EP2401772A2 - Mwt-halbleiter-solarzelle mit einer vielzahl von das halbleitende material kontaktierenden, parallel zueinander verlaufenden schmalen leitfähigen fingern vorgegebener länge - Google Patents

Mwt-halbleiter-solarzelle mit einer vielzahl von das halbleitende material kontaktierenden, parallel zueinander verlaufenden schmalen leitfähigen fingern vorgegebener länge

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EP2401772A2
EP2401772A2 EP10701388A EP10701388A EP2401772A2 EP 2401772 A2 EP2401772 A2 EP 2401772A2 EP 10701388 A EP10701388 A EP 10701388A EP 10701388 A EP10701388 A EP 10701388A EP 2401772 A2 EP2401772 A2 EP 2401772A2
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EP
European Patent Office
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cell
fingers
metallization
cell according
conductive
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10701388A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Joachim Krokoszinski
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the invention relates to a MWT semiconductor solar cell having a plurality of semiconductive material contacting, parallel to each other narrow conductive fingers of predetermined length, which are located on the light-facing front of the cell, and via holes for electrically connecting the conductive fingers with provided on the back of the cell, with respect to their environment isolated busbars, wherein the conductive fingers are arranged in stripes distributed on the cell, according to the preamble of patent claim 1.
  • the subject matter of the invention focuses on structures of a crystalline silicon solar cell with a front-side emitter and rear-side emitter solder contacts, that is, with a so-called MWT structure (metal wrap-through).
  • Silicon solar cells on a crystalline silicon wafer with a so-called silver fingergrid on a front emitter and back emitter busbars which are connected via metallized via holes to the front metal contact pads form the prior art discussed above.
  • FIG. 1 illustrates by way of example a silicon wafer 1 with the silver finger grid 2, wherein the rear side emitter bus bars 4 run parallel to one another.
  • the electrical connection is realized via the mentioned metallized through-holes (vias) 3.
  • the insulation between the silver emitter busbars 4 and the flat aluminum-BSF metal surfaces 6 in the form of a laser trench 7 is produced with a laser.
  • the number, the shape and the positions of the base soldering points 5 in the aluminum surface 6 can be varied as desired.
  • An effective increase in the efficiency of a front side fingergrid solar cell is to increase the current generation per cm 2 of area by reducing the shading of the front surface due to the metallization there.
  • this reduction in the finger width leads to an increase in the finger resistance per cm length and thus the series resistance, which adversely enters into the so-called fill factor.
  • a major disadvantage of the proposed MWT structure are the elongated, continuous emitter paths on the back, which connect the metallized rows of holes together.
  • the need to provide effective isolation between these tracks and the surrounding aluminum surfaces 6 by forming a circumferential laser trench 7 around the emitter bus bars 4 results in severe mechanical weakening and damage to the wafers.
  • the trenches, which run practically from one wafer edge to the opposite edge, in this sense represent predetermined breaking points for the manufactured solar cells.
  • each electrically interconnected finger groups consisting of five to ten parallel fingers, each formed by a transverse conductive track piece.
  • Each track piece is at least one via hole in
  • Ausgestaltend the respective conductive track piece can run at an angle deviating from 90 ° to the longitudinal direction of the parallel fingers.
  • the conductive track pieces can contact neighboring finger groups in the strip direction.
  • the number of fingers per finger group is at least as large as the number of stripes per cell.
  • the areas around the via holes on the cell back side are surrounded with a solderable metallization, wherein the maximum extent of the solderable metallization from the center of the respective through hole is not greater than the average distance of the conductive fingers on the cell front side.
  • the conductive metallizations on the back of the cell are spaced from each other without contact.
  • the via holes and the areas with conductive metallization are arranged like a matrix in rows and columns.
  • the matrix here preferably forms a dot matrix with at least five and a maximum of ten columns.
  • the regions of solderable metallization on the back of the cell are surrounded by another conductive metallic surface applied with a different polarity, with a conductive layer between the conductive metallization and the solderable metallic surface, ultimately only local, d. H. is formed in self-contained isolation trench.
  • the large-scale metallization of the back has, analogously to the prior art, solder pads.
  • solder pads are arranged in rows that are parallel to and between the gaps of the via holes.
  • the presented semiconductor solar cell is hereinafter specified to the case of the MWT structure on a p-wafer with front emitter and backside aluminum BSF.
  • An embodiment of the n-type material with rear aluminum emitter and front phosphorus-doped front surface field (FSF) is analogous.
  • the explanations were also based on virtually full-square wafers.
  • the structures according to the invention can be transferred to any other wafer shape, such as pseudo-square, hexagonal, octagonal or round wafers.
  • 1A and 1B illustrate the design of a standard MWT solar cell for three passing busbars in a pseudo-square wafer shape (A cross-sectional view, B top view);
  • FIG. A typical strip widths starting from the prior art (FIG. A) and three strip widths reduced according to the invention (FIGS. B to D);
  • Figure 3A shows typical prior art MWT contact structures with three strips of width 2s, with the via holes in the center of the strips indicated (no true-to-scale mapping in the x and y directions);
  • FIG. 3B shows an exemplary structure according to the invention with seven strips of width 2y corresponding to FIG. 2C, wherein for simplicity the vias are omitted in the cross-sectional view and provided with dark hatching, a current collection region for a via hole in comparison to the dark-shaded representation of FIG. 3A;
  • FIG. 3C is an exemplary structure of nine strips of the nibs 2z with nine via-hole rows as shown in FIG. 2D, with dark hatching also indicating the typical area of a via hole for a via hole;
  • FIG. 3C is an exemplary structure of nine strips of the nibs 2z with nine via-hole rows as shown in FIG. 2D, with dark hatching also indicating the typical area of a via hole for a via hole;
  • Track pieces as connecting tracks of a finger group for a contact structure with seven für Arthur michecher- rows and seven tracks per track piece and in the circled detail a connection between adjacent groups of fingers for redundancy improvement in the sense of an extension of the piece of track according to figurative representation down to the next finger to make the connection to the adjacent finger group;
  • FIG. 6 shows a possible embodiment of the connecting element structure using the example of a contact arrangement with seven emitter pad rows and six base pad rows and an exemplary dimension starting from a standard MWT cell.
  • FIG. 2A the division of a MWT cell according to the prior art is shown, with all details of the cell structure omitted for simplicity, and only the geometry is shown schematically.
  • Fig. 2B to 2D correspond to variants of this starting structure according to the invention, which lead to the solution of the problem set.
  • the numbers of the vias and the total number of fingers can in principle be chosen independently of each other. An advantageous embodiment, however, if these are approximately equal, z. For example:
  • the current drainage area is likewise the same size as in the prior art:
  • the current collection area is likewise the same size as in the prior art:
  • the web width of the fingers can be reduced by up to 40% (eg from 100 ⁇ m to 60 ⁇ m) before the series resistance of the standard three-strip structure is again achieved.
  • FIG. 4 A possible advantageous embodiment of the connecting tracks is shown in FIG. 4 shown. It provides to extend the tie lines beyond the own finger group to the first trace of the adjacent (either above or below) finger group to improve an improvement of the redundancy of the connection to the nearest via hole (via).
  • a silver-based (e.g., circular) solder pad is printed on the cell back around the metallized vias.
  • the distance between two emitter vias becomes or solder spots 18mm (Center Center).
  • the clear distance between the emitter solder pads is 14 mm.
  • the base solder pads (solder pads) are printed for and overlapping the aluminum pads.
  • the metallization structures according to the invention of MWT cells are based on the known linear-parallel finger structure of today's standard cells and the MWT cell structure derived therefrom. They take over the large number of vias from the known design, so typically between 60 and 80 vias with 60 to 80 parallel fingers. But they leave the paradigm that the vias must be arranged in just two or three rows, as dictated by the usual solid two or three emitter busbars of standard cells. Distributing the same number of vias over a larger number of stripes increases the distance between each vias across the fingers and reduces their spacing along the fingers. This results in decisive advantages with regard to increasing the efficiency of MWT cells:
  • the reduced distance of the vias along the fingers reduces the maximum distance of a point on the fingers to the next via.
  • a transition from 3 to 7 stripes with a finger distance of 2 mm reduces them to 16.555 / 27.666, ie 60%, equivalent to a reduction of - 40%. This significantly reduces the series resistance contribution of the finger system of the front.
  • emitter solder pads changed the length of the path to be engraved by the laser for the isolation of emitter pads to base surfaces
  • these laser trenches in the form of 81 circular or other self-contained structures, eg. As square or rectangular contours, and not, as in the prior art as a border of two or three busbars, which represent the highly sensitive as desired breaking points of the wafer as continuous linear trenches from wafer edge to laser edge.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine MWT-Halbbleiter-Solarzelle mit einer Vielzahl von das halbleitende Material kontaktierenden, parallel zueinander verlaufenden schmalen leitfähigen Fingern vorgegebener Länge, welche sich auf der dem Licht zugewandten Vorderseite der Zelle befinden, und Durchkontaktierungslöchern zu m elektrischen Verbinden der leitfähigen Finger mit auf der Rückseite der Zelle vorgesehenen, gegenüber ihrer Umgebung isolierten Busbars, wobei die leitfähigen Finger streifenförmig verteilt auf der Zelle angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist die Länge der Finger je Fingerstreifen durch eine erhöhte Streifenanzahl je Zelle reduziert, wobei jeweils elektrisch verschaltete Fingergruppen, bestehend aus fünf bis zehn parallelen Fingern, durch jeweils ein querliegendes leitfähiges Bahnstück gebildet werden und jedes Bahnstück mit mindestens einem Durchkontaktierungsloch in Verbindung steht.

Description

MWT-Halbleiter-Solarzelle mit einer Vielzahl von das halbleitende Material kontaktierenden, parallel zueinander verlaufenden schmalen leitfähigen
Fingern vorgegebener Länge
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine MWT-Halbleiter-Solarzelle mit einer Vielzahl von das halbleitende Material kontaktierenden, parallel zueinander verlaufenden schmalen leitfähigen Fingern vorgegebener Länge, welche sich auf der dem Licht zugewandten Vorderseite der Zelle befinden, und Durchkontaktierungs- löchern zum elektrischen Verbinden der leitfähigen Finger mit auf der Rückseite der Zelle vorgesehenen, gegenüber ihrer Umgebung isolierten Busbars, wobei die leitfähigen Finger streifenförmig verteilt auf der Zelle angeordnet sind, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Beim Gegenstand der Erfindung wird auf Strukturen einer kristallinen Silizium-Solarzelle mit vorderseitigem Emitter und rückseitigen Emitter- Lötkontakten, also mit einer sogenannten MWT-Struktur (Metal Wrap Through) abgestellt.
Silizium-Solarzellen auf einem kristallinen Siliziumwafer mit einem sogenannten Silberfingergrid auf einem vorderseitigen Emitter und rückseitigen Emitterbusbars, die über metallisierte Durchkontaktierungslöcher an die Metallkontaktbahnen der Vorderseite angeschlossen sind, bilden den vorstehend erläuterten Stand der Technik.
Die Fig . 1 stellt beispielhaft einen Siliziumwafer 1 mit dem Silberfingergrid 2 dar, wobei die rückseitigen Emitterbusbars 4 parallel zueinander verlaufen. Der elektrische Anschluss wird über die erwähnten metallisierten Durchkontaktierungslöcher (Vias) 3 realisiert.
Bekannt ist die Kopplung von jeweils drei vorderseitigen Fingern an drei Durchkontaktierungslöcher, d . h. in der Regel existieren so viele Vias wie Finger auf der Vorderseite, dargestellt in der Fig. I B. Dabei teilen die Lochreihen und damit die genau unter ihnen liegenden rückseitigen Busbars die Wafer in drei Streifen der Breite 2s, wobei s ein Sechstel der Seitenlänge des Strukturbereichs (= Waferkantenlänge - 2 * Randbreite) ist. Hierzu sei auf Florian dement et al, "Industrially feasible mc-Si Metal Wrap Through (MWT) solar cells with high emitter sheet resistances exceeding 16% efficiency", 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Valencia, Spanien, 2008 verwiesen.
Bei 156mm Waferkantenlänge und lmm Randbreite ist somit die Seitenlänge des Strukturbereichs 154mm. Es ergibt sich s wie folgt: s = 154mm/6 = 25,666mm. Auf beiden Seiten der Emitterbusbars, die die metallisierten Vias einer Reihe miteinander verbinden, werden die Flächen mit z. B. Siebdruck- Aluminium 6 metallisiert. Dabei werden in den Aluminiumflächen kleine Bereiche 5 mit lötbarem Material, üblicherweise Silberdickschichtpaste, bedruckt, damit das überlappende Aluminium durch Lötung kontaktiert werden kann.
Nach dem Sintern der Dickschichtpasten wird mit einem Laser die Isolation zwischen den Silber-Emitterbusbars 4 und den flächigen Aluminium-BSF- Metallflächen 6 in Form eines Lasergrabens 7 hergestellt.
Der Loch- bzw. Via-Abstand entspricht bei einer typischen Variante des Standes der Technik mit drei Busbars und der Kopplung von drei Fingern an ein Loch etwa dreimal dem Fingerabstand ist, also im Bereich von = 6mm liegend . Die Zahl, die Form und die Positionen der Basislötpunkte 5 in der Aluminiumfläche 6 ist an sich beliebig variierbar.
Aus der WO 0031803 Al ist ein weiteres Kontaktierungsdesign bekannt, das mit nur wenigen, matrixartigen verteilten Durchkontaktierungslöchern auskommt, zwischen denen vorderseitige Leiterbahnen angeordnet sind, die mit einem computergestützten Optimierungsverfahren ähnlich eines Spinnennetzes ausgelegt wurden.
Aus dem Stand der Technik ergeben sich folgende Nachteile.
Eine wirksame Erhöhung des Wirkungsgrads einer Solarzelle mit vorderseitigem Fingergrid ist die Erhöhung der Stromgeneration pro cm2 Fläche durch Reduktion der Abschattung der Vorderseite aufgrund der dort befindlichen Metallisierung . Neben der Verlagerung der relativ breiten Busbars auf die Rückseite bei einer MWT-ZeIIe besteht die Möglichkeit, die auf dem selektiven Emitter befindlichen Vorderseitenfinger in Feinliniendruck auszubilden. Das heißt, es wird eine Reduktion der Fingerbreite auf deutlich unter lOOμm vorgenommen. Diese Reduktion der Fingerbreite führt jedoch zu einer Erhöhung des Fingerwiderstands pro cm Länge und damit des Serienwiderstands, der nachteilig in den sogenannten Füllfaktor eingeht.
Ein wesentlicher Nachteil der vorgestellten MWT-Struktur sind die langgestreckten, durchgehenden Emitterbahnen auf der Rückseite, die die metallisierten Lochreihen miteinander verbinden. Die Notwendigkeit, durch Herstellung eines umlaufenden Lasergrabens 7 um die Emitterbusbars 4 herum eine wirksame Isolation zwischen diesen Bahnen und den umgebenden Aluminiumflächen 6 herzustellen, führt zu einer schwerwiegenden mechanischen Schwächung und Schädigung der Wafer. Die Gräben, die praktisch von einer Waferkante bis zur gegenüberliegenden Kante laufen, stellen in diesem Sinn Sollbruchstellen für die gefertigten Solarzellen dar.
Zu berücksichtigen ist auch die maximale Stromdichte, die im Bereich der Durchkontaktierungslöcher vorliegt und die naturgemäß nur begrenzt sein kann.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Halbleiter-Solarzelle mit einer Vielzahl von das halbleitende Material kontaktierenden, parallel zueinander verlaufenden schmalen leitfähigen Fingern vorgegebener Länge anzugeben, wobei die Halbleiterzelle auf dem sogenannten MWT-Prinzip beruht. Mit der zu schaffenden neuartigen Zellenanordnung und insbesondere den Mitteln zur elektrischen Kontaktierung soll eine einfache, niederohmige Struktur der Metallisierung der Solarzellenvorderseite mit einer verbesserten Anordnung der Vias einhergehen, die die aus dem Stand der Technik bekannten langen, linearen Isolationsgräben vermeidet. Andererseits gilt es, den maximalen Abstand eines beliebigen Punkts auf einem der leitfähigen Finger der Vorderseite bis zum nächsten Durchkontaktierungsloch (Via) so weit zu reduzieren, dass eine deutlich verringerte Fingerbreite nicht zu einer Widerstandserhöhung der Vorderseitenmetallisierung führt. Letzthin muss die anzustrebende Lösung Raum für hinreichend viele Durchkontaktierungslöcher schaffen, damit die bezogen auf das jeweilige Loch zu tragende Stromdichte gering bleibt.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Halbleiter-Solarzelle gemäß der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Ausgehend von der gattungsgemäßen MWT-Solarzelle ist erfindungsgemäß die Länge der Finger je Fingerstreifen durch eine erhöhte Streifenanzahl je
Zelle reduziert, wobei jeweils elektrisch verschaltete Fingergruppen, bestehend aus fünf bis zehn parallelen Fingern, durch jeweils ein querliegendes leitfähiges Bahnstück gebildet werden.
Jedes Bahnstück steht mit mindestens einem Durchkontaktierungsloch in
Verbindung.
Ausgestaltend kann das jeweilige leitfähige Bahnstück unter einem von 90° abweichenden Winkel zur Längsrichtung der parallelen Finger verlaufen.
Die leitfähigen Bahnstücke können bei einer weiteren Ausgestaltung in Streifenrichtung nächstliegend benachbarte Fingergruppen kontaktieren.
Die Anzahl der Finger je Fingergruppe ist wenigstens so groß wie die Anzahl der Streifen je Zelle.
Die um die Durchkontaktierungslöcher auf der Zellenrückseite liegenden Bereiche sind mit einer lötfähigen Metallisierung umgeben, wobei die maximale Ausdehnung der lötfähigen Metallisierung vom Zentrum des jeweiligen Durchtrittsloch nicht größer ist als der durchschnittliche Abstand der leitfähigen Finger auf der Zellenvorderseite.
Die leitfähigen Metallisierungen auf der Zellenrückseite sind berührungsfrei voneinander beabstandet.
Weiterhin ausgestaltend sind die Durchkontaktierungslöcher und die Bereiche mit leitfähiger Metallisierung matrixartig in Zeilen und Spalten angeordnet. Die Matrix bildet hier bevorzugt ein Punktraster mit wenigstens fünf und maximal zehn Spalten.
Die Bereiche mit lötfähiger Metallisierung auf der Zellenrückseite sind von einer weiteren, mit einer anderen Polarität beaufschlagten leitfähigen metallischen Fläche umgeben, wobei zwischen der leitfähigen Metallisierung und der lötfähigen metallischen Fläche ein, letztendlich nur lokaler, d . h. in sich geschlossener Isolationsgraben ausgebildet ist.
Die großflächige Metallisierung der Rückseite weist analog dem Stand der Technik Lötpads auf.
Die Lötpads wiederum sind in Reihen angeordnet, die parallel zu und zwischen den Spalten der Durchkontaktierungslöcher verlaufen.
Die vorgestellte Halbleiter-Solarzelle ist nachstehend auf den Fall der MWT- Struktur auf einem p-Wafer mit vorderseitigem Emitter und rückseitigem Aluminium-BSF spezifiziert. Eine Ausführung des n-Materials mit rückseitigem Aluminium-Emitter und vorderseitigem Phosphor-dotierten Front Surface Field (FSF) ist analog. Bei den Erläuterungen wurde darüber hinaus von quasi vollquadratischen Wafern ausgegangen. Selbstverständlich können die erfindungsgemäßen Strukturen auf jede andere Waferform, wie pseudoquadratische, hexagonale, achteckige oder runde Wafer übertragen werden. Weiterhin wird bei der vorliegenden MWT-Zellenstruktur darauf verzichtet, Möglichkeiten der Realisierung einer selektiven Emitterstruktur oder, bei rückseitigem Emitter, ein selektives Front Surface Field zu erwähnen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die erfindungsgemäße Lehre der Kontaktierungs- struktur auf eine solche Weiterbildung nicht angewendet werden kann; im Gegenteil .
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen : Fig. IA und I B das Design einer standardmäßigen MWT-Solarzelle für drei durchlaufende Busbars in einer pseudoquadratischen Waferform (A Querschnittsdarstellung; B Draufsicht);
Fig. 2A bis D typische Streifenbreiten ausgehend von Stand der Technik (Fig. A) sowie drei erfindungsgemäß reduzierte Streifenbreiten (Fig . B bis Fig . D);
Fig. 3A typische MWT-Kontaktstrukturen des Standes der Technik mit drei Streifen der Breite 2s, wobei die Durchkontaktierungslöcher im Zentrum der Streifen angedeutet sind (keine maßstabsidentische Abbildung in x- und y-Richtung);
Fig. 3B eine erfindungsgemäße Beispielstruktur mit sieben Streifen der Breite 2y entsprechend der Fig . 2C, wobei zur Vereinfachung die Vias in der Querschnittsdarstellung entfallen sind und mit dunkler Schraffur versehen ein Stromeinzugsgebiet für ein Durchkontaktierungsloch im Vergleich zu der dunkelschraffierten Darstellung der Fig . 3A;
Fig. 3C eine Beispielstruktur von neun Streifen der Beite 2z mit neun Durchkontaktierungslöcher-Reihen gemäß der Fig. 2D, wobei ebenfalls dunkelschraffiert die typische Fläche eines Stromeinzugsgebiets für ein Durchkontaktierungsloch angedeutet ist;
Fig. 4 mögliche vorteilhafte Ausgestaltungen der leitfähigen
Bahnstücke als Verbindungsbahnen einer Fingergruppe für eine Kontaktstruktur mit sieben Durchkontaktierungslöcher- Reihen und sieben Bahnen je Bahnstück und in dem eingekreisten Detail eine Verbindung zwischen benachbarten Fingergruppen zur Redundanzverbesserung im Sinne einer Verlängerung des Bahnstücks gemäß figürlicher Darstellung nach unten bis zum nächsten Finger, um den Anschluss an die benachbarte Fingergruppe zu bewirken;
Fig. 5 beispielhafte Zahlen und Abstände der Emitter-
Kontaktpunkte auf der Rückseite für eine MWT-ZeIIe mit Vorderseitenemitter in nicht maßstabsgerechter Abbildung bezüglich x-, y- und z- Richtung, wobei EL Emitterlötpunkte und BL Basislötpunkte darstellen, und
Fig. 6 eine mögliche Ausgestaltung der Verbindungselementestruktur am Beispiel einer Kontaktanordnung mit sieben Emitterpadreihen und sechs Basispadreihen sowie einer beispielhaften Maßangabe ausgehend von einer Standard- MWT-ZeIIe.
Gemäß Fig . 2A ist die Aufteilung einer MWT-ZeIIe gemäß dem Stand der Technik gezeigt, wobei zur Vereinfachung alle Details der Zellstruktur weggelassen und nur die Geometrie schematisch wiedergegeben ist. Die Zelle ist durch gedachte Trennlinien in drei Bereiche der Breite 2s = 154/6mm = 51,333mm aufgeteilt, deren Zentrum die Position der Durchkontaktierungs- löcher (Vias) für die Verbindungen von der Vorder- auf die Rückseite ist.
Die Fig . 2B bis 2D entsprechen erfindungsgemäßen Varianten dieser Ausgangsstruktur, die zur Lösung der gestellten Aufgabe führen.
Wenn die Streifenzahl von drei auf fünf erhöht wird (Fig . 2B), sinkt die Streifenbreite von 2s auf 2x, wo am Beispiel eines 6" * 6"-Wafers x = 154/10mm, also 15,4 mm ist.
Wenn die Zahl der Zellstreifen von drei auf sieben gesteigert wird (Beispielstruktur 2, Fig. 2C), wird die Breite der einzelnen Streifen auf 2y sinken, wobei y= 154/14 mm = 11 mm.
Wenn die Zahl der Zellstreifen von drei sogar auf neun gesteigert wird (Beispielstruktur 3, Fig. 4D), wird die Breite der einzelnen Streifen auf 2z sinken, wobei y= 154/18 mm = 8,555 mm. Die Zahlen der Vias und der Gesamtzahl der Finger können im Prinzip unabhängig voneinander gewählt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung aber ist, wenn diese annähernd gleich sind, z. B. :
3 Spalten ä 25 Löcher = 75 Vias (3 Finger/Via, d. h. 75 Finger)
5 Spalten ä 15 Löcher = 75 Vias (5 Finger/Via, d. h. 75 Finger)
7 Spalten ä 11 Löcher = 77 Vias (7 Finger/Via, d . h. 77 Finger)
9 Spalten ä 9 Löcher = 81 Vias (9 Finger/Via, d . h. 81 Finger)
Wenn weniger Finger benötigt werden (z. B. genau 60), um optimale Serienwiderstände zu erzielen, ergeben sich je nach Wahl der Zahl der Finger pro Via aber unterschiedliche Zahlen von Vias und Fingern, z. B. :
3 Reihen ä 20 Löcher = 60 Vias (3 Finger/Via, d . h. 60 Finger)
5 Spalten ä 20 Löcher = 100 Vias (3 Finger/Via, d. h. 60 Finger)
7 Spalten ä 20 Löcher = 140 Vias (3 Finger/Via, d. h. 60 Finger) oder z. B.
4 Spalten ä 15 Löcher = 60 Vias (4 Finger/Via, d. h. 60 Finger)
6 Spalten ä 15 Löcher = 90 Vias (4 Finger/Via, d. h. 60 Finger)
8 Spalten ä 15 Löcher = 120 Vias (4 Finger/Via, d. h. 60 Finger) oder z. B.
5 Spalten ä 12 Löcher = 60 Vias (5 Finger/Via, d. h. 60 Finger)
6 Spalten ä 12 Löcher = 72 Vias (5 Finger/Via, d. h. 60 Finger)
7 Spalten ä 12 Löcher = 84 Vias (5 Finger/Via, d. h. 60 Finger)
Gemäß Fig. 3A beträgt die Fläche des Stromeinzugsgebiets eines Durch- kontaktierungsloches in einer Struktur nach dem Stand der Technik (drei Streifen) : 3d * 2s = 6 mm * 51,333 mm = 308 mm2
Dabei ist die maximale Entfernung eines Punktes auf einem der Finger bis zum nächsten Loch bei einem Bahn-Bahn-Abstand (Pitch) von d = 2mm (die Schräge der senkrechten Bahn vernachlässigt) : s + d = (25,666 + 2) mm = 27,666 mm Bei der erfindungsgemäßen Beispielstruktur 1, Fig. 2B, mit fünf Streifen der Breite 2x ist das Stromeinzugsgebiet genauso groß wie beim Stand der Technik:
5d + 2x = 10 mm* 30,8 mm = 308 mm2
Dabei ist die maximale Entfernung eines Punktes auf einem der Finger bis zum nächsten Via bei einem Bahn-Bahn-Abstand (Pitch) von d = 2mm (die Schräge der senkrechten Bahn vernachlässigt) : x + 2d = (15,4+4) mm = 19,4 mm
Gemäß Fig. 3B ist bei der erfindungsgemäßen Beispielstruktur 2 mit sieben Streifen der Breite 2y das Stromeinzugsgebiet ebenfalls genauso groß wie beim Stand der Technik:
7d + 2y = 14 mm* 22 mm = 308 mm2
Dabei ist die maximale Entfernung eines Punktes auf einem der Finger bis zum nächsten Via bei einem Bahn-Bahn-Abstand (Pitch) von d = 2mm (die Schräge der senkrechten Bahn vernachlässigt) :
y + 3d = (11 + 6) mm = 17 mm
Gemäß Fig. 3C ist bei der erfindungsgemäßen Beispielstruktur 3 mit neun Streifen der Breite 2z das Stromeinzugsgebiet ebenfalls genauso groß wie beim Stand der Technik:
9d + 2z = 18 mm * 17, 111 mm = 308 mm2
Dabei ist die maximale Entfernung eines Punktes auf einem der Finger bis zum nächsten Via bei einem Bahn-Bahn-Abstand (Pitch) von d = 2mm (die Schräge der senkrechten Bahn vernachlässigt) : z + 4d = (8,555 + 8) mm = 16,555 mm
Somit ist deutlich geworden, dass sich die Flächen der Stromeinzugsgebiete durch die Umstrukturierung von 3 über 5 und 7 auf 9 Streifen und der Anbindung von 5 oder 7 oder 9 Bahnen anstatt 3 Bahnen an ein Via nicht ändern. Das bedeutet, dass jedes Via mit dem gleichen Strom belastet wird wie beim Stand der Technik, aber dass dennoch die maximalen Abstände beliebiger Punkte auf den Fingern vom nächsten Loch mit der Zahl der Streifen deutlich verringert werden : Längste Bahn bis zum Loch (Schräge der senkrechten Bahn vernachlässigt)
Stand der Technik s + l*d = (25,666 + 2) mm = 27,666mm
5 Lochreihen x + 2*d = (15,4+4) mm = 19,4 mm
7 Lochreihen y + 3*d = (11,0 + 6) mm = 17,0 mm
9 Lochreihen z + 4*d = (8,555 + 8) mm = 16,555 mm
Also bei neun Streifen sinkt die maximale Bahnlänge bis zu einem Via auf 16,555/27,666 = 60%. Somit wird der Serienwiderstand der beiden erfindungsgemäßen beispielhaften Strukturen deutlich geringer sein als der der Standardstruktur.
Also kann erfindungsgemäß die Bahnbreite der Finger um bis zu 40% reduziert werden (z. B. von lOOμm auf 60μm), bevor der Serienwiderstand der standardmäßigen Struktur mit drei Streifen wieder erreicht würde.
Die Einteilung in fünf oder sieben oder neun Streifen sind nur Beispiele. Es könnten ebenso auch vier, sechs, acht oder zehn Streifen sein. Auch in all diesen Fällen wäre (bei ungefähr gleichbleibender Gesamtzahl der Vias von 75 bis 81) die Fläche des Stromeinzugsgebietes eines einzelnen Vias die gleiche wie in den dargestellten Beispielstrukturen mit fünf, sieben und neun Streifen.
Eine mögliche vorteilhafte Ausgestaltung der Verbindungsbahnen ist in Fig . 4 dargestellt. Sie sieht vor, die Verbindungsbahnen über die eigene Fingergruppe hinaus bis zur ersten Bahn der benachbarten (entweder darüber oder darunter liegende) Fingergruppe zu verlängern, um eine Verbesserung der Redundanz der Anbindung an das nächstliegende Durchkontaktierungsloch (Via) zu verbessern.
Gemäß Fig. 5 wird auf der Zellenrückseite um die metallisierten Vias herum ein Silber-basierter (z. B. kreisförmiger) Lötfleck (Päd) gedruckt. Bei der Beispielstruktur 3 mit neun Streifen wird der Abstand zweier Emitter-Vias bzw. Lötflecken 18mm sein (Zentrum-Zentrum). Bei einem Durchmesser des Pads von 4mm ist somit der lichte Abstand der Emitterlötflecken 14 mm. Der seitliche Abstand der neun Emitter-Padreihen ist 2z = (154/9) mm = 17, 111mm.
In den Bereichen zwischen den Emitter-Lötfleckreihen werden die Basis- Lötflecken (Löt-pads) für die und überlappend mit den Aluminium-Flächen gedruckt. Im Beispiel der Struktur mit 7 Emitter-Lötpadreihen (Fig . 6) bilden sie sechs Reihen. Wenn diese mit den Emitter-Padreihen der (z. B. darunter liegende) Nachbarzelle verbunden werden müssen, ergibt sich daraus eine Gabelstruktur mit sechs Fingern, die in eine Querbahn münden, die z. B. auf der (von oben gesehen) ersten Zeile von Emitterpads liegen könnte, von der die sieben Finger für alle in sieben Reihen liegenden Emitterpads abzweigen (Fig 6).
Die erfindungsgemäßen Metallisierungsstrukturen von MWT-Zellen bauen auf der bekannten linear-parallelen Fingerstruktur heutiger Standardzellen und der daraus abgeleiteten MWT-Zellenstruktur auf. Sie übernehmen die hohe Anzahl von Vias aus dem bekannten Design, also typischerweise zwischen 60 und 80 Vias bei 60 bis 80 parallelen Fingern. Sie verlassen aber das Paradigma, dass die Vias in nur zwei oder drei Reihen angeordnet sein müssen, wie sie die gewohnten durchgezogenen zwei oder drei Emitter- Busbars von Standardzellen vorgegeben. Die Verteilung der gleichen Anzahl von Vias auf eine größere Anzahl von Streifen erhöht den Abstand zwischen den einzelnen Vias quer zu den Fingern und verringert ihren Abstand längs der Finger. Daraus erwachsen entscheidende Vorteile hinsichtlich Erhöhung des Wirkungsgrads von MWT-Zellen :
1.) Der verringerte Abstand der Vias längs der Finger reduziert die maximale Entfernung eines Punktes auf den Fingern bis zum nächsten Via. Ein Übergang von 3 auf 7 Streifen bei einem Fingerabstand von 2 mm reduziert sie auf 16,555/27,666, also 60%, gleichbedeutend mit einer Verkürzung um - 40%. Damit reduziert sich der Serienwiderstandsbeitrag des Fingersystems der Vorderseite signifikant. 2.) Die Auflösung von drei durchgängigen Emitter-Busbars von (z. B.) 3 mm Breite, die bei der Struktur gemäß dem Stand der Technik die (z. B.) 77 Finger auf der Vorderseite miteinander verbinden, in (z. B.) neun Reihen mit je neun (z. B. kreisförmigen) Einzelpads reduziert die Fläche des rückseitigen Emitterbereichs (Fläche der Busbars auf Emitter-dotiertem Gebiet) von
3 * [ 154 mm * 3 mm] = 3 * 462 mm2 = 1386 mm2 auf
81 *(π*22[mm2]) = 81 * 12,57 mm2 = 1018 mm2
Das heißt, dass die vereinzelten Emitter-Lötpads in 9 Reihen zu 9 Pads nur 1018/1386, also 73,5% der bisher von Silber bedeckten Fläche benötigen. Das spart 26,5% der Rückseiten-Silberpastenmenge.
3.) Die Auflösung von drei durchgängigen Emitter-Busbars von 3 mm Breite, die bei der Struktur gemäß dem Stand der Technik die (z. B. ) 77 Finger auf der Vorderseite mit einander verbinden, in (z. B.) neun Reihen mit je neun
(z. B. kreisförmigen) Emitter-Lötpads verändert die Länge des vom Laser für die Isolation von Emitterpads zu Basisflächen zu gravierenden Wegs von
(z. B.)
3 Bahnen ä 154 mm Länge, 3 mm Breite d . h. 3 * 308 mm + 6*3 mm = 942 mm auf (z. B.)
81 Pads mit 4 mm Durchmesser, d . h. auf 81*4 n [mm] = 81* 12,57 mm =
1018 mm; bewirkt also eine vernachlässigbare 8%-ige Erhöhung des
Laserweges.
Entscheidend dabei aber ist, dass diese Lasergräben in Form von 81 kreisförmigen oder anderen in sich geschlossenen Strukturen, z. B. quadratischen oder rechteckigen Konturen, vorliegen und nicht, wie beim Stand der Technik als Umrandung von zwei oder drei Busbars, die als durchgängige lineare Gräben von Waferkante zu Laserkante höchst empfindliche Sollbruchstellen des Wafers darstellen.
4) Die Auflösung von drei durchgängigen Emitter-Busbars von 3 mm Breite, die bei der Struktur gemäß dem Stand der Technik die (z. B.) 77 Finger der Vorderseite auf der Rückseite mit einander verbinden, in (z. B.) neun Reihen mit je neun (z. B. kreisförmigen) Emitter-Lötpads verändert die rückseitige Interdigitalstruktur der meist Kupfer-basierten Verbindungselemente von einer Gabel, die beim Stand der Technik die drei durchgehenden Emitter- Busbars mit den vier Basis-Padreihen der Nachbarzelle verbindet, in eine Gabel, die die als Beispiel gezeigten neun Emitter-Busbars mit acht Basis- Padreihen der Nachbarzelle verbindet.

Claims

Patentansprüche
1. MWT-Halbleiter-Solarzelle mit einer Vielzahl von das halbleitende Material kontaktierenden, parallel zueinander verlaufenden schmalen leitfähigen Fingern vorgegebener Länge, welche sich auf der dem Licht zugewandten Vorderseite der Zelle befinden, und Durchkontaktierungslöchern zum elektrischen Verbinden der leitfähigen Finger mit auf der Rückseite der Zelle vorgesehenen, gegenüber ihrer Umgebung isolierten Busbars, wobei die leitfähigen Finger streifenförmig verteilt auf der Zelle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Finger je Fingerstreifen durch eine erhöhte Streifenanzahl je Zelle reduziert ist, wobei jeweils elektrisch verschaltete Fingergruppen, bestehend aus mindestens fünf bis zehn parallelen Fingern, durch jeweils ein querliegendes leitfähiges Bahnstück gebildet werden und jedes Bahnstück mit mindestens einem Durchkontaktierungsloch in Verbindung steht.
2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Bahnstücke unter einem Winkel von ca. 90° zur Längsrichtung der parallelen Finger verlaufen.
3. Zelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Finger je Fingergruppe im Wesentlichen der Anzahl der Streifen je Zelle entspricht.
4. Zelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die um die Durchkontaktierungslöcher auf der Zellenrückseite liegenden Bereiche mit einer lötfähigen Metallisierung umgeben sind, wobei die maximale Ausdehnung der lötfähigen Metallisierung vom Zentrum des jeweiligen Durchtrittslochs nicht größer ist als der durchschnittliche Abstand der leitfähigen Finger auf der Zellenvorderseite.
5. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lötfähigen Metallisierungen auf der Zellenrückseite berührungsfrei voneinander und von der umgebenden polaritätsunterschiedlichen Rückseitenmetallisierung beabstandet sind .
6. Zelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierungslöcher und die Bereiche mit lötfähiger Metallisierung matrixartig in Zeilen und Spalten angeordnet sind .
7. Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix ein Punktraster mit größer/gleich 5 Spalten und Zeilen aufweist.
8. Zelle nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche mit lötfähiger Metallisierung auf der Zellenrückseite von einer weiteren, mit einer anderen Polarität beaufschlagten leitfähigen metallischen Fläche umgeben sind, wobei zwischen der leitfähigen Metallisierung und der leitfähigen metallischen Fläche ein Isolationsbereich, insbesondere ein Isolationsgraben ausgebildet ist.
9. Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige metallische Fläche Lötpads aufweist.
10. Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötpads parallel zu und zwischen den Spalten der Durchkontaktierungslöcher angeordnet sind.
11. Zelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fingergruppen der Vorderseite, die Metallisierung der Durchkontaktierungslöcher und die rückseitigen Metallisierungsflächen über und um den Austrittsbereich der Durchkontaktierungslöcher aus einer silberhaltigen Paste bestehen.
12. Zelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Metallisierung auf der Zellenrückseite aus Aluminium oder einem Aluminium-haltigen Material besteht.
13. Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die großflächige Aluminium- oder Aluminium-haltige Metallisierung auf der Rückseite des Halbleitermaterials aus Aluminiumpaste oder einer durch Sputtern oder Aufdampfen hergestellten Dünnschicht besteht.
14. Zelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lötfähige Metallisierung oder die lötfähigen Metallflächen auf der Zellenrückseite um die Durchkontaktierungslöcher herum berührungsfrei voneinander und von der sie umgebenden Rückseitenmetallisierung beabstandet sind, so dass in sich geschlossene Lücken zwischen den lötfähigen Metallflächen auf der Zellenrückseite um die Durchkontaktierungslöcher herum und die sie umgebende Rückseitenmetallisierung gebildet sind .
15. Zelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die in sich geschlossenen Lücken zwischen den lötfähigen Metallflächen auf der Zellenrückseite die Isolation zwischen den Polaritäten der Zelle darstellen.
16. Zelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation zwischen den Polaritäten der Zellen in den in sich geschlossenen Lücken zwischen den lötfähigen Metallflächen auf der Zellenrückseite um die Durchkontaktierungslöcher herum und der sie umgebenden großflächigen Rückseitenmetallisierung durch Laserbeschuss ausgebildet wird oder durch Ätzpastendruck mit anschließender Ätzung realisiert ist.
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