EP1183739A1 - Verfahren sowie eine vorrichtung zur elektrischen kontaktierung einer mit wenigstens einer dielektrischen schicht überzogenen materialoberfläche - Google Patents

Verfahren sowie eine vorrichtung zur elektrischen kontaktierung einer mit wenigstens einer dielektrischen schicht überzogenen materialoberfläche

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EP1183739A1
EP1183739A1 EP00920665A EP00920665A EP1183739A1 EP 1183739 A1 EP1183739 A1 EP 1183739A1 EP 00920665 A EP00920665 A EP 00920665A EP 00920665 A EP00920665 A EP 00920665A EP 1183739 A1 EP1183739 A1 EP 1183739A1
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EP
European Patent Office
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dielectric layer
layer
light
material surface
arrangement
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00920665A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Preu
Stefan Glunz
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
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    • H01L31/02—Details
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    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells

Definitions

  • Another feature of such highly efficient solar cells are narrow ( ⁇ 40 ⁇ m) and high front contacts (> 10 ⁇ m) with low contact and line resistance.
  • the surface contacts designed as grid fingers should cover as little solar cell area as possible, so they have to be as narrow as possible, and should also have the lowest possible line resistance for removing the charge carriers separated in the solar cell, so their line cross-section should be as large as possible.
  • the metal layer is applied by vapor deposition.
  • a metal shadow mask can be used on the front of the solar cell to produce a suitable contact structure.
  • the invention is based on the idea of creating a specific pattern or a specific arrangement of contact openings through the passivation layer, which also serves as an anti-reflection layer, at which the material surface to be contacted, preferably the emitter and base layer of the solar cell, is completely exposed locally.
  • the local removal of the passivation layer is preferably carried out by means of laser ablation, i.e. direct laser light on the surface of the passivation layer removes it by sublimation until the bare emitter or base surface is exposed.
  • the ablation location that is to say the layer region to be processed, not exactly in the focal point or in the focal line of the microlens arrangement, but rather to arrange it somewhat behind the focal point or the focal line in the beam direction.
  • an increased homogeneity of the intensity is achieved on the surface or location to be ablated.
  • Increased damage, for example caused by hot spots, can be avoided in this way.
  • An alternative method according to the invention also uses the microlens array in combination with a liquid coupling medium, as described above, only in contrast to the above procedure does no material be removed by photoablation, but rather local electrical ones Contact points created by local sintering.
  • the starting point for this is a layer combination as mentioned at the beginning, but an electrically conductive layer, preferably a metal layer, is applied to the passivation layer, which is synonymous with the dielectric layer. If the light beams are directed onto the electrically conductive layer via the microlens arrangement in the same way as in the above method, sintering processes take place in the area of the focal positions, by means of which local electrical transitions are produced from the electrically conductive layer through the passivation layer to the material surface.
  • the liquid coupling medium serves an improved imaging optics with regard to greater depth of field and focal lengths as well as effective cooling of the layers.
  • the surface metal layer When contacting the front of the solar cell, the surface metal layer is preferably removed after exposure and the associated sintering, so that only the electrical contacting channels remain through the passivation layer for further processing.
  • the all-over electrically conductive layer can remain on the dielectric layer.
  • a liquid or viscous medium preferably water
  • a pump unit which conveys the water through the intermediate gap between the microlens arrangement and the passivation layer.
  • the microlenses Due to the presence of the coupling medium, the microlenses have a very large depth of field and can also be used on uneven substrates.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung einer mit wenigstens einer dielektrishen Schicht überzogenen Materialoberfläche. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Licht einer Lichtquelle auf eine Anordnung gerichtet wird, die aus einer Vielzahl, arrayförmig angeordneter optischer Mikrolinsen besteht, durch die das Licht auf die dielektrische Schicht gerichtet wird, dass zwischen der, aus einer Vielzahl arrayförmige angeordneter optischer Mikrolinsen bestehenden Anordnung und der dielektrischen Schicht ein flüssiges oder viskoses Medium eingebracht wird, das weitgehend transparent für das Licht der Lichtquelle ist, dass durch gezielte Belichtung der dielektrischen Schicht Material der dielektrischen Schicht lokal abgetragen wird, bis die Materialoberfläche jeweils lokal freigelegt wird, und dass an den Stellen der lokal freigelegten Materialoberfläche eine Metallisierung ausgehend von der Materialoberfläche durch die dielektrische Schicht hindurch erfolgt.

Description

Verfahren sowie eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung eines mit wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen Materialoberfläche
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung eines mit wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen, elektrisch zu kontaktierenden Materialoberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der Emitter und/oder Basisschicht einer Solarzelle, die jeweils mit einer dielektrischen Passivierungsschicht überzogen sind.
Stand der Technik
Die industrielle Fertigung von Solarzellen unterliegt bereits rein aus Wettbewerbsgründen den Bestrebungen Solarzellen mit möglichst hohem Wirkungsgrad, d.h. einer möglichst hohen elektrischen Stromausbeute aus dem auf die Solarzelle eintreffenden solaren Energiefluß, herzustellen und zugleich den Fertigungsaufwand und damit eng verbunden die Herstellungskosten gering zu halten.
Zum näheren Verständnis der bei einer optimierten Fertigung von Solarzellen zu beachtenden Maßnahmen sollen die nachstehenden Ausführungen dienen:
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Üblicherweise bestehen sie aus einem Halbleitermaterial - meist werden Solarzellen aus Silizium gefertigt -, das n- bzw. p-leitende Halbleiterbereiche aufweist. Die Halbleiterbereiche werden in an sich bekannter Weise als Emitter bzw. Basis bezeichnet. Durch auf die Solarzelle einfallendes Licht werden innerhalb der Solarzelle positive und negative Ladungsträger erzeugt, die an der Grenzfläche zwischen dem n- (Emitter) und p-dotierten (Basis) Halbleiterbereich, am sogenannten pn-Übergang räumlich voneinander getrennt werden. Mittels metallischer Kontakte, die mit dem Emitter und mit der Basis verbunden sind können diese voneinander getrennten Ladungsträger abgeführt werden.
In der einfachsten Form bestehen Solarzellen aus ganzflächigen Basis- 2 und Emitterbereichen 3, wobei der Emitter 3 auf der dem Licht zugewandten Seite, der Vorderseite der Solarzelle liegt. Zur Veranschaulichung sei an dieser Stelle auf Figur 1 verwiesen, die eine bekannte Solarzelle 1 zeigt.
Zur elektrischen Kontaktierung der Basis 2 wird für gewöhnlich die Rückseite der Solarzelle 1 mit einer ganzflächigen Metallschicht 4 versehen, auf die geeignete Rückseitenkontaktleiterbahnen 5, bspw. aus AlAg aufgebracht sind. Der Emitterbereich 3 wird mit einem Metall-Grid 6 kontaktiert mit dem Ziel, möglichst wenig Licht durch Reflexion am Metallkontakt für die Solarzelle zu verlieren, d.h. das Metall-Grid 6 weist eine Fingerstruktur auf, um möglichst wenig Solarzellenfläche zu verdecken. Zur Optimierung der Leistungsausbeute der Solarzelle 1 wird zudem versucht die optischen Verluste auf Grund von Reflexion möglichst klein zu halten. Erreicht wird dies durch die Abscheidung sogenannter Antireflexionsschichten 7 (ARC) auf der Vorderseitenoberfläche der Solarzelle 1. Die Schichtdicke der Antireflexionsschichten 7 ist so gewählt, daß sich im energetisch wichtigsten Spektralbereich gerade destruktive Interferenz des reflektierten Lichtes ergibt. Verwendete Antireflexmaterialien sind z.B. Titandioxid, Siliciumnitrid und Siliciumdioxid. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Reflexionsminderung durch Herstellung einer geeigneten Oberfächentextur mittels einem Ätz oder mechanischen Bearbeitungsverfahren erzielt werden, wie es auch aus der in Figur 2 dargestellten Solarzelle hervorgeht. Hier ist der Emitterbereich 3 sowie auch die auf dem Emitter aufgebrachte Antireflexionsschicht 7 derart strukturiert ausgebildet, daß das auf die strukturierte Oberfläche der Solarzelle 1 einfallende Licht an den pyramidenartig ausgebildeten Strukturen eine erhöhte
Einkopplungswahrscheinlichkeit hat. Auch im Falle der Solarzelle gemäß der Figur 2 erfolgt die elektrische Kontaktierung des Emitters 3 mit einem möglichst feingliedrigen Metall-Grid 6, von dem lediglich ein schmaler Kontaktfinger in Figur 2 dargestellt ist. Die Antireflexionsschicht 7 kann überdies auch als Passivierungsschicht dienen, die zum einen für einen mechanischen Oberflächenschutz sorgt aber zudem auch intrinsische Wirkungen besitzt hinsichtlich der Reduzierung von Oberflächenrekombinationsprozessen, auf die im weiteren genauer eingegangen wird.
Bei der elektrischen Kontaktierung einer Solarzelle ist zwischen der Vorder- und Rückseite zu unterscheiden. Während auf der Rückseite der Solarzelle versucht wird einen Kontakt herzustellen, der sich hauptsächlich durch einen niedrigen Kontakt- und Leitungswiderstand auszeichnet, muß auf der Vorderseite zusätzlich möglichst viel Licht in die Solarzeile eingekoppelt werden. Deshalb wird auf der Vorderseite normalerweise eine Kammstruktur, wie aus der Figur 1 ersichtlich, erzeugt, um sowohl die Widerstands- als auch die Abschattungsverluste klein zu halten. Auf der Rückseite der Solarzelle kommen für gewöhnlich sowohl ganzflächige als auch strukturierte z.B. gitterartige Kontakte zum Einsatz.
Die Oberflächen von Solarzellen hoher Wirkungsgrade zeichnen sich neben guten elektrischen Kontaktierungen zusätzlich durch eine niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit aus, d.h. die Wahrscheinlichkeit, daß Minoritätsladungsträger an die Oberfläche der Solarzelle gelangen und dort rekombinieren und somit nicht zum Photostrom beitragen, wodurch es zu einer erheblichen Wirkungsgradreduktion kommt, ist gering.
Realisiert werden kann dies entweder dadurch, daß a) keine Minoritätsladungsträger an die Oberfläche gelangen, oder daß b) sie an der Oberfläche nur mit geringer Wahrscheinlichkeit rekombinieren.
Die Methode a) kann dadurch realisiert werden, indem im Bereich der Oberfläche eine hohe Dotierung an Fremdatomen erzeugt wird oder, daß an der Oberfläche feste Ladungen in der Grenzschicht eingebaut werden. Eine hohe Dotierung ist durch die Emitterdotierung auf der Vorderseite in verschieden starker Ausprägung realisiert, auf der Rückseite kann hierzu unterstützend ein sogenanntes Rückseitenfeld, ein sogenanntes „Back Surface Field" eingebaut werden.
Eine hohe Dotierung ist jedoch stets mit dem Nachteil verbunden, daß zwar die Rekombinationswahrscheinlichkeit an den Oberflächen der Solarzelle reduziert werden kann, dafür erhöht sich jedoch die Rekombinationswahrscheinlichkeit innerhalb der Solarzellenschicht. Ladungen können z.B. auch durch eine Schicht aus Siliciumnitrid, die besonders gut als Antireflexionsschicht dient, eingebaut werden.
Die Methode b) kann dadurch realisiert werden, daß die
Oberflächenrekombinationszustände verringert werden, z.B. dadurch, daß an der Oberfläche aufgebrochene und somit nicht abgesättigte Siliziumbindungen durch eine Schicht aus Siliziumnitrid oder Silizumdioxid abgesättigt werden die, wie oben beschrieben, an der Vorderseite auch als Antireflexschicht verwendet werden können. Diese Passivierung kann sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite angewendet werden und ist ein wichtiges Merkmal hocheffizienter Solarzellen.
Ein weiteres Merkmal derartiger hocheffizienter Solarzellen sind schmale (<40μm) und hohe Vorderseitenkontakte (>10 μm) mit niedrigem Kontakt- und Leitungswiderstand. Die als Grid-Finger ausgebildeten Oberflächenkontakte sollen möglichst wenig Solarzellenfläche abdecken, also müssen sie möglichst schmal ausgebildet sein, sollen überdies für die Abführung der in der Solarzelle getrennten Ladungsträger einen möglichst geringen Leitungswiderstand aufweisen, also sollte ihr Leitungsquerschnitt möglichst groß sein.
Die wichtigsten bekannten Metallisierungstechnologien für die Vorder- und Rückseitenkontakte einer Solarzelle sind:
Siebdruckverfahren
Per Siebdruck wird eine Silberpaste in der gewünschten Struktur auf die Oberfläche der Solarzelle aufgebracht. Die Paste enthält Bestandteile, die bei einem nachfolgenden Hochtemperaturprozeß zu einer Ätzung der Antireflexschicht führt. Hierdurch wird ein guter elektrischer Kontakt hergestellt. Dies ist der in der Industrie am weitesten verbreitete Prozeß. Die minimale Breite der Vorderseitenkontakte liegt zur Zeit bei ca. 60 μm, in der industriellen Fertigung bei ca. 120 μm.
Lasergraben
Mittels eines Lasers werden Gräben in die Oberfläche der Solarzelle eingebracht, die anschließend durch eine stromlose chemische Abscheidung mit einem Metall aufgefüllt werden.
Aufdampfen
Die Metallschicht wird durch Aufdampfen aufgebracht. Auf der Vorderseite der Solarzelle kann eine Metall-Schattenmaske verwendet werden, um eine geeignete Kontaktstruktur herzustellen.
Photolithographie und Aufdampfen
Zuerst wird eine meist passivierende, dielektrische Schicht z.B. Siliciumdioxid aufgebracht. Durch Belichtung, Entwicklung und Auswaschen eines photosensiblen Filmes, dem sogenannten Ätzresist wird die gewünschte Struktur bis zur vorher aufgebrachten dielektrischen Schicht freigelegt. Durch anschließendes Ätzen wird letztere bis zum Siliziumwafer geöffnet. Auf der Vorderseite wird anschließend ganzflächig eine dünne z.T. mehrlagige Metallschicht als Kontakt aufgebracht, z.B. durch Aufdampfen. Dann wird durch die sogenannte LiftOff-Technik im stehengebliebenen Bereich des photosensiblen Films dieser mit einem geeignete Lösungsmittel entfernt und hierdurch auch die darauf liegende Metallschicht. So entsteht die Struktur, die dann noch galvanisch verstärkt werden kann. Hiermit können sehr feine und hohe Linien hergestellt werden.
Auf der Rückseite der Solarzelle kann die Metallisierung sofort nach der Schichtöffnung und dem Entfernen des photosensiblen Ätzresist erfolgen, Der Rückseitenkontakt kann dann ganzflächig, bspw. durch Aufdampfen, aufgebracht werden. Mit den bekannten photolithographischen Verfahren können Strukturgrößen bis unter 1 μm hergestellt werden. Die Photolithographie ist aber ein verhältnismäßig kostenaufwendiges Verfahren und wird deshalb kaum im industriellen Bereich der Solarzellenfertigung angewendet. Die meisten Prozesse mit denen bisher Solarzellen mit einem Wirkungsgrad über 20% hergestellt werden enthalten mehrere photolithographische Prozeßschritte. Die bereits unter Bezugnahme auf Figur 2 beschriebene Solarzelle ist mit den beiden vorstehend beschriebenen Photolithographieschritten hergestellt worden.
Ein Verfahren, mit dem auf einer teilweise der Photolithographie ähnlichen Weise ein Solarzellenvorderseitenkontakt hergestellt werden kann, ist in US Patent Nr. 5,011 ,565 "Dotted contact solar cell and method of making same" von Dube et al. dargestellt worden. Das Patent beschreibt einen Solarzellentyp und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Vorderseite der Solarzelle ist dabei mit einer dielektrischen Schicht versehen die mit einem Laser, insbesondere einem YAG-Laser mit in Linien angeordneten Punkten geöffnet wird. Die Punkte sind mit einem gewissen Abstand angebracht. Die eigentlich Kontaktformierung geschieht dann durch eine Abscheidung von Nickel und Kupfer in einem chemischen Bad. Dabei werden die Abstände zwischen den Punktkontakten überbrückt.
Die heute industriell mit den vorstehend kurz umrissenen Technologien des Siebdruckes, Lasergrabens sowie Aufdampfens hergestellten Solarzellen weisen einen Wirkungsgrad auf, der deutlich unter dem der mit der Technologie der Photolithographie hergestellten Solarzellen liegt. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet aber einen deutlichen Mehrwert der Solarzelle. Die Anwendung der mittels Photolithographie durchgeführte Technologie ist jedoch im Augenblick so aufwendig, daß sie trotz der hohen erzielbaren Wirkungsgrade nicht realisiert wird.
Das in der US 5,011 ,565 beschriebene Verfahren verlangt ein sehr genaues und schnelles Positioniersystem. So müssen für eine Solarzelle in der Größenordnung 10000 Punkte gesetzt werden. Durch das Überbrücken der Abstände wird zwar die Kontaktfläche klein gehalten, dafür wird aber eine gleichmäßige chemische Abscheidung erschwert. Die Verwendung der beschriebenen chemischen Bäder kann sich auch aus umweltrechtlichen Gesichtspunkten als problematisch erweisen. Die Verwendung des relativ langpulsigen YAG-Lasers, der Lichtpulse im Nanosekunden-Bereich erzeugt und einen sehr hohen Energieeintrag pro Puls hat, führt zu einer starken lokalen Temperaturbelastung der Solarzelle, außerdem ist das Absorptionsverhalten von Siliziumnitrid in dem vom YAG-Laser erzeugten Spektralbereich nicht besonders günstig.
Schließlich tritt bei der Laserablation häufig das Problem auf, dass sich das vom Laserstrahl ablatierte Material auf der zu bearbeitenden Oberfläche absetzt sowie sich auf gegebenenfalls im Lichtstrahl vorhandene optische Abbildungseinheiten, wie Sammellinsen, absetzt, wodurch der Abtrageprozess erheblich in Mitleidenschaft gezogen wird. Unterbrechungen des Abtrageprozesses sind die Folge, um notwendige Reinigungsarbeiten durchführen zu können.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung eines mit wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen, elektrisch zu kontaktierenden Oberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der Emitter und/oder Basisschicht einer Solarzelle, die jeweils mit einer dielektrischen Passivierungsschicht überzogen sind, derart weiterzubilden, daß die vorstehend dargelegten, beim Stand der Technik auftretenden Nachteile umgangen werden können. Insbesondere sollte eine Fertigung leistungsfähiger Solarzellen im industriellen Maßstab möglich sein, die zum einen den hohen Ansprüchen der Erzielung guter Wirkungsgrade gerecht wird, als auch eine möglichst preisgünstige Produktion der Solarzellen begünstigt. Überhitzungen der zu bearbeitenden Materialoberflächen sowie auftretende Verunreinigungen während der Ablation sollten vermieden werden.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 , 6 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 13 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der die Hochleistungssolarzellen hergestellt werden können. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines mit wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen, elektrisch zu kontaktierenden Oberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der Emitter und/oder Basisschicht einer Solarzelle, die jeweils mit einer dielektrischen Passivierungsschicht überzogen sind, dadurch ausgezeichnet, dass Licht einer Lichtquelle auf eine Anordnung gerichtet wird, die aus einer Vielzahl, arrayförmig angeordneter optischer Mikrolinsen besteht, durch die das Licht auf die dielektrische Schicht gerichtet wird, dass zwischen der, aus einer Vielzahl arrayförmig angeordneter optischer Mikrolinsen bestehenden Anordnung und der dielektrischen Schicht ein flüssiges oder viskoses Medium eingebracht wird, das weitgehend transparent für das Licht der Lichtquelle ist, dass durch gezielte Belichtung der dielektrischen Schicht Material der dielektrischen Schicht lokal abgetragen wird, bis die Materialoberfläche jeweils lokal freigelegt wird, und dass an den Stellen der lokal freigelegten Materialoberfläche eine Metallisierung ausgehend von der Materialoberfläche durch die dielektrische Schicht hindurch erfolgt.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde durch die Passivierungsschicht hindurch, die auch als Antireflexionsschicht dient, ein bestimmtes Muster oder eine bestimmte Anordnung von Kontaktöffnungen zu schaffen, an denen die zu kontaktierende Materialoberfläche, vorzugsweise die Emitter und Basisschicht der Solarzelle, vollständig lokal freigelegt ist. Die lokale Abtragung der Passivierungsschicht erfolgt vorzugsweise mittels Laserablation, d.h. durch unmittelbare Laserlichteinwirkung auf die Oberfläche der Passivierungsschicht wird diese im Wege der Sublimation entfernt, bis die blanke Emitter- oder Basisoberfläche freigelegt ist.
In Abhängigkeit des Materials, aus der die Passivierungsschicht besteht, ist die passende Arbeitswellenlänge des Lasers zu wählen, um einen effektiven Materialabtrag zu gewährleisten. Im Falle einer Siliziumnitridschicht als Passivierungsschicht eignen sich Wellenlängen im UV-Spektralbereich, da Siliziumnitrid UV-Wellenlängen stark absorbiert. Excimerlaser eignen sich in diesem Falle besonders.
Um die Anordnung der Kontaktöffnungen in der Passivierungsschicht in einer gewünschten Konstellation festzulegen, wird ein Mikrolinsen-Array entsprechend ausgebildet bzw. gewählt, das für die Abbildung des Laserstrahls auf die Passivierungsschicht eingesetzt wird. Mikrolinsen-Arrays sind Anordnungen - Größe im cm2-Bereich - von sphärischen und/oder zylindrischen optischen Linsen. Die Linsen haben zumindest in einer Achse Ausdehnungen von unter 1 mm. Mikrolinsen-Arrays sind bereits für den Einsatz in der Photolithographie entwickelt worden, wobei sich deren Einsatz auf die Belichtung eines photoempfindlichen Filmes beschränkt (siehe R. Völkel et al.; "Microlens Lithography and Smart Masks"; Microelectronic Enginieering 35; ISSN 0167-9317; 1997; S. 513-516).
Je nach Anordnung der einzelnen optischen Linsen, die vorzugsweise arrayförmig in einem Quarzglassubstrat integriert sind, werden durch die Lage der einzelnen Fokuspunkte bzw.- linien jene Stellen definiert, an denen ein erhöhter Energieeintrag auf der Passivierungsschicht zum gezielten Materialabtrag stattfindet.
Um einerseits eine Materialüberhitzung an der Oberfläche des abzutragenden Schichtmaterials zu vermeiden und insbesondere die eingangs erwähnten Probleme mit der Verschmutzung durch das ablatierte Material zu vermeiden wird erfindungsgemäß zwischen der Mikrolinsenanordnung und der zu bearbeitenden Schichtoberfläche ein flüssiges oder viskoses Medium, vorzugsweise Wasser, eingeleitet. Das Medium sollte zum einen in etwa einen Brechungsindex aufweisen, der dem von dem Material, bspw. Quarzglas, aus dem die Mirkolinsenanordnung besteht, sehr nahekommt. Zum anderen sollte das Medium lichttransparent für das aus der Lichtquelle austretende Licht sein, sodass keine oder zumindest nur geringe Absorbtionsverluste in dem Medium auftreten. Bei Verwendung eines derartigen zusätzlichen Koppelmediums zwischen der Mikrolinsenanordnung und der zu bearbeitenden Passivierungsschicht sind folgende Vorteile anzuführen: Durch die Präsenz des gegenüber Luft dichteren Koppelmediums, das vorzugsweise zwischen der Mikrolinsenanordnung und der Passivierungsschicht hindurchströmt, wird die Mikrolinsenanordnung gegen den im Wege der Ablation abspritzenden Materialabtrag geschützt. Jegliche Materialabtragungsreste werden von dem flüssigen Koppelmedium regelrecht weggespült.
Aufgrund der besseren Brechungsindexanpassung zwischen den Mikrolinsen und dem Koppelmedium wird die Strahlenergie besser in die Passivierungsschicht eingekoppelt.
Durch den Brechungsindex des flüssigen Koppelmediums, der nahe an dem Brechungsindex der Mikrolinsen liegt, vergrößert sich die Brennweite der Mikrolinsenanordnung, wodurch der Abstand zwischen den einzelnen Mikrolinsen und der zu bearbeitenden Oberfläche vergrößert werden kann, was nicht zuletzt wiederum dem Schutz der Mikorlinsenanordnung zugute kommt.
Hinzukommt, dass sich durch das flüssige Koppelmedium neben der Brennweite auch der Tiefenschärfenbereich der Mikrolinsenanordnung vergrößert, wodurch geringere Anforderungen an die geometrische Anordnung zwischen der Mikrolinsenanordnung und der zu bearbeitenden Oberfläche zu stellen sind.
Ferner ist es sinnvoll den Ort der Ablation, also den zu bearbeitenden Schichtbereich nicht genau in den Brennpunkt bzw. in die Brennlinie der Mikrolinsenanordnung zu legen, sondern in Strahlrichtung etwas hinter dem Brennpunkt bzw. der Brennlinie anzuordnen. Auf diese Weise erreicht man eine erhöhte Homogenität der Intensität an der zu ablatierenden Fläche bzw. Stelle. Erhöhte Schädigungen bspw. durch hot spots können auf diese Weise vermieden werden.
Ein alternatives erfindungsgemäßes Verfahren nutzt, wie vorstehend beschrieben ebenfalls das Mikrolinsenarray in Kombination mit einem flüssigen Koppelmedium, nur im Unterschied zur vorstehenden Vorgehensweise wird kein Material im Wege der Photoablation abgetragen, sondern es werden vielmehr lokale elektrische Kontaktierungsstellen durch lokales Sintern geschaffen. Ausgangspunkt hierfür ist eine Schichtkombination wie eingangs erwähnt, jedoch ist auf der Passivierungsschicht, gleichbedeutend mit der dielektrischen Schicht, eine elektrisch leitende Schicht, vorzugsweise eine Metallschicht aufgebracht. Werden die Lichtstrahlen in gleicher Weise wie beim vorstehenden Verfahren über die Mikrolinsenanordnung auf die elektrisch leitende Schicht gerichtet, so finden im Bereich der Fokuslagen Sinterprozesse statt, durch die jeweils lokale elektrische Übergänge von der elektrisch leitenden Schicht durch die Passivierungsschicht hindurch zur Materialoberfläche hergestellt werden. Zwar findet ein Materialabtrag hierbei nicht statt, gleichwohl dient das flüssige Koppelmedium einer verbesserten Abbildungsoptik hinsichtlich größerer Tiefenschärfe und Brennweiten sowie einer effektiven Kühlung der Schichten.
Bei der Kontaktierung der Vorderseite der Solarzelle wird vorzugsweise nach erfolgter Belichtung und damit verbundener Sinterung die oberflächige Metallschicht abgetragen, sodass lediglich die elektrischen Kontaktierungskanäle durch die Passivierungsschicht hindurch für eine weitere Prozessierung verbleiben. Bei der Kontaktierung der Rückseite der Solarzelle kann die ganzflächige elektrisch leitende Schicht auf der dielektrischen Schicht verbleiben.
Die Vorrichtung, mit der der gezielte lokale Materialabtrag an der Passivierungsschicht vorgenommen wird, weist als Lichtquelle, wie bereist erwähnt einen Laser auf, der vorzugsweise gepulst betrieben wird. Besonders eignen sich Lichtpulse mit einer Pulsdauer, unterhalb von 50 Nanosekunden liegt, um die thermische Belastung der angrenzenden Materialschichten gering zu halten. Im Lichtweg des Lasers sind dem Laser vorzugsweise zwei optische Linsen zur Strahlaufweitung nachgeordnet, die derart ausgelegt sind, daß der Laserstrahl die flächige Anordnung der Mikrolinsen vollständig ausleuchtet. Das Mikrolinsen Array erzeugt in den einzelnen Fokuspunkten der einzelnen Mikrolinsen eine derart hohe Strahlungsintensität, daß dort ein Verdampfen der Passivierungsschicht und somit eine Öffnung erreicht wird. Um eine Überhitzung bzw. Schädigung weiterer Materialschichten zu vermeiden, wird die Passivierungsschicht derart zu den Fokuspunkten angeordnet, dass, diese vor der abzutragenden Schicht liegen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der von den einzelnen Lichtstrahlen beleuchtete Oberflächenbereich eine homogene Strahlintensität aufweist.
Wesentlich bei der Materialabtragung ist der Einsatz eines flüssigen oder viskosen Mediums, vorzugsweise Wasser, das zwischen der Mikrolinsenanordnung und der zu bearbeitenden Schichtoberfläche hindurchgespült wird. Hierfür sorgt eine Pumpeneinheit, die das Wasser durch den Zwischenspalt zwischen Mikrolinsenanordnung und der Passivierungsschicht hindurchfördert.
Die Mikrolinsenanordnung, bestehend vorzugsweise aus zylindrischen und/oder sphärischen Linsen im Mikrolinsen-Array, wird derart ausgelegt, daß eine gewünschte Belichtungsstruktur auf der Passivierungsschicht erreicht wird, die sich aus Fokuspunkten und/oder -linien zusammensetzt. Es können auch zwei übereinander befindliche Linsen oder Mikrolinsenarrays verwendet werden um z.B. T-förmige Strukturen zu realisieren.
Die Mikrolinsen weisen insbesondere durch die Präsenz des Koppelmediums eine sehr große Tiefenschärfe auf und können auch bei unebenen Substraten eingesetzt werden.
Nach lokalem Freilegen der zu kontaktierenden Oberfläche kann eine selektive Kontaktierung mittels ganzflächigem Metallauftrag für die Rückseite, oder Lift-Off Technik mit anschließender galvanischer Verstärkung für die Vorderseite erfolgen. Eine weitere mögliche Vorderseitenkontaktierung ist eine Abscheidung aus einem chemischen Bad, wie es in dem US Patent Nr. 5,011 ,565 beschrieben ist.
Vorteilhafter Weise kann die stromlose Metallisierung mit einer, Metallionen enthaltenden Flüssigkeit erfolgen, die, wie das Koppelmedium, durch den Zwischenspalt gespült wird. Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Solarzelle nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 optimierte Solarzelle mit Passivierungsschicht nach dem Stand der
Technik, Fig. 3 Anordnung zur lokalen Materialabtragung mittels Laser
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In den Figuren 1 und 2 sind jeweils bekannte Solarzellen dargestellt, die in der Beschreibungseinleitung zur Würdigung des Standes der Technik beschrieben worden sind. Insbesondere die in Figur 2 dargestellte Solarzelle, die aus Gründen der Optimierung sowohl auf der Vorder- als auch Rückseite eine Passivierungsschicht zu Zwecken der oberflächigen Entspiegelung als auch aus Gründen intrinsischer Effekte zur Vermeidung von Oberflächenrekombinationen von Ladungsträgern, vorsieht, gilt es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung herzustellen.
Zunächst wird die Bearbeitung der Solarzellenrückseite beschrieben: Auf die Solarzellenrückseite wird eine passivierende Schicht 7 aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von etwa 100 nm aufgebracht. Die beschichtete Solarzelle 1 wird unter die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung gebracht. Als Lichtquelle 9 wird ein UV-Laser mit sehr kurzer Pulslänge verwendet, da Siliziumnitrid im ultravioletten Spektralbereich eine erhöhte Absorption zeigt und durch den geringen Energieeintrag die Materialbeanspruchung klein gehalten werden kann. Zur Strahlaufweitung des Laserstrahl sind zwei optische Linsen 10, 11 vorgesehen, die derart ausgelegt und relativ zueinander angeordnet sind, daß der Laserstrahl zur vollständigen Ausleuchtung des flächigen Mikrolinsen-Arrays 12 aufgeweitet wird. Der aufgeweitete Laserstrahl trifft als paralleles Lichtbündel auf die Oberfläche der Mikrolinsenarrayanordnung 12 und wird durch die Vielzahl der einzelnen fokussierenden Mikrolinsen auf die Oberfläche der Passivierungsschicht 7 konzentriert. Zwischen dem Mikrolinsen-Array 12 und der Passivierungsschicht 7 ist als Koppelmedium 13 Wasser eingebracht, das die einzelnen Linsen insbesondere vor Verschmutzung und Beschädigung durch, während der Ablation abspritzende Partikel, schützt.
Da Wasser für eine Wellenlänge von 500 nm einen Brechungsindex ni von 1 ,33 aufweist und Quarzglas einen Brechungsindex n2 von 1 ,48 besitzt, weisen sphärisch geformte Mikrolinsen typischerweise Brennweiten von ca. 2000 μm auf. Würde man ohne Wasser arbeiten und lediglich Luft als Koppelmedium einsetzen, so würde sich die Brennweite erheblich verringern, nämlich nur 700 μm betragen. Der Abstand zwischen zu der Passivierungsschicht und den Mikrolinsen-Array müßte somit um das dreifache näher zusammenliegen.
Da das Mikrolinsenarray 12 aus Quarzglas mit sphärischen Linsen besteht, läßt sich im Fokus ein 2-dimensionales Punktgitter im gleichen Rastermaß herstellen, gemäß dem auch die einzelnen Mikrolinsen angeordnet sind. Die Punktgröße, der auf der Passivierungsschicht 7 abgebildeten Fokusbereiche, wird durch ein leichtes Auswandern der Passivierungsschicht aus der Fokuslage geeignet gewählt, z.B. mit einem Radius von 30 μm.
Durch das konzentrierte Laserlicht wird das Siliziumnitrid verdampft bzw. abgetragen und das Silizium freigelegt. Abgetragene Siliziumnitritpartikel werden durch den Wasserstrom 13 regelrecht weggespült und stören den weiteren Abtrageprozeß nicht.
Durch eine ganzflächige Metallisierungstechnologie z.B. Aufdampfen oder Sputtern einer z.B. 2 μm starken Aluminiumschicht, wird der Kontakt auf der Rückseite hergestellt. Anschließend folgt eine Temperaturerhöhung in einer reduzierenden Atmosphäre auf ungefähr 400° C zur Kontaktverbesserung. Nun folgt die Beschreibung der Bearbeitung der Vorderseite der Solarzelle: Die bereits mit einem Emitter versehene Vorderseite einer Solarzelle wird mit einer ca. 80 nm dicken passivierenden Siliziumnitrid-Antireflexschicht beschichtet. Anschließend wird eine z.B. ca. 1 μm dicke Schicht eines im ultravioletten Spektralbereich stark absorbierenden Lackes aufgebracht. Dieses Substrat wird unter die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung gebracht. Als Lichtquelle wird wiederum ein UV-Laser verwendet. Durch die Verwendung des Mikrolinsenarrays mit zylindrischen Linsen läßt sich im Fokus eine Gruppe paralleler Linien erzeugen unter denen sowohl der Lack als auch die Siliziumnitridschicht geöffnet sind. Eine senkrecht zu diesen Linien verlaufende Linie wird durch eine gekreuzt angeordnete zylindrische Mikrolinse erzeugt, die die erste Gruppe miteinander verbindet. Durch eine ganzflächige Metallisierungstechnologie z.B. Aufdampfen oder Sputtern, werden die Kontakte auf der Vorderseite hergestellt. Durch eine anschließende Behandlung in einem geeigneten Lösungsmittel kann das oben beschrieben Lift Off-Verfahren angewendet werden, um die Metallschicht abzulösen. Die Kontakte können dann galvanisch verstärkt werden.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung optimierte Solarzellen hergestellt werden können, die zur elektrischen Kontaktierung Kontaktstrukturen mit Dimensionen < 40 μm aufweisen. Derartig kleine Strukturen sind sonst nur durch Photolithographie realisierbar, jedoch ist dies eine komplizierte und kostenaufwendige Technologie.
Desweiteren können Metallisierungstechniken verwendet werden, mit denen ein niederer Kontaktwiderstand und Leitungswiderstand realisiert werden kann, was sich z.B. durch eine Reduktion der Kontaktfläche ebenfalls vorteilhaft auf den Wirkungsgrad auswirkt. Im Vergleich zu einer photolithographisch erzeugten Struktur ist das Verfahren wesentlich einfacher. Außerdem ist das Verfahren prinzipiell kontaktlos, womit sich die Bruchgefahr in der Fertigung reduzieren läßt. Im Vergleich zu dem bekannten Verfahren gemäß dem US Patent 5,011,565 kann, da die Energie weniger Laserpulse ausreicht, um die Schicht auszulösen, durch die Fokussierung mittels der Mikrolinsen an Stelle einer Schattenmaske die Lichtausbeute um einen Faktor 10-200 erhöht werden. Dadurch reduziert sich die Prozeßzeit entsprechend. Außerdem kann bei einer groß- bzw. ganzflächigen Strukturierung die Strahlführung über den Wafer deutlich vereinfacht werden, wodurch sich auch die Anforderungen an die Substratpositionierung verringern.
Die Schichten werden ohne Prozeßzeitverlängerung in kleineren Schritten abgetragen. Da zusätzlich sehr kurze Laserpulse verwendet werden, ergibt sich eine sehr geringe Wärmebelastung und somit ein geringer Schaden im Halbleitermaterial. Siliziumnitrid absorbiert im ultravioletten Spektralbereich deutlich besser als im sichtbaren Bereich. Dadurch kann zusätzlich eine Belastung des darunterliegenden Materials durch Transmission von Laserstrahlung durch die sehr dünne Siliziumnitridschicht vermieden werden. Schließlich können die Mikrolinsen aus kristallinem Quarz hergestellt werden, das im gegebenen Spektralbereich nur eine sehr geringe Absorption aufweist.
Bezugszeichenliste
Solarzelle Basis-Bereich Emitter-Bereich Kontaktelektroden Rückseitenkontaktfläche Metall-Grid Antireflexionsschicht, Passivierungsschicht Rückseitenkontakte Lichtquelle, Laser optische Linsen Mikrolinsenarray Koppelmedium

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur elektrischen Kontaktierung einer, mit wenigstens einer dielektrischen Schicht (7) überzogenen Materialoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass Licht einer Lichtquelle (9) auf eine Anordnung gerichtet wird, die aus einer Vielzahl, arrayförmig angeordneter optischer Mikrolinsen (12) besteht, durch die das Licht auf die dielektrische Schicht (7) gerichtet wird, dass zwischen der, aus einer Vielzahl arrayförmig angeordneter optischer Mikrolinsen (12) bestehenden Anordnung und der dielektrischen Schicht (7) ein flüssiges oder viskoses Medium eingebracht wird, das weitgehend transparent für das Licht der Lichtquelle ist, daß durch gezielte Belichtung der dielektrischen Schicht (7) Material der dielektrischen Schicht (7) lokal abgetragen wird, bis die Materialoberfläche jeweils lokal freigelegt wird, und daß an den Stellen der lokal freigelegten Materialoberfläche eine Metallisierung ausgehend von der Materialoberfläche durch die dielektrische Schicht hindurch erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine, das Licht der Lichtquelle (9) absorbierende
Lackschicht auf die dielektrische Schicht aufgebracht wird und anschließend unter
Verwendung der arrayförmig angeordneten optischen Mikrolinsen (12) belichtet wird, so daß die Lackschicht und die dielektrische Schicht (7) an den Stellen der
Belichtung lokal abgetragen werden, daß nach Freilegen der elektrisch zu kontaktierenden Materialoberfläche an den lokalen Stellen der Belichtung die Oberfläche der Lackschicht sowie die freigelegte, elektrisch zu kontaktierende Materialoberfläche ganzflächig mit einer Metallschicht überdeckt wird, und daß unter Verwendung eines Lösungsmittels die Bereiche der elektrisch zu kontaktierenden Materialoberfläche freigelegt werden, die von der dielektrischen Schicht, auf der die Lackschicht und die Metallschicht vorgesehen sind, bedeckt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung durch Aufdampfen, Sputtern oder durch stromloses Abscheiden aus einem chemischen Bad, von Metall erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag an der dielektrischen Schicht (7) nicht innerhalb des Fokusbereich der Mikrolinsenanordnung, sondern in Richtung der Lichtstrahlen hinter dem Fokusbereich erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Metallisierung eine Temperaturerhöhung in einer reduzierenden Atmosphäre auf ungefähr 400° C erfolgt.
6. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , wobei die dielektrische Schicht (7) mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass dass Licht einer Lichtquelle (9) auf eine Anordnung gerichtet wird, die aus einer Vielzahl, arrayförmig angeordneter optischer Mikrolinsen (12) besteht, durch die das Licht auf die elektrisch leitende Schicht gerichtet wird, dass zwischen der, aus einer Vielzahl arrayförmig angeordneter optischer Mikrolinsen (12) bestehenden Anordnung und der elektrisch leitenden Schicht ein flüssiges oder viskoses Medium eingebracht wird, das weitgehend transparent für das Licht der Lichtquelle ist, daß durch gezielte Belichtung der elektrisch leitenden Schicht eine lokale, elektrische Durchkontaktierung durch die dielektrische Schicht (7) zur Materialoberfläche erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige oder viskose Medium zwischen der Anordnung und der dielektrischen Schicht hindurchströmt durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiges Medium Wasser verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtung der dielektrischen Schicht (7) oder der elektrisch leitenden Schicht gepulst erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Belichtung ein Laser (9), vorzugsweise ein UV- Licht emittierender Laser, verwendet wird, der Lichtpulse mit einer Pulsdauer von weniger als 50 Nanosekunden erzeugt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch zu kontaktierende Materialoberfläche aus einem Halbleitersubstrat, vorzugsweise aus einem n- oder p-dotiertem Silizium- Wafer, besteht, auf dem als dielektrische Schicht eine Siliziumoxid- oder Siliziumnitrid-Schicht aufgebracht ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch zu kontaktierende Materialoberfläche der Emitterschicht (3) und/oder Basisschicht (2) einer Solarzelle (1) entspricht, die jeweils mit einer dielektrischen Passivierungsschicht (7) überzogen sind.
13. Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung einer mit wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen, elektrisch zu kontaktierenden Materialoberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der Emitter (3) und/oder Basisschicht (2) einer Solarzelle (1), die jeweils mit einer dielektrischen
Passivierungsschicht (7) überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (9) vorgesehen ist, deren Licht auf eine Vielzahl, arrayförmig angeordneter optischer Mikrolinsen (12) gerichtet ist, die das Licht auf die dielektrische Schicht (7) lenken, und dass ein flüssiges oder viskoses Medium zwischen der Mikrolinsenanordnung und der dielektrischen Schicht (7) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (9) ein Laser ist, dem im Laserstrahlengang eine, den Laserstrahl aufweitende optische Linse (10) nachgeordnet ist, der wiederum eine Sammellinse (11) nachgeordnet ist, durch die der aufgeweitete Laserstrahl in ein paralleles Lichtstrahlenbündel überführt wird, das zur vollständigen Ausleuchtung der flächigen Anordnung der optischen Mikrolinsen (12) dient.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die arrayförmig angeordneten, optischen Mikrolinsen (12) sphärische oder zylindrische Mikrolinsen sind, die auf einem Quarzwafer angeordnet sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtstrahlengang hintereinander mehrere arrayförmig angeordnete, optische Mikrolinsen vorgesehen sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpeinheit vorgesehen ist, die das flüssige oder viskose Medium zwischen der Mikrolinsenanordnung und der dielektrischen Schicht hindurchfördert.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsenanordnung und die dielektrische Schicht (7) einen Spalt einschließen mit einer Spaltbreite zwischen 500 μm und 3 mm.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsenanordnung eine Vielzahl von Fokuspunkten oder -linien vorsehen, die in Strahlrichtung vor der dielektrischen Schicht (7) liegen.
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