedampften Metalls das Grid nur in die Höhe wächst. Das Aufdrucken solcher feiner Kontakte ist nach dem heutigen Stand der Technik nicht möglich.
In der US 4726850 wird ein anderes Konzept, die sog. "buried contact cell", vorgestellt. Diese basiert auf durch Laser erzeugten Gräben (siehe auch US 4626613), die mit Metall gefüllt werden. Die Abschattung der Solarzelle wird dabei durch die Breite der Gräben bestimmt und kann minimiert werden, während durch die Tiefe der Gräben der Querschnitt der Kontakte erhalten bleibt. Ein weiterer Vorteil von solchen ver- grabenen Kontakten liegt in der größeren Kontaktfläche zwischen Metall und Solarzelle, wodurch der Kontakt- widerstand herabgesetzt wird.
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß das Erzeugen der Gräben mittels Laser ein sehr aufwendiger Prozeß ist. Hierbei muß der Laserstrahl über eine präzise Ablenk- oder Verfahreinrichtung über die gesamte Oberfläche der Solarzelle geführt werden. Durch die Einwirkung des Laserstrahls wird zudem die Solarzelle geschädigt, so daß die Gräben anschließend geätzt werden müssen, um die geschädigte Schicht abzutragen. Dies gilt auch für mechanisch erzeugte, beispielsweise gesägte, Gräben. Neben der Steigerung des Wirkungsgrades stellen die Vereinfachung der Herstellung und die Entwicklung billigerer Ausgangsmaterialien die wichtigsten Herausforderungen für die Solarzellentechnologie dar. Bezogen auf die Kontaktierung bedeutet der Verzicht auf Masken bei der Metallisierung eine erhebliche Vereinfachung. Zwei kürzlich beschriebene Verfahren zur maskenlosen Herstellung von Grids basieren auf der Texturierung der Oberfläche durch gesägte Gräben ähnlich einem Sägezahn- muster.
So wird in M. Verbeek et al . , Mechanically Grooved High-Efficiency Silicon Solar Cells with Self-Aligned Metallisation, 25th IEEE-PVSC Washington, U.S.A. (1996), ein erstes Verfahren vorgeschlagen, bei dem durch schräges Bedampfen aufgrund der gegenseitigen Abschattung nur die Spitzen der "Sägezähne" metallisiert werden. Dies ist schematisch in Figur 3a dargestellt. Die Figur zeigt die gesägte Oberfläche einer zu kontaktierenden Schicht (1), an deren Spitzen durch schräges Bedampfen (5) nur einseitig eine Metallisierung (4) erzeugt wird.
Ein zweites Verfahren wird von C. Gerhards et al . , Mechanically V-Textured Low Cost Multicrystalline Silicon Solar Cells with a Novel Printing Metalliza- tion, 26th IEEE-PVSC Anaheim, U.S.A. (1997), beschrieben. Das Verfahren ermöglicht durch die Erzeugung unterschiedlich hoher "Sägezähne" eine selektive Metallisierung durch sog. "roller printing", bei dem eine Metallpaste (6) mittels eines Rakels (7) aufgetragen wird, wie in Figur 3b dargestellt.
Bei beiden Verfahren muß jedoch nach dem Sägen eine ca. 3-5 μ dicke geschädigte Schicht durch Ätzen entfernt werden. Außerdem eignen sie sich aufgrund der beim Sägen auftretenden mechanischen Verspannungen nicht für empfindliche Materialien, wie z.B. einige bandgezogene Materialen oder dünne abgeschiedene Schichten. Auch für Dünnschichtsolarzellen sind sie ungeeignet, da die minimal erzielbaren Sägetiefen meist größer als die Dicke der aktiven Solarzellenschichten (3-50 μm) sind.
Im Zuge der Entwicklung von billigeren Ausgangs- materialien kommt dem Konzept der Dünnschichtsolarzelle auf einem kostengünstigen Substrat eine besondere Bedeutung zu. Die Solarzelle besteht dabei nur aus einer dünnen Halbleiterschicht (3-50 μm) , die auf ein Trägermaterial aufgebracht ist. Viele dieser Substrate sind allerdings nicht leitfähig. Deshalb kann der Kontakt zur Basis nicht von der Rückseite über das Substrat erfolgen. Statt dessen muß ein sog. Einseitengrid verwendet werden, das aus zwei ineinandergreifenden Grids, jeweils zur Kontaktierung der Basis und des Emitters, besteht.
Figur 4a zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Dünnschichtsolarzelle mit Einseitenkontaktierung. Die Basisschicht (1) ist hier auf einem isolierenden Substrat (11) aufgebracht. In die Basisschicht sind die selektiven Emitterbereiche bzw. -schichten (2) eingebettet. Die Kontaktierung sowohl der Emitterbereiche als auch der Basis erfolgt durch ineinandergreifende Emitter- (8) bzw. Basisgrids (9) , wie in der Figur dargestellt . Das Konzept der Einseitenkontaktierung kann gleichzeitig dazu genutzt werden, auf einem Substrat mehrere Solarzellen miteinander zu verschalten, wie in der deutschen Patentanmeldung P 197 15 138.8 beschrieben ist.
Die gleichen Ausführungen gelten auch für die Rückseitenkontaktzelle, einem Konzept für hocheffi- ziente Solarzellen, wie sie in Figur 4b gezeigt ist. Hier sind beide Kontakte sowie die selektiven Emitterbereiche (2) auf der Rückseite der Basisschicht (1) ausgeführt, um die Abschattung von Licht (10) auf der Vorderseite völlig zu eliminieren. Werden die Kontakte als schmale Grids (8, 9) realisiert, kann auch Licht, das von der Rückseite auf die Solarzelle gelangt, zur Stromerzeugung beitragen (sog. "bifacial cell").
Die Realisierung dieser Einseitenkontaktierung ist bislang allerdings nur durch sehr aufwendige Verfahren möglich. Dabei wird über mehrere Maskenschritte ein sog. selektiver Emitter erzeugt, d.h. der Emitter besteht nicht aus einer homogenen Schicht, sondern aus Teilbereichen, die der Form des Emittergrids entsprechen. Das Herstellungsverfahren ist in Figur 5 dargestellt. Die Oberfläche der Basisschicht (1) wird zunächst maskiert (Figur 5a) . Anschließend wird das Material zur Erzeugung der Emitterbereiche (2) an den durch die Maske (3) vorgegebenen Stellen in die Oberfläche der Basisschicht (1) eindiffundiert (Figur
5b). In einem anschließenden " lift-off " -Prozeß wird die Maske (3) entfernt (Figur 5c), so daß die in Figur 5d gezeigte Struktur mit Basis (1) und selektiven Emitterbereichen (2) resultiert. Auf diese Weise bleiben an der Oberfläche Bereiche, die zur Basis (1) gehören, erhalten und können an der Oberfläche kontaktiert werden. Das genaue Aufbringen der jeweiligen Metallkontakte auf den entsprechenden Emitter- bzw. Basisbereich stellt jedoch ein kritisches Justageproblem dar und erfordert zusätzliche Masken.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktstrukturen in Solarzellen sowie Solarzellen mit Kontaktstrukturen bereitzustellen, die auf einfache und kostengünstige Weise realisiert werden können.
Weiterhin soll das Verfahren die einfache Realisierung von Einseitenkontaktierungen von Dünnschicht- und Rückseitenkontakt-Solarzellen ermöglichen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und 2 bzw. mit der Solarzelle nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung
(Anspruch 1) werden nach dem Positionieren der Ätzmaske über der ersten Schicht oder Schichtfolge die Vertiefungen durch die erste Schicht oder Schichtfolge bis an oder in die darunterliegende zweite Schicht geätzt. Erfindungsgemäß erfolgt das Ätzen hierbei so, daß die Ätzmaske unterätzt wird. Anschließend wird elektrisch leitfähiges Material in die Vertiefungen eingebracht, wobei die Ätzmaske aufgrund der Unterätzung und der daraus resultierenden überstehenden Ränder eine Schattenmaske für das Einbringen des Materials bildet. Das leitfähige Material wird nur in einem Maße bzw. bis zu einer Höhe in die Vertiefungen eingebracht, daß kein Kontakt zwischen dem leitfähigen Material und der ersten Schicht oder Schichtfolge entsteht. Abschließend wird die Ätzmaske entfernt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfin- düng (Anspruch 2) werden die ersten Schritte wie beim Verfahren gemäß Anspruch 1 durchgeführt. Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird jedoch das Ätzen der Vertiefungen so durchgeführt, daß zumindest ein Bereich der ersten Schicht oder Schichtfolge negative Flanken erhält bzw. unterätzt wird. Nach dem Ätzschritt kann die Ätzmaske bereits entfernt werden. Anschließend erfolgt das Einbringen von elektrisch leitfähigem Material in die Vertiefungen, wobei in diesem Fall der Bereich der ersten Schicht oder Schichtfolge mit nega- tiven Flanken aufgrund der daraus resultierenden überstehenden Ränder eine Schattenmaske für das Einbringen des Materials bildet. Das leitfähige Material wird auch hier nur in einem Maße bzw. bis zu einer Höhe in die Vertiefungen eingebracht, daß kein Kontakt zwischen dem leitfähigen Material und der ersten Schicht oder Schichtfolge entsteht.
Durch die besonders vorteilhaften Aspekte der erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 und 2 läßt sich ohne zusätzliche Maskierung oder Isolation eine Kontaktierung der zweiten Schicht durch die erste Schicht hindurch realisieren. Dies ermöglicht die Kontaktierung einer Basisschicht durch die Emitterschicht einer Solarzelle hindurch. Mit den Verfahren lassen sich beliebige Muster, wie Gräben oder Löcher und Kombinationen von Gräben und Löchern, in einem Schritt realisieren. Bei Anwendung der Verfahren entsteht keine signifikante Schädigung der Solarzelle, und das zu behandelnde Material wird keinem mechanischen Streß ausgesetzt .
Als Ätzmasken können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Ansprüche 1 und 2 beispielsweise photolithographisch strukturierte Lackschichten eingesetzt werden. Auch die Verwendung beispielsweise von Oxid-, Nitrid-, oder Metallschichten als Ätzmasken ist möglich. Besonders vorteilhaft an dem Verfahren ist die Möglichkeit der Verwendung von Schattenmasken, die lediglich aufgelegt oder aufgeklemmt werden, so daß kein zusätzlicher Maskierungsschritt erforderlich ist. Das Einbringen des elektrisch leitfähigen Materials kann durch bekannte Verfahren, wie beispielsweise die in der Beschreibungseinleitung in Verbindung mit Figur 1 beschriebenen Verfahren, erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Solarzelle, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 2 mit einer Kontaktstruktur versehen wurde, weist Vertiefungen oder Öffnungen in der ersten Schicht oder Schichtfolge auf, die sich bis an oder in die zweite Schicht oder Schichtfolge er- strecken. Die Vertiefungen haben zumindest in einem Bereich der ersten Schicht oder Schichtfolge schräg verlaufende Flanken, deren gegenseitige Abstände mit der Tiefe zunehmen (negative Flanken) . In den Vertiefungen ist elektrisch leitfähiges Material nur in einem Maße bzw. bis zu einer Höhe eingebracht, daß kein Kontakt zwischen dem leitfähigen Material und der ersten Schicht oder Schichtfolge besteht. Unter schräg verlaufenden Flanken sind hierbei sowohl geradlinige als auch gekrümmte Flanken zu verstehen, mit anderen Worten jede Flankenform, die von der Senkrechten (zur Oberfläche der Solarzelle bzw. der ersten Schicht oder Ätzmaske) abweicht. Dies umfaßt selbstverständlich auch Stufen in der Flanke, die waagrecht verlaufende Bereiche, die zur Vergrößerung des Querschnitts der Vertiefung mit der Tiefe führen, als schräge bzw. negative Flanken im vorliegenden Sinne haben.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine Verbesserung bekannter Kontaktstrukturen bzw. Kontaktierungs- verfahren für Solarzellen dar. Kernstück des Verfahrens gemäß Anspruch 1 und 2 sind speziell geformte Vertiefungen. Die angegebenen Ätzvorgänge werden vorzugsweise durch ein Plasmaätzverfahren realisiert (vgl. Anspruch 8 ) .
Die Vertiefungen in Form von Gräben oder Löchern zeichnen sich dadurch aus, daß sie aufgrund gezielter Unterätzung bzw. Flankenform eine teilweise Selbstmaskierung bewirken (vgl. Figur 6, Anspruch 2) . Diese Form der Vertiefungen kann durch gezielte Steuerung der Ätzung oder auch durch unterschiedliches Ätzverhalten der Materialien in verschiedenen Oberflächenschichten realisiert werden. Durch die so erzielte (Selbst-) Maskierung werden beim Bedampfen Teile der Struktur nicht metallisiert, so daß bei der Metallisierung Kurz- Schlüsse zwischen Emitter und Basis verhindert werden.
Es ist deshalb erstmals eine Kontaktstruktur möglich, bei der die Basis einer Solarzelle nach homogener Dif- fusion des Emitters von der Emitterseite aus kontaktiert werden kann.
Dieser Selbstmaskierungseffekt kann neben der gezielten Formung der Vertiefungen auch durch Ätzverfah- ren erreicht werden, die die zur Erzeugung der Struktur notwendige Maske nicht angreifen, aber so unterätzen, daß die Maske die Flanken der Vertiefungen während der Metallisierung teilweise maskiert (vgl. Figur 7, Anspruch 1) . Da für die Strukturerzeugung und für die Metallisierung dieselbe Maske verwendet wird, handelt es sich um sog. selbstjustierende Kontaktstrukturen.
Um die Abschattung der Solarzelle zu minimieren und gleichzeitig eine hohe Stromleitfähigkeit der Kon- takte und einen geringen Kontaktwiderstand zu gewährleisten, sollten die Gräben oder Löcher schmal und tief sein, d.h. ein hohes Aspektverhältnis (Verhältnis von Tiefe zu Breite) aufweisen.
Die Erzeugung der erfindungsgemäßen Gräben- oder Löcherstrukturen kann nicht mittels Laser oder durch mechanische Formung erreicht werden. Die Strukturen sind beispielsweise durch naß-chemisches Ätzen in begrenztem Maße realisierbar. Zum einen kann die Eigenschaft mancher Ätzlösungen ausgenutzt werden, in bestimmte Kristallrichtungen schneller zu ätzen als in andere. Auf entsprechend geschnittenem einkristallinem Material kann dies zu den gewünschten Strukturen führen. Allerdings ist deren Größe und Geometrie durch die Kristallstruktur des Materials vorgegeben.
Zum anderen können Ätzlösungen verwendet werden, die in alle Kristallrichtungen gleich schnell ätzen, und die Ätzmaske unterätzen, aber nicht angreifen. Allerdings erzeugt dieser rein isotrope Ätzabtrag lediglich halbkugelförmige Strukturen, d.h. ein schlechtes Aspektverhältnis.
Vorzugsweise werden daher Plasmaätzverfahren eingesetzt, mit denen sich in vorteilhafter Weise die Flankenneigung oder Unterätzung kontrollieren läßt. Mit Plasmaätzverfahren läßt sich zudem ein hohes Aspektverhältnis erzielen.
Beim Plasmaätzen werden reaktive und/oder inerte Gase mittels Hochfrequenz- und/oder Mikrowellen-Einstrahlung zu Plasmen gezündet. Die dadurch entstehenden Radikale können mit der Probenoberfläche reagieren (isotropes chemisches Ätzen) und/oder entstehende Ionen werden darauf durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Im Fall des Reaktive-Ionen-Ätzens (RIE, engl . : "Reactive Ion Etching") nutzt man dabei hauptsächlich reaktive Ionen, die nicht nur Oberflächenatome heraus- schlagen oder durch ihre Energie chemische Reaktionen unterstützen, sondern selbst mit Oberflächenatomen reagieren können. Der gerichtete Ionenstrom bewirkt einen anisotropen Abtrag. Durch geschickte Wahl der Prozeßparameter kann das Verhältnis von isotropem und anisotropem Ätzen und damit die Unterätzung bzw.
Flankenform der Strukturen gezielt beeinflußt werden. Dies ist unabhängig vom zu ätzenden Material und seiner Kristallorientierung und demnach auch für kostengünstiges multikristallines Material anwendbar.
Die bei allen Plasmaprozessen mögliche Schädigung des behandelten Materials ist für Solarzellen extrem kritisch. Im Gegensatz zu den meisten anderen Halblei- terbauelementen soll in Solarzellen die Verlustleistung so gering wie möglich gehalten werden. Das bedeutet, daß die Rekombination von Ladungsträgern weitestgehend unterdrückt werden muß, damit möglichst viele Ladungs- träger die elektrischen Kontakte erreichen. Um dies zu gewährleisten, werden im vorliegenden Fall extrem schädigungsarme plasmaunterstützte Ätzverfahren eingesetzt, die keine negativen Einflüsse auf die Solarzelle haben. Erreicht wird dies durch geringe Ionenenergien und eine an den jeweiligen Prozeß angepaßte Kombination von Ätzgasen.
Die Tatsache, daß es sich bei Plasmaätzverfahren um trocken-chemische Verfahren handelt, erweitert den Anwendungsbereich über den naß-chemischer Verfahren hinaus. So ist beispielsweise bei Einsatz eines Plasmaätzverfahrens zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Kontaktstrukturen in vorteilhafter Weise die Behandlung von Dünnschichtsolarzellen auf porösen Substratmateria- lien möglich. Da Plasmaätzverfahren trockene Verfahren darstellen, kommt das zu behandelnde Material nicht in Berührung mit Flüssigkeiten. Auch können Schattenmasken als Ätzmaske verwendet werden, was sehr viel kostengünstiger ist als die für die Naßchemie nötigen photo- lithographischen Masken.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen
Figur 1 Beispiele für Metallisierungsverfahren bei Solarzellen nach dem Stand der Technik; Figur 2 ein Schema einer einfachen Solarzelle nach dem
Stand der Technik; Figur 3 Beispiele für eine maskenlose Metallisierung von Sägezahnstrukturen nach dem Stand der Technik;
Figur 4 Beispiele für eine Einseitenkontaktierung einer Dünnschichtsolarzelle (a) und einer Rückseitenkontaktzelle (b) nach dem Stand der Technik; Figur 5 ein Beispiel für die Schritte zur Herstellung eines selektiven Emitters nach dem Stand der Technik; Figur 6 Beispiele für die Ausgestaltung erfindungsgemäßer selbstmaskierender Kontaktstrukturen; Figur 7 Beispiele für die selbstjustierende
Metallisierung aufgrund von Selbstmaskierung durch Unterätzen der Ätzmaske gemäß einem Aspekt der Erfindung; Figur 8 ein Beispiel für die Schritte bei der selbst- justierenden Herstellung vergrabener Kontakte gemäß der Erfindung; Figur 9 ein Beispiel für die erfindungsgemäße Kontaktierung der Basis einer Solarzelle durch eine homogene Emitterschicht hindurch; Figur 10 ein Beispiel für das Ergebnis der Metallisierung einer Struktur ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figur 11 ein Beispiel für die erfindungsgemäße Metallisierung von Emitter und Basis bei Rückseiten- kontaktierung; und
Figur 12 ein Beispiel für die erfindungsgemäße gleich¬ zeitige Metallisierung von Einseitenkontakt- grids . Die in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Beispiele für Verfahren zur Metallisierung, Kontaktierung und Ausgestaltung von Solarzellen im Stand der Technik wurden bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert.
Figur 6 zeigt Beispiele für Kontaktstrukturen, die durch Unterätzung von bzw. durch Ätzen negativer Flanken in einem Bereich der auf der Basisschicht (1) einer Solarzelle befindlichen Emitterschicht (2) erzeugt wurden. Alle gezeigten Strukturen weisen bei der Metallbedampfung einen Selbstmaskierungseffekt auf, so daß nach dem Abscheiden des Metalls auf der Oberfläche der Emitterschicht der Emitterkontakt (8) und in den Vertiefungen der Basiskontakt (9) in der schematisch dargestellten Form entsteht. Die Vertiefungen werden hierbei nur soweit aufgefüllt bzw. die Abscheidung des Metalls erfolgt nur solange, daß kein Kontakt zwischen Basiskontakt (9) und Emitterschicht (2) entsteht. Die in der Figur dargestellten Flanken der Vertiefungen weisen (in den Abbildungen von links nach rechts) negative geradlinige Flanken, senkrechte Flanken in der Basisschicht mit negativem Be- reich in der Emitterschicht, eine beliebige Flankenform mit negativem Bereich in der Emitterschicht, und eine Flankenform nach isotroper Ätzung mit negativem Bereich in der Emitterschicht auf. Die gezeigten Flankenformen können beispielsweise durch unterschiedliches Ätzverhalten in Emitter und Basis entstehen.
In Figur 7 sind Beispiele für die Selbstmaskierung durch Unterätzen der Ätzmaske (3) gemäß einem Aspekt der Erfindung dargestellt. Die Bedeutung der Bezugszeichen entspricht der der Figur 6. Bei diesem Unterätzen wird die Ätzmaske (3) selbst nicht angegriffen. Die genaue Form der Vertiefungen spielt hierbei keine Rolle mehr, d.h. es sind keine negativen Flanken in der Emitterschicht (2) wie bei Figur 6 erforderlich.
In der rechten Abbildung ist eine REM-Aufnahme einer mit dem Verfahren realisierten Struktur dargestellt. Die Erzeugung dieser Struktur kann beispielsweise in einem ECR-Reaktor im Downstream-Modus durchgeführt werden. Bei Einsatz eines Ätzgases wie Schwefelhexafluorid SF6 bei einem Gasfluß von 30 sccm, einem Druck von 3 Pa, einer Mikrowellenleistung von 400W, einer Probentemperatur von 10°C, einem Abstand Probe-Plasma von 200 mm und einer Ätzzeit von 15 min kann beispielsweise eine Grabentiefe von 15 μm erreicht werden. Bei Einsatz zusätzlicher Hochfrequenz- (RIE-) Leistung von 20 W können die Gräben in der gleichen Zeit schmäler und tiefer realisiert werden.
Ein Anwendungsbeispiel (Beispiel 1) des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt die selbstjustierende Metallisierung von vergrabenen Kontakten in einer Solarzelle dar. Das Verfahren stellt eine Verbesserung der mittels Laser oder durch Sägen erzeugten Gräben bezüglich Aspektverhältnis und Schädigung einer "buried contact cell" dar.
Erfolgt die Strukturierung der Oberfläche vor der Emitterbildung, kann ein Emitterkontakt realisiert werden. Erfolgt die Strukturierung auf dem Basisgebiet der Solarzelle, wird ein Basiskontakt realisiert.
Zur Erzeugung der Gräben (oder Löcher) wird eine Maske (3) verwendet. Dies kann entweder eine photo- - I S
lithographisch erzeugte Lackmaske oder eine Schattenmaske sein. Auch entsprechend geöffnete, bereits vorhandene Schichten (Oxide, Nitride, Metalle, etc.) auf der Solarzelle (1) können als Maske verwendet werden. Durch Plasmaätzen (z.B. RIE oder mikrowellenunterstützte RIE-Verfahren wie ECR-RIE) kann eine sehr schmale, tiefe Struktur erzeugt werden, ohne die Maske zu beschädigen, wie dies in Figur 8a dargestellt ist. In Figur 8a ist hierbei eine Unterätzung der Maske (3) zu erkennen. Die Maske wird entsprechend auch zur
Metallisierung verwendet und erst danach in einen sog. "lift-off" -Prozeß entfernt. Nach dem Entfernen der Maske erhält man einen metallisierten Graben (4) (Figur 8b) . Eine Justage der Metallisierungsmaske auf die Struktur wird dadurch hinfällig. Die Metallisierung kann entweder durch Bedampfen erfolgen, oder durch Füllen der Strukturen mit Metallpaste. Dies kann durch Rakeln oder ganzflächiges Drucken geschehen.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel (Beispiel 2) erlaubt erstmals die Kontaktierung der Basis einer Solarzelle durch einen homogenen Emitter, d.h. eine die ganze Oberfläche bedeckende Emitterschicht hindurch. Dies ist in Figur 9 dargestellt. Dies entspricht einer selbstjustierenden Kontaktierung der Basis bei Einseitenkontaktierung. Dabei ist eine einzige Maske für die Erzeugung der erfindungsgemäßen Gräben oder Löcher und die anschließende Metallisierung ausreichend. Sowohl die aufwendige Herstellung eines selektiven Emitters als auch die Justage der Metallisierungsmaske auf die Struktur entfallen. Damit steht eine einfache Solarzellenkontaktierung von einer Seite zur Verfügung, die sowohl für Dünnschichtzellen auf isolierendem Substrat als auch für Rückseitenkontakt- zellen verwendet werden kann.
Die Gräben oder Löcher werden wie im vorangegangenen Beispiel (Beispiel 1) durch Verwendung einer Maske (3) auf der Emitterschicht (2) erzeugt (Figur 9a). Die Emitterschicht (2) befindet sich auf der Basisschicht (1) . Bei dem Verfahren wird entweder die Maske (3) soweit unterätzt (Figuren 9b und 9d) oder die Flankenform der Vertiefungen so geätzt (Figur 9c) , daß eine Maskierung des Emitters (2) bei der Metallisierung gewährleistet ist. Die Metallisierung erfolgt durch Bedampfen und eventuell anschließende galvanische Verdickung des Metalls. Da die Bedampfung nicht genau senkrecht stattfindet, muß auch der Emitterbereich in der Struktur bzw. den Vertiefungen maskiert sein, vergleichbar einem Schattenwurf . Dies wird durch die erfindungsgemäße Struktur sichergestellt. Die Abscheidung oder Aufbringung des Metalls darf für die Realisierung des Basiskontaktes (9) nur bis zu einer Höhe innerhalb der Vertiefungen erfolgen, bei der die Metallisierung (9) noch keinen Kontakt zur Emitterschicht (2) hat. Dies ist in den unteren Abbildungen der Figuren 9b bis 9d zu erkennen. Die dargestellte Querschnittsform der Metallisierung (9) ergibt sich aufgrund der Maskierung. Die Gräben oder Löcher können bei dieser Anwendung prinzipiell auch naß-chemisch erzeugt werden. Da die Ätzrate dann allerdings isotrop, d.h. horizontal wie vertikal gleich ist, sind nur recht breite Strukturen realisierbar, die eine entsprechend große Abschattung der Solarzelle oder einen hohen Kontaktwiderstand und geringe Stromleitfähigkeit der Kontakte mit sich bringen. Figur 9d zeigt hierbei eine Form der Vertie- fung bzw. des Grabens, wie sie durch naß-chemisches Ätzen erzeugt werden kann.
Geeignete Ätzlösungen oder Materialien bzw. Kristallrichtungen oder auch die geeignete Wahl der Parameter beim Plasmaätzverfahren zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Strukturen können jederzeit der Fachliteratur entnommen werden.
Wird für die Kontaktierung keine erfindungsgemäße Struktur mit Selbstmaskierungseffekt verwendet, und erfolgt die Kontaktierung nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Unterätzung einer Maske (3) mit anschließender Metallisierung durch dieselbe Maske, so kommt es zu Kurzschlüssen (12) zwischen Emitter (2) und Basiskontakt (9), wie in Figur 10 dargestellt. Die Solarzelle ist damit unbrauchbar.
Ein Ausführungsbeispiel (Beispiel 3) für die gleichzeitige selbsjustierende Metallisierung von Emitter und Basis bei Rückseitenkontaktzellen zeigt Figur 11. Da bei Rückseitenkontaktzellen die gesamte Rückseite metallisiert werden kann, ermöglichen die erfindungsgemäßen Gräben oder Löcher die gleichzeitige selbstjustierende Kontaktierung von Emitter und Basis. Wie im vorangehenden Beispiel (Beispiel 2) werden dazu Strukturen durch den Emitter (2) in die Basis (1) geätzt. Dabei ist die selbstmaskierende Form der Strukturflanken entscheidend. Figur 11 zeigt die Unterätzung von oberflächennahen Bereichen der Emitterschicht (2), wodurch die Vertiefung im Bereich der Emitterschicht schräge Flanken erhält, deren Abstand mit der Tiefe zunimmt. Anschließend wird die Maske entfernt und es er- folgt eine ganzflächige Metallisierung. Die Metallisierung auf der Emitterschicht (2) bildet den Emitterkontakt (8), die Metallisierung in der Vertiefung bildet den Basiskontakt (9). Es sind, wie in Beispiel 1 erläutert, unterschiedliche Arten von Masken zur Erzeugung der Strukturen möglich. Aufgrund der Form der Gräben oder Löcher mit überstehenden Rändern der oberflächennahen Bereiche der Emitterschicht wird das Metall wie in Figur 11 gezeigt abgeschieden, so daß ein Kurzschluß zwischen Emitter- (8) und Basis-Kontakt (9) ausgeschlossen ist. Mit dem dargestellten Beispiel werden in vorteilhafter Weise der Emitter (2) und die Basis (1) bei Einsatz einer einzigen Maske gleichzeitig kontaktiert.
Der Emitterkontakt (8) kann entgegen dem vorhergehenden Beispiel (Beispiel 3) auch nicht ganzflächig ausgeführt werden, beispielsweise zur Realisierung eines Emittergrids . Dazu wird, wie in Figur 12 darge- stellt, eine zusätzliche Metallisierungsmaske (13) benötigt. Die Metallisierung von Emitter (2) und Basis (1) kann aber dennoch in einem Schritt durchgeführt werden. Nach Erzeugung der Vertiefungen entsprechend dem vorangegangenen Beispiel (Beispiel 3) wird die zu- sätzliche Maske (13) zur Definition des Emitterkontakts aufgebracht. Bei der anschließenden ganzflächigen Metallisierung werden Emitter und Basis gleichzeitig kontaktiert. Anschließend wird die zusätzliche Maske entfernt. Diese Form der gleichzeitigen Metallisierung von Emitter und Basis ist auch auf die einseitige Kontaktierung von der Vorderseite anwendbar. Sie hat die gleichen Vorteile wie beim vorangegangenen Beispiel.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Kontaktstrukturen in Solarzellen, die zumindest eine erste Schicht oder Schichtfolge (2) über einer zweiten Schicht (1) aufweisen, mit folgenden Schritten:
Positionieren einer Ätzmaske (3) über der ersten Schicht oder Schichtfolge (2), wobei die Ätzmaske die Position der Kontaktstrukturen festlegt;
Ätzen von Vertiefungen an den durch die Ätzmaske (3) vorgegebenen Stellen durch die erste Schicht oder Schichtfolge (2) bis an oder in die darunterliegende zweite Schicht (1) derart, daß die Ätzmaske (3) unterätzt wird;
Einbringen von elektrisch leitfähigem Material (9) in die Vertiefungen, wobei die Ätzmaske (3) eine
Schattenmaske für das Einbringen des Materials bildet, und das leitfähige Material nur so eingebracht wird, daß kein Kontakt zwischen dem leitfähigen Material (9) und der ersten Schicht oder Schichtfolge (2) entsteht; und nachfolgendes Entfernen der Ätzmaske (3) .
2. Verfahren zur Herstellung von Kontaktstrukturen in Solarzellen, die zumindest eine erste Schicht oder Schichtfolge (2) über einer zweiten Schicht (1) aufweisen, mit folgenden Schritten:
Positionieren einer Ätzmaske (3) über der ersten
Schicht oder Schichtfolge (2), wobei die Ätzmaske die
Position der Kontaktstrukturen festlegt; - Ätzen von Vertiefungen an den durch die Ätzmaske (3) vorgegebenen Stellen durch die erste Schicht oder Schichtfolge (2) bis an oder in die darunterliegende zweite Schicht (1) derart, daß zumindest ein Bereich der ersten Schicht oder Schichtfolge (2) unterätzt wird bzw. negative Flanken erhält;
Entfernen der Ätzmaske (3); und
Einbringen von elektrisch leitfähigem Material (9) in die Vertiefungen, wobei der unterätzte Bereich bzw. die negativen Flanken der ersten Schicht oder Schicht- folge (2) eine Schattenmaske für das Einbringen des Materials bilden, und das leitfähige Material nur so eingebracht wird, daß kein Kontakt zwischen dem leitfähigen Material (9) und der ersten Schicht oder Schichtfolge (2) entsteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der unterätzte Bereich bzw. der Bereich mit negativen Flanken ein oberflächennaher Bereich der ersten Schicht oder Schichtfolge (2) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterätzen der Ätzmaske (3) oder das Ätzen negativer Flanken in einem Bereich der ersten Schicht oder Schichtfolge (2) durch gezielte Steuerung von Parametern des Ätzverfahrens und/oder durch unterschiedliches Ätzverhalten der für Ätzmaske und/oder erste Schicht oder Schichtfolge eingesetzten Materialien realisiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Material (9) gleichzeitig mit dem Einbringen in die Vertiefungen ganzflächig auf die erste Schicht oder Schichtfolge (2) aufgebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einbringen des leitfähigen Materials (9) eine neue Maske (13) zur Definition einer Kontaktstruktur für die erste Schicht oder Schichtfolge (2) auf die erste Schicht oder Schichtfolge aufgebracht wird, anschließend das leitfähige Material gleichzeitig mit dem Einbringen in die Vertiefungen auch in die Kontaktstruktur für die erste Schicht oder Schichtfolge eingebracht wird, und nachfolgend die neue Maske (13) entfernt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (2) eine Emitterschicht und die zweite Schicht (1) eine Basisschicht der Solarzelle ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ätzen ein Plasmaätzverfahren eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionieren der Ätzmaske (3) durch Aufbringen auf die erste Schicht oder Schichtfolge (2) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionieren der Ätzmaske (3) durch Anbringen als Schattenmaske über der ersten Schicht oder Schichtfolge (2) erfolgt.
11. Solarzelle, die zumindest eine erste Schicht oder Schichtfolge (2) über einer zweiten Schicht (1) aufweist, mit
Vertiefungen oder Öffnungen in der ersten Schicht oder Schichtfolge, die sich bis an oder in die zweite
Schicht erstrecken, und die zumindest in einem Bereich der ersten Schicht oder Schichtfolge schräg verlaufende
Flanken aufweisen, deren gegenseitige Abstände mit der
Tiefe zunehmen; und elektrisch leitfähigem Material (9) in den
Vertiefungen oder Öffnungen, das so eingebracht ist, daß kein Kontakt zwischen dem leitfähigen Material (9) und der ersten Schicht oder Schichtfolge (2) besteht.
12. Solarzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht die Emitterschicht und die zweite Schicht die Basisschicht der Solarzelle sind, so daß der Basiskontakt durch die Emitterschicht hindurch realisierbar ist.
13. Solarzelle nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen oder Öffnungen Gräben und/oder Löcher sind.
14. Solarzelle nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht oder Schichtfolge die schrägen Flanken in einem oberflächennahen Bereich aufweist.
15. Solarzelle nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen ein hohes Aspektverhältnis aufweisen.
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