Beschreibung
Rückkontaktsolarzelle und Verfahren zum Herstellen einer solchen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit einem eine Front- und eine Rückseite aufweisenden Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, insbesondere p-Silizium basiertes kristallines Halbleitersubstrat, umfassend die Verfahrensschritte:
- Herstellen einer Vielzahl von von der Frontseite zu der Rückseite sich erstreckenden Durchgangsöffnungen,
- Erzeugen einer Schicht eines zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps entlang der Frontseite,
- Herstellen eines Frontseitenkontakts in Form einer Metallisierung mit die Durchgangsöffnungen frontseitig begrenzenden elektrisch leitenden frontseitigen Kontaktbereichen sowie eines Rückseitenkontakts, wobei der Frontseitenkontakt elektrisch leitend mit die Durchgangsöffnungen rückseitig begrenzenden gegenüber der Rückseite elektrisch isolierten rückseitigen Kontaktbereichen durch Einbringen eines elektrisch leitenden Materials in die Durchgangsöffnungen verbunden ist, die innenseitig entweder eine elektrisch isolierende erste Schicht oder eine Schicht des zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweisen, und
- Verbinden der rückseitigen Kontaktbereiche untereinander.
Zuvor wiedergegebene Verfahrensschritte müssen nicht in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden.
Auch nimmt die Erfindung Bezug auf eine Rückseitenkontaktsolarzelle mit einem eine Front- und eine Rückseite aufweisenden Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, insbesondere p-Silizium basiertes kristallines Halbleitersubstrat, mit
frontseitiger Schicht eines zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps,
einer Vielzahl von von der Frontseite zu der Rückseite sich erstreckenden Durchgangsöffnungen,
durch eine frontseitige Metallisierung gebildetem Frontseitenkontakt sowie Rückseitenkontakt,
wobei der Frontseitenkontakt durch die Durchgangsöffnungen hindurch mit die Durchgangsöffnungen auf der Rückseite umgebenen rückseitigen Kontaktbereichen elektrisch leitend verbunden ist und die rückseitigen Kontaktbereiche elektrisch leitend untereinander verbunden sind und gegenüber der Rückseite elektrisch isoliert sind, wobei zumindest einige der Durchgangsöffnungen in einer Reihe angeordnet sind, die Durchgangsöffnungen frontseitig von einem elektrisch leitenden Kontaktbereich begrenzt sind und die Durchgangsöffnungen innenseitig entweder eine elektrisch isolierende erste Schicht oder eine Schicht des zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweisen.
Um geeignete Spannungen bzw. Leistungen mit Solarzellen bereitzustellen, ist es bekannt, diese zu größeren Einheiten zu verschalten. Zur Herstellung entsprechender Module werden die Zellen parallel oder in Serie miteinander verschaltet und in einem geeigneten transparenten Verkapselungsmaterial wie Ethylenvinylacetat (EVA) eingebettet. Frontseitig werden entsprechende Module üblicherweise von einer Glasscheibe und rückseitig von einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie wie Polyvinylfluorid (TEDLAR) und Polyester abgedeckt. Das Modul selbst kann von einem Rahmen aus Aluminium aufgenommen sein.
Typische Solarzellenmodule auf Siliziumwafer-Basis weisen Kontakte auf der Vorder- und Rückseite auf. Da der Wirkungsgrad einer Solarzelle u. a. von der für die auftreffende Strahlung unbedeckten Frontfläche abhängt, die Frontseitenkontakte jedoch die wirksame Fläche beschränken, sind Rückseitenkontaktsolarzellen entwickelt worden,
die als WRAP-THROUGH-Solarzellen bekannt sind. Dabei werden Metal-Wrap- Through (MWT-) von Emitter- Wrap Trough (EWT) - Zellen unterschieden. Bei den MWT-Zellen wird Metallisierung auf der Frontseite aufgebracht, die aus strahlenförmig zu einer Durchbrechung als Stromsenke verlaufenden Fingern besteht und durch die Durchgangsöffnung hindurch zur Rückseite geführt wird. Diese Bereiche müssen von dem Rückseitenkontakt elektrisch getrennt werden, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
Die Herstellung entsprechender Rückseitenkontaktsolarzellen ist aufwändig und erfordert eine hohe Prozesssicherheit.
Rückseitenkontakt-Solarzellen sind z. B. der US-A-2010/70243040, WO-A- 2010/081505, DE-A-10 2009 059 156 oder der DE-A-10 2006 052 018 zu entnehmen.
Der JP-A-2008034609 und der US-A-2010/0275987 sind MWT-Solarzellen zu entnehmen. Um die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Frontkontakt zur Rückseite herzustellen, wird in die Durchgangsöffnung ein Pastenmaterial eingebracht, das insbesondere eine Glasfritte sowie teilweise ein aus Silber bestehendes Metallpulver enthält. Nach Einbringen bzw. Auftragen der Paste erfolgt sodann eine Temperaturbehandlung zwischen 500 °C und 850 °C.
Um ein Kontaktelement mit einer Solarzelle zu verbinden, sieht die DE-A-36 14 849 einen Widerstands schweißprozess vor, wobei zunächst auf das Kontaktelement ein Ultraschallschweißimpuls appliziert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Rückseitenkontakt-Solarzelle und eine solche so weiterzubilden, dass diese im Vergleich zum Stand der Technik kostengünstiger herstellbar ist und zudem langzeitsta- bil sein soll. Ferner soll eine sichere Kontaktierung durch die Durchgangsöffnungen ermöglicht werden. Auch soll ein problemloses Ausbilden der auf der Rückseite der elektrisch gegeneinander isolierten Kontakte ermöglicht werden.
Verfahrensmäßig wird die Aufgabe im Wesentlichen dadurch gelöst, dass von der Rückseite ausgehend durch die Durchgangsöffnungen hindurch bis zu den frontseitigen Kontaktbereichen ultraschallunterstützt ein Lotmaterial als das elektrisch leitende Material bei gleichzeitiger Bildung der rückseitigen Kontaktbereiche eingebracht wird.
Erfindungsgemäß wird ein Lotmaterial benutzt, um die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Front- und der Rückseite der MWT-Solarzelle herzustellen. Dabei wird das Lotmaterial von der Rückseite ausgehend ultraschallunterstützt in die Durchgangsöffnungen - auch Vias genannt - eingebracht, und zwar insbesondere gleichzeitig dann, wenn ein als elektrisch leitender zweiter Kontakt bezeichneter Streifen auf eine elektrisch isolierende Schicht auf der Rückseite aufgetragen wird. Das Lotmaterial setzt sich durch die Durchgangsöffnungen hindurch bis zum frontseitigen Kontaktbereich. Das Auftragen des Lotstreifens kann dabei in einer Art erfolgen, wie dieses in der DE-B-10 2010 016 814 beschrieben wird, auf deren Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird. So wird Lotdraht einem zwischen einer Heizeinrichtung und einem die Ultraschallschwingungen applizierenden Werkzeug wie Sonotrode verlaufenden Spalt zugeführt und geschmolzen. Das geschmolzene Lot fließt sodann durch den Spalt auf die Rückseite der Solarzelle. Durch diese Maßnahme erfolgt ein sicheres Auflöten von Lot.
Insbesondere ist vorgesehen, dass bei der frontseitigen Metallisierung des Halbleitersubstrats die z. B. strahlenförmig zu den Stromsenken führenden Finger in einen die Durchgangsöffnung frontseitig begrenzenden ringförmigen Kontaktbereich übergehen. Die Ausbildung der Metallisierung einschließlich des vorzugsweise aus Silber oder Silber enthaltendem ringförmigen Kontaktbereichs kann durch Druckverfahren wie Siebdruckverfahren oder durch Maskentechnik durchgeführt werden. Anstelle eines ringförmigen Kontaktbereichs kann ein solcher ausgebildet werden, der frontseitig die Durchgangsöffnung abdeckt, also verschließt.
Nach Ausbilden des flächigen Rückseitenkontakts vorzugsweise in Form einer aus Aluminium bestehenden oder Aluminium enthaltenden Schicht kann auf dieser eine Isolierschicht aus z. B. anorganischem Material aufgetragen werden - alternativ ist auch eine organische Isolierschicht möglich -, die aus Streifen besteht, die sich entlang einer
in einer Reihe angeordneten Durchgangsöffnungen erstreckt, wobei das anorganische Isolierschichtmaterial die Durchgangsöffnungen durchsetzen kann, um einen gesonderten Verfahrens schritt zur Ausbildung der elektrisch isolierenden ersten Schicht zu vermeiden.
Als anorganisches Isolierschichtmaterial kommen Glaskeramiken (niedriger Schmelzpunkt) oder siebgedruckte Ti02-Pasten in Frage. Auch besteht die Möglichkeit, zum Ausbilden der Isolierschicht lokal eine Phosphor-Glas-Schicht aufzusprühen. Insbesondere sind auch aus der Gasphase abgeschiedene Dielektrika oder polymerische Lacke geeignet.
Losgelöst hiervon ist insbesondere vorgesehen, dass die Isolierschicht durch lokales Sprühverfahren, durch Siebdruck oder durch Oxidation des porösen Silizium (Substratmaterial) bei etwa 400 °C - 1100 °C, vorzugsweise 500 °C - 800 °C ausgebildet wird.
Anschließend wird das elektrisch leitende Material auf der Isolierschicht streifenförmig aufgebracht, wobei unter Einfluss von Ultraschallschwingungen ein Eindringen in die Durchgangsöffnungen bis zu der frontseitigen Metallisierung bzw. den ringförmigen Kontaktbereichen erfolgt. Hierdurch ist eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der frontseitigen Metallisierung und der Rückseite der Solarzelle sichergestellt.
Die entsprechenden streifenförmigen Kontakte, die als erste Kontakte zu bezeichnen sind, werden sodann mit einer Verschaltungs struktur in einem Randbereich der Solarzelle elektrisch leitend miteinander verbunden. Über die Verschaltungsstruktur werden Solarzellen verschaltet. Die Verschaltungsstruktur weist somit in einem Bereich eine Kammgeometrie auf, deren Längsstege elektrisch leitend mit den ersten Kontakten verbunden sind.
Zwischen den streifenförmigen Isolierschichtabschnitten wird auf dem Rückseitenkontakt gleichfalls streifenförmig ein elektrisch leitendes Material als zweiter streifenförmiger Kontakt aufgebracht, wobei die einzelnen zweiten Kontakte ebenfalls untereinander verbunden werden, und zwar auf der in Bezug auf die Verbindung für die ersten
Kontakte gegenüberliegenden Seite der Solarzelle. Somit ergibt sich gleichfalls eine Kammstruktur.
Bei einer entsprechenden Struktur ist ein problemloses Verschalten von in Reihen angeordneten Solarzellen zu einem Modul möglich, in dem die Verbindungen erster Kontakte einer ersten Solarzelle mit zweiten Kontakten einer nachfolgenden Solarzelle verbunden werden.
Die ersten und zweiten streifenförmigen Kontakte können auch als Busbars bezeichnet werden, wobei die zweiten Kontakte insbesondere durch Siebdruck aufgebracht werden können.
Die ersten streifenförmigen Kontakte können durch Auftragen eines geschmolzenen Lotdrahts hergestellt werden, wobei während des Auftragens im erforderlichen Umfang Ultraschallschwingungen mittels einer Sonotrode eingebracht werden. Dabei kann zur herstellungstechnischen Vereinfachung entsprechend den im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden ersten streifenförmigen Kontakten eine entsprechende Anzahl von Sonotroden zum Einsatz gelangen, so dass gleichzeitig die entsprechenden ersten streifenförmigen Kontakte aufgetragen werden, wobei gleichzeitig Lotmaterial in die Durchgangsöffnungen eindringt.
Bei dem elektrisch leitenden Material sowohl für die ersten als auch für die zweiten streifenförmigen Kontakte handelt es sich um ein Lotmaterial wie Zinn oder Lotmaterial auf Zinn/ Zink- oder Zinn/ Silber-Basis. Andere geeignete Materialien wie Zinn-Blei oder sonstige Lotpastenmaterialien kommen gleichfalls in Frage.
Die Erfindung zeichnet sich somit dadurch aus, dass zumindest einige der Durchgangsöffnungen in zumindest einer entlang einer Linie wie Geraden verlaufenden Reihe angeordnet sind, wobei nach Herstellen des Frontseitenkontakts mit den frontseitigen Kontaktbereichen auf der Rückseite der Solarzelle eine elektrisch isolierende zweite Schicht aufgebracht wird. Diese kann sich bis in die Durchgangsöffnung hindurch zur Bildung der elektrisch isolierenden ersten Schicht erstrecken. Dies ist allerdings dann
nicht zwingend erforderlich, wenn die Durchgangsöffnungen innenseitig eine Schicht des zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweisen.
Es ist vorgesehen, dass nach Auftragen der zweiten elektrisch isolierenden Schicht auf dieser entlang der Linie das sich in die Durchgangsöffnungen hindurch erstreckende elektrisch leitende Material streifenförmig zur Bildung erster streifenförmiger Kontakte aufgetragen wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass zumindest einige der Durchgangsöffnungen in zumindest zwei, vorzugsweise drei parallel zueinander verlaufenden Reihen angeordnet sind, wobei entlang jeder Reihe jeweils ein streifenförmiger Abschnitt der zweiten elektrisch isolierenden Schicht verläuft und parallel zu den Abschnitten zumindest ein streifenförmiger mit dem Rückseitenkontakt verbundener zweiter streifenförmiger Kontakt ausgebildet wird. Dabei sind die ersten und zweiten streifenförmigen Kontakte für sich jeweils untereinander in gegenüberliegenden Randbereichen der Solarzelle elektrisch leitend verbunden.
Zum Ausbilden der ersten streifenförmigen Kontakte sollte entlang jeder Reihe der Durchgangsöffnungen eine in Ultraschallschwingungen versetzbare Sonotrode geführt werden, mit der auf das jeweilige streifenförmig aufgetragene elektrisch leitende Material Ultraschallschwingungen zur Bildung der ersten streifenförmigen Kontakte und Einbringen des elektrisch leitenden Materials in die Durchgangsöffnung hinein übertragen werden. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass gleichzeitig auf jeden streifenförmigen Kontakt Ultraschallschwingungen einwirken.
Eine Rückseitenkontakts olarzelle der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass eine entlang der Rückseite verlaufende elektrisch isolierende zweite Schicht sich streifenförmig entlang der in der Reihe angeordneten Durchgangsöffnungen erstreckt, und dass sich entlang der elektrisch isolierenden zweiten Schicht durch die Durchgangsöffnungen hindurch bis zu den frontseitigen Kontaktbereichen ultraschallunterstützt aufgetragenes Lotmaterial als elektrisch leitendes Material erstreckt, wobei das sich entlang der elektrisch isolierenden zweiten Schicht erstreckende elektrisch leitende
Material einen elektrisch leitenden ersten Kontakt bildet, wobei dann, wenn die Durchgangsöffnungen innenseitig die elektrisch isolierenden ersten Schichten aufweisen, die ersten Schichten Abschnitte der elektrisch isolierenden zweiten Schicht oder - bei einer MWT-PERC -Zelle - Abschnitte einer unmittelbar auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachten Isolierschicht sind.
Bei der Verwendung einer MWT-PERC -Zelle kann alternativ das rückseitige Passivier- dielektrikum als erste isolierende Schicht in der Durchgangsöffnung fungieren. Die zweite isolierende Schicht wird dann in einem separaten Schritt aufgebracht, und zwar auf die auf das Passivierungsdielektrikum aufgebrachte Rückkontaktschicht wie Al-Schicht.
Vorzugsweise sieht die Erfindung vor, dass entlang zumindest einer Seite der streifenförmigen Abschnitte der elektrisch isolierenden zweiten Schicht ein elektrisch leitender mit der Rückseite verbundener streifenförmiger elektrisch leitender zweiter Kontakt verläuft.
Zur herstellungstechnischen Vereinfachung, ohne dass die Anzahl der Durchgangsöffnungen üblicher Rückseitenkontaktsolarzellen reduziert wird, ist optional vorgesehen, dass die Durchgangsöffnungen ausschließlich in zwei parallelen oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Reihen angeordnet sind.
Weist eine Solarzelle üblicherweise 16 Durchgangsöffnungen auf, die in vier Reihen angeordnet sind, so ist erfindungs gemäß vorgesehen, dass die Durchgangsöffnungen in zwei Reihen ä acht Durchgangsöffnungen angeordnet sind. Bei dieser Anordnung gehen gleichfalls fingerartige Kontakte z. B. strahlenförmig von den Durchgangsöffnungen aus und schneiden die Äquipotentiallinien in etwa senkrecht.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht einer Rückseitenkontaktsolarzelle,
Fig. 2 - 5 Darstellungen der Rückseite der Rückseitenkontaktsolarzelle der Fig. 1 nach verschiedenen Prozessschritten,
Fig. 6 die Vorderansicht von Fig. 1 nach erfolgter Durchkontaktierung,
Fig. 7 eine alternative Ausführungsform einer Rückseite einer Rückseitenkontaktsolarzelle,
Fig. 8 die Frontseite der Rückseitenkontaktsolarzelle gemäß Fig. 7,
Fig. 9 eine alternative Ausführungsform zu der Rückseitenkontaktsolarzelle gemäß Fig. 7,
Fig. 10 Rückseite der Rückseitenkontaktsolarzelle gemäß Fig. 9,
Fig. 11 Frontansicht von zwei zu verschaltenden Solarzellen,
Fig. 12 die verschalteten Solarzellen gemäß Fig. 11 in Rückseitenansicht,
Fig. 13a, b Prinzipdarstellungen des Auftragens von Lotmaterial und
Fig. 14 Verfahrens-Fließbilder.
Die erfindungsgemäße Ausbildung einer Rückseitenkontaktsolarzelle wird im Ausführungsbeispiel anhand eines p-Silizium basierten kristallinen Halbleitersubstrats erläutert, so dass infolgedessen die Emitter- oder n-Kontakte von der Frontseite und die Basis-
oder p-Kontakte von der Rückseite ausgehen. Die erfindungs gemäße Lehre gilt jedoch auch für andere Halbleitersubstrate oder Grunddotierungen entsprechend.
In Fig. 1 ist die Strahlen zugewandte Front- oder Vorderseite 10 einer erfindungsgemäßen Rückseitenkontaktsolarzelle in Form einer Metal Wrap-Through (MWT-Zelle) dargestellt. Basis der MWT-Zelle bildet ein Wafer aus p-dotiertem Silizium, in dem in Reihen 12, 14, 16, 18, 20 als Bohrungen zu bezeichnende Durchgangsöffnungen eingebracht sind, von denen einige beispielhaft mit den Bezugszeichen 22, 24 gekennzeichnet sind. In einem Phosphor-Diffusionsschritt wird frontseitig eine Emitterschicht (n- Schicht) erzeugt. Die Wände der Durchgangsöffnungen können ebenfalls mit einer n- Schicht bedeckt sein. Anschließend wird z. B. durch Druckverfahren oder Maskentechnik eine einen Frontkontakt 26 bildende Metallisierung aufgebracht, die in bekannter Weise aus dünnen strahlenförmig zu den auch als Bohrungen oder Vias zu bezeichnenden Durchgangsöffnungen 22, 24 führenden Fingern 28, 30 verlaufen. Da die Durchgangsöffnungen 22, 24 bei Betrieb der Solarzelle Stromsenken bilden, sollten die Finger 28, 30 senkrecht oder in etwa senkrecht zu den Äquipotentiallinien, die um die Stromsenken herum verlaufen bzw. die Durchgangsöffnungen 22, 24 umgeben, verlaufen, die die Durchgangsöffnungen 22, 24 umgeben.
Erfindungsgemäß wird neben den Fingern 28, 30 ein frontseitiger die Bohrungen 22, 24 umgebender Kontaktbereich 32, 34 mit ausgebildet, in den folglich die Kontaktfinger 28, 30 übergehen. Die frontseitigen Kontaktbereiche 32, 34 weisen vorzugsweise eine Ringstruktur bzw. -geometrie auf und bestehen aus dem gleichen Material wie die Metallisierung, also der Frontseitenkontakt 26 und insbesondere aus Silber oder enthalten Silber. Insbesondere können die Kontaktstrukturen einen Abstand bis zu 1 mm von der Kante der Durchgangsöffnungen haben. Selbstverständlich würde die Erfindung nicht verlassen werden, wenn die ringförmigen frontseitigen Kontaktbereiche 32, 34 aus einem anderen Material als die der Kontaktfinger 28, 30 bestehen. Auch können die Kontaktbereiche die Durchgangsöffnungen 22, 24 vollständig abdecken, wie die Fig. 13b) verdeutlicht. In einer weiteren Ausführung erstrecken sich die vorderseitigen Kontaktbereiche bis direkt zur Durchgangsöffnung hin.
Weisen die Bohrungen 22, 24 innenseitig keine n-Schicht auf, wird auf die Innenflächen der Bohrungen 22, 24 eine insbesondere aus anorganischem Material bestehende Isolierschicht aufgebracht, die als elektrisch isolierend erste Schicht bezeichnet wird und sich bis zur Rückseite 36 der Solarzelle erstreckt. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 umgibt die Isolierschicht die Bohrungen 22, 24 rückseitig, wie durch die Ringe 38, 40, 42 angedeutet wird, die die Bohrungen 22, 24 auf der Rückseite 36 der Solarzelle umgeben.
Die Isolierschicht kann durch Siebdruck oder Maskieren und Aufsprühen oder Mikro- dosiertechnik (Dispenser, Düsen) aufgebracht werden. Insbesondere kann auch eine aus der Gasphase abgeschiedene Schicht verwendet werden, wie dies z. B. bei PERC-Zellen üblich ist.
Um sicherzustellen, dass die sich in die Bohrungen 22, 24 erstreckende Isolierschicht die Bohrungen 22, 24 nicht verschließt, sind folgende Maßnahmen zu bevorzugen. Das Isolierschichtmaterial wird dünn aufgetragen, d.h. ein flüssiges Material wird verwendet, das in die die Bohrungen 22, 24 umschließende raue Wandstruktur des Substrats insbesondere aufgrund der Kapillarität einzieht. Sodann können die Bohrungen 22, 24 z.B. mittels Laser„nachgebohrt", also geöffnet werden.
Nach dem Einsprühen einer das Schichtmaterial enthaltenen Lösung und nachdem die Lösung das Substratmaterial wie Silizium die Wandungen der Bohrungen 22, 24 benetzt hat, kann ein Durchblasen der Bohrungen 22, 24 erfolgen.
Ein„Nachbearbeiten" der Bohrungen 22, 24 ist jedoch dann nicht erforderlich, wenn sich das in die Bohrungen 22, 24 eingebrachte flüssige Isolierschichtmaterial beim Trocknen zusammenzieht, so dass die Bohrungen 22, 24 durchgängig für die Durchkon- taktierungen sind.
Ein weiterer Vorschlag sieht vor, dass die Bohrungen 22, 24 mit einer Phosphor-Glas- Lösung gefüllt werden und diese sodann getrocknet wird. Es schließt sich ein Diffusi- onsprozess an, bei dem Phosphor in die Wand der Bohrungen 22, 34 und rückseitige
Umgebung der Bohrungen 22, 24 eindiffudiert, also sich ein Emitter ausbildet. Anschließend wird die sich gleichzeitig ausbildende Phosphorsilikat-Glas-Schicht in den Bohrungen 22, 24 z.B. mittels Flusssäure weggeätzt.
Alternativ oder ergänzend besteht die Möglichkeit entsprechend der Fig. 3 streifenförmig entlang der in den Reihen 12, 14, 16, 20 verlaufenden Bohrungen 22, 24 auf der Rückseite 36 Isolierschichtstreifen 44, 46, 48, 50 aufzutragen, die sich bis in die Bohrungen 22, 24 hindurch bis zu den vorzugsweise ringförmigen frontseitigen Kontaktbereichen 32, 34 erstrecken. Die streifenförmigen Isolierschichten 44, 46, 48, 50 werden als zweite Isolierschicht bezeichnet, von der infolgedessen Abschnitte die erste sich durch die Bohrung 22, 24 erstreckende Isolierschicht ist.
Das Herstellen der ersten und zweiten Isolierschicht erfolgt vorzugsweise in einem Arbeitsschritt.
In einem zweiten Verfahrens schritt erfolgt ultraschallunterstützt ein Durchkontaktieren von Lotmaterial wie Zinn oder Zinn/Zink- oder Zinn/ Aluminium-Legierungen derart, dass eine elektrisch leitende Verbindung entsteht, die sich von Kontakten im Bereich der Bohrung 22, 24 auf der Rückseite 36 der Solarzelle bis hin zu den Lötpunkten 52, 54, 56 der frontseitigen Kontaktbereiche 32, 34 erstrecken, wie ein Vergleich der Fig. 5 und 6 zeigt. Die Lötpunkte 52, 54, 56 werden frontseitig mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Somit ist eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der frontseitigen Metallisierung, die als Frontseitenkontakt bezeichnet wird, zur Rückseite 36 der Solarzelle sichergestellt. Anschließend können die rückseitigen Lötpunkte 52, 54, 56 in gewohnter Weise elektrisch leitend verbunden werden, um die Solarzelle zu verschalten.
Zwischen den streifenförmigen sich entlang der in den Reihen 12, 14, 16, 20 angeordneten Bohrungen 22, 24 oder Vias verlaufenden Isolierschichtstreifen 44, 46, 48, 50 ist die Rückseite 36 freigelassen, so dass in den Zwischenraum auf den Rückseitenkontakt, der insbesondere aus Aluminium besteht oder Aluminium enthält und z. B. flächig den Wa-
fer abdeckt, als Busbars 60, 62, 64 zu bezeichnende Balken zum Beispiel im Siebdruck aufgetragen werden können. Insoweit kommen bekannte Techniken zur Anwendung.
Alternativ können in gewohnter Weise in der Aluminiumschicht 58 Aussparungen vorgesehen sein, in denen sich Lötpads befinden, die sodann mit einem Verbinder stoffschlüssig verbunden werden, um ein Verschalten der Solarzelle zu ermöglichen. Mit entsprechenden Verbindern werden auch die Busbars 60, 62, 64 verbunden.
Die Busbars 60, 62, 64 sind bevorzugterweise Lotbahnen, die durch Ultraschallbelotung hergestellt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, aus Silber und/oder Kupfer und/oder Zink Metallbahnen durch Siebdruck, Plasmaspritzen, Tampondruck oder mittels Galvanik herzustellen. Materialien wie Sn, Sn-Pb, Sn-Zn, Sn-Ag oder Sn-Ag-Cu kommen gleichfalls in Frage.
Weist der Rückkontakt Lötpads auf, so sollten diese aus Silber und/oder Kupfer und/oder Zink oder einem der zuvor genannten Materialien bestehen und können gleichfalls durch Siebdruck, Plasmaspritzen oder Tampondruck oder gegebenenfalls galvanisch aufgebracht werden.
Anstelle von zueinander beabstandeten Lötpunkten 52, 54, 56 ist bevorzugterweise vorgesehen, dass entlang jeder Reihe 12, 14, 16, 20 auf den streifenförmigen Isolierschichtabschnitten 44, 46, 48, 50 jeweils ein Streifen elektrisch leitenden Materials mittels Ultraschall oder ultraschallunterstützt aufgetragen wird, wobei das elektrisch leitende Material entsprechend der erfindungs gemäßen Lehre die Bohrungen 22, 24 bis hin zu den frontseitigen Kontaktbereichen 32, 34 durchsetzt. Dies soll anhand der Fig. 7 und 8 verdeutlicht werden. Dabei unterscheiden sich die diesen zu entnehmenden Rückseitenkontakts olarzellen von denen der Fig. 1 - 6 von der Anordnung der Bohrungen dahingehend, dass diese ausschließlich in zwei Reihen 66, 68 angeordnet sind, wobei jedoch die Gesamtzahl der Bohrungen mit der der Ausführungsbeispiele der Fig. 1 - 6 übereinstimmt, also die Anzahl der Stromsenken nicht verändert ist. Entsprechend der zuvor erfolgten Erläuterungen weist die Frontseite 10 eine Metallisierung auf, die durch Finger 76, 78 gebildet wird.
Entsprechend der erfindungs gemäßen Lehre sind Bohrungen 70, 72, 74 frontseitig von nicht näher gekennzeichneten vorzugsweise ringförmigen frontseitigen Kontaktbereichen umgeben, von denen die Kontaktfinger 76, 78 ausgehen. Die Bohrungen 70, 72, 74 sind von einer Isolierschicht ausgekleidet, die in streifenförmige Isolierschichtabschnitte 80, 82 übergehen, die entlang der Rückseite 36 der Solarzelle entsprechend der Erläuterungen der Fig. 3 und 4 verlaufen. Anstelle der ringförmigen Kontaktbereiche können auch solche vorgesehen sein, die die Bohrungen 70, 72, 74 frontseitig vollständig abdecken, oder die sich bis an die Kante der Bohrungen erstrecken.
Abweichend von den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 - 6 wird nicht getrennt in jede Bohrung 70, 72, 74 ein Lotmaterial eingebracht, um die elektrisch leitende Verbindung zwischen der frontseitigen Metallisierung und der Rückseite herzustellen, vielmehr wird entlang der streifenförmigen Isolierschichtabschnitte 80, 82 streifenförmig das elektrisch leitende Material mittels Ultraschall bzw. ultraschallunterstützt aufgebracht, um Busbars 84, 86 zu bilden, die sich durch die Bohrungen 70, 72, 74 zu den Frontseiten- kontaktbereichen hindurch erstrecken.
Es besteht folglich die Möglichkeit, die Busbars 84, 86 z.B. durch Ultraschallbelotung in Form von Lotbahnen auszubilden. Aber auch mittels Siebdruck, Plasmaspritzen, Tampondruck oder Galvanik können Metallbahnen als Busbars 84, 86 ausgebildet werden, die aus Silber, Kupfer oder Zink bestehen können.
Die Ultraschallbelotung zur Bildung der streifenförmigen Lotbahnen 84, 86 erfolgt insbesondere nach einer Lehre, wie diese der DE-B-10 2010 016 814 zu entnehmen ist, auf deren Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird.
So kann ein Lotdraht einem zwischen einem die Ultraschallschwingungen applizierenden Werkzeug wie Sonotrode und einer Heizeinrichtung verlaufenden Spalt zugeführt werden, damit der Lotdraht schmilzt und sodann das geschmolzene Lot durch den Spalt auf die Rückseite der Solarzelle fließt.
Sofern die Durchkontaktierungen rückseitig nicht über Busbars verbunden sind, sondern punktuelle n-Kontakte auf der Rückseite ausgebildet werden, können Lötpunkte (Me- tallpads) z.B. aus Silber, Kupfer oder Zink durch Siebdruck, Plasmaspritzen, Tampondruck oder mittels Galvanik hergestellt.
Als Materialien für die als Busbars oder Lötpunkte ausgebildeten n-Kontakte kommen außerdem Materialen wie Sn, Sn-Pb, Sn-Zn, Sn-Ag, Sn-Ag-Cu oder sonstige geeignete Lotmaterialien in Frage.
Im Randbereich der Solarzelle und parallel zu den Busbars 84, 86, die die Durchkontaktierungen, also das die Bohrungen 70, 72, 74 durchsetzende Lotmaterial verbinden, verlaufen sodann Busbars 88, 90, die als streifenförmige zweite Kontakte bezeichnet werden können und elektrisch mit dem Rückseitenkontakt 58 der Solarzelle verbunden sind.
Bei einem p-Silizium basierten Substrat mit lichteinfallseiteigem, frontseitigem Emitter bilden folglich die Busbars 84, 86 den n-Kontakt und die Busbars 88, 90 die p- Kontakte.
Aus der Fig. 8 ergibt sich des Weiteren, dass die zu den Stromsenken, also zu den Durchkontaktierungen durch die Bohrungen 70, 72, 74 verlaufenden Kontaktfinger 76, 78 derart angeordnet sind, dass diese senkrecht oder in etwa senkrecht die Durchkontaktierungen umgebenden Äquipotentiallinien schneiden. Zeichnerisch soll dies prinzipiell verdeutlicht werden.
Den Fig. 9 und 10 ist eine alternative Ausführungsform einer Rückseitenkontaktsolar- zelle zu der der Fig. 7 und 8 zu entnehmen.
Abweichend von der Anordnung der Durchgangsöffnungen 70, 72, 74 der Fig. 8 weist die Rückseitenkontaktsolarzelle 200 in vier Reihen angeordnete Durchgangsöffnungen 202, 204, 206 und 208 und somit Durchkontaktierungen auf, um frontseitig verlaufende und als Stromsammler dienende Finger 210, 212 elektrisch leitend mit entlang der Rückseite 214 der Solarzelle 200 verlaufenden Kontakten zu verbinden. Dabei verlau-
fen die Kontaktfinger 210, 212 entsprechend der Fig. 8 insbesondere senkrecht oder nahezu senkrecht zu den die Durchkontaktierungen umgebenden Äquipotentiallinien.
Die rückseitig verlaufenden Kontaktbereiche der Durchkontaktierungen, von denen zwei beispielhaft mit den Bezugszeichen 216 und 218 gekennzeichnet sind, die die Durchgangsöffnungen 202 und 208 durchsetzen, können entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 untereinander über einen z. B. aus Zinn bestehenden einen Busbar bildenden elektrisch leitenden streifenförmig verlaufenden Kontakt verbunden werden, wie dies durch die Fig. 7 verdeutlicht wird. Zwischen den in Reihen angeordneten Kontakten 216, 218 bzw. den diesen verbindenden Busbars, die gegenüber der Rückseite 214 der Solarzelle 200 in zuvor beschriebener Weise isoliert sind, verlaufen Busbars 220, 222, 224, die die Rückseitenkontakte der Solarzelle 200 und infolgedessen bei einem p-basierten Halbleitersubstrat die p-Kontakte bilden.
Zu den als Busbars 220, 222, 224 bezeichneten p-Kontakten ist anzumerken, dass diese durch Auftragen von Balken im Siebdruckverfahren, durch Plasmaspritzen, Tampondrucken oder galvanisch hergestellt werden können. Alternativ können Pads vorgesehen sein, die sodann über einen streifenförmigen Verbinder verbunden werden. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, die Rückseite ganzflächig mit der Aluminiumschicht 214 zu versehen, auf die sodann streifenförmig ultraschallunterstützt Lotbahnen aufgetragen werden.
Die Rückseitenkontakts olarzellen können entsprechend der den Fig. 11 und 12 zu entnehmenden Prinzipdarstellungen verschaltet werden. Dies wird mittels kammartiger Kontaktstrukturen verwirklicht, die ineinandergreifen.
Zum Verschalten der in Fig. 11 dargestellten Rückseitenkontakts olarzellen 300, 302 werden die frontseitigen Metallisierungen 304, 306 über Durchkontaktierungen 308, 310 in zuvor beschriebener Weise zu den Rückseiten 312, 314 der Solarzellen 300, 302 geführt. Die Durchkontaktierungen 308, 310 können sodann zunächst untereinander durch Busbars verbunden werden, die parallel zueinander verlaufen, wie dies z.B. im Zusammenhang mit der Fig. 7 erläutert worden ist. Allerdings ist ein Verbinden der
Durchkontaktierungen 308, 310 über Busbars oder gleichwirkende Kontaktstreifen nicht zwingend erforderlich.
Die p-Kontakte, also Rückseitenkontakte werden durch Busbars 316, 318 gebildet, die parallel zueinander und parallel zu den in Reihe angeordneten Durchkontaktierungen 308, 310 verlaufen, wie dies durch die Fig. 12 verdeutlicht wird.
Zum Verschalten der Solarzellen 300, 302 wird eine kammartige Kontaktierung 320 benutzt, die einen parallel zu den aneinandergrenzenden Rändern der Solarzellen 300, 302 verlaufenden Querschenkel 322 und zu beiden Seiten von diesem abragende Längsschenkel 324, 326 umfasst.
Dabei ist die Anzahl der sich entlang der Rückseite der Solarzelle 300 erstreckenden Längs Schenkel 324 gleich der Anzahl der in Reihen angeordneten Durchkontaktierungen 308 der Zelle 300 und die Anzahl der der Solarzelle 302 zugeordneten Längsschenkel 326 gleich der der Busbars 318 der Zelle 302. Die Kontaktstruktur 320 wird nun derart positioniert, dass die Längsschenkel 324 elektrisch leitend mit den Durchkontaktierungen 308 der Zelle 300 und die Längsschenkel 326 mit den Busbars 318 der Solarzelle 302 elektrisch leitend verbunden sind. Der Querschenkel 320 ist sodann zumindest in Bezug auf die Rückseite 312 der Solarzelle 300 gegenüber dieser elektrisch isoliert, um einen Kurzschluss zu vermeiden.
Entsprechend der dargestellten Kontaktstruktur 320 werden sodann weitere angrenzende Solarzellen miteinander verschaltet.
Den Fig. 13a), 13b) ist noch einmal prinzipiell das Verfahren zum Durchkontaktieren der Durchgangsöffnungen zu entnehmen, wie dies zuvor erläutert worden ist. Die zu durchkontaktierenden Durchgangsöffnungen werden mit den Bezugszeichen 400, 402, 404 gekennzeichnet, die das Solarzellensubstrat 406 von der Frontseite zur Rückseite durchsetzen. Dabei werden die Durchgangsöffnungen 400, 402, 404 frontseitig von zuvor erläuterten ersten Kontaktbereichen 408, 410 begrenzt, wobei entsprechend der Darstellung gemäß Fig. 13a) die durch eine Kreuz schraffur gekennzeichneten Kontakt-
bereiche 408 ringförmig die frontseitig verlaufenden Öffnungen der Durchgangsöffnungen 400, 402, 404 begrenzen, wohingegen nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 13 b) die Kontaktbereiche 410 die Durchgangsöffnungen 400, 402, 404 frontseitig verschließen.
Wie die Fig. 13a) verdeutlicht, enden die ringförmigen Kontaktbereiche 408 vorzugsweise beabstandet zum oberen Rand der Durchgangsöffnungen 400, 402, 404, um sicherzugehen, dass beim Sintern Shunts nicht entstehen. Insbesondere beläuft sich der Abstand zwischen innerem Rand der ringförmigen Kontaktbereiche 408 und Rand der Durchgangsöffnungen 400, 402, 404 zwischen 50 μιη und 1000 μιη, gleichwenn die Erfindung auch dann nicht verlassen wird, wenn der ringförmige Kontaktbereich 408 unmittelbar vom Rand der Durchgangsöffnungen 400, 402, 404 ausgeht.
Um das Lotmaterial in die Durchgangsöffnungen 400, 402, 404 einzubringen, wirkt auf das Lotmaterial ein in Ultraschallschwingungen erregtes Werkzeug wie Sonotrode, wie dies in der DE-B-10 2010 016 814 beschrieben worden ist. Die Frequenz der Ultraschallschwingungen kann im Bereich zwischen 20 kHz und 100 kHz liegen. Das Lotmaterial, das prinzipiell durch eine Schraffur aufweisende Kreise angedeutet ist, dringt in die Durchgangsöffnungen 400, 402, 404 in einem Umfang ein, dass die frontseitig verlaufenden Kontaktbereiche 408, 410 kontaktiert werden und eine stoffschlüssige Verbindung eingegangen wird. Das Eindringen des Lotmaterials in die Durchgangsöffnungen 400, 402, 404 erfolgt insbesondere dann, wenn auf den zuvor beschriebenen aus elektrisch isolierendem Material bestehenden zweiten Schichten streifenförmig eine Lotbahn aufgebracht wird, wobei gleichzeitig Lotmaterial beim Überstreichen der Durchgangsöffnungen 400, 402, 404 in diese eindringt. Dabei wird entsprechend der Lehre der DE-B-10 2010 016 814 die Solarzelle bzw. das Substrat 406 unter der Sonotrode hindurch geführt, entlang der das Lotmaterial zu dem Substrat 406, d. h., dessen Rückseite fließt. Das Lotmaterial wird auf der Rückseite des Substrats 406, in den Durchgangsöffnungen 400, 402, 404 und den Kotaktbereichen 408, 410 aufgelötet. Das auf die Rückseite aufgelötete Lotmaterial ist in den Fig. 13a), b) nicht dargestellt.
Anhand der Fig. 14 sollen noch einmal rein prinzipiell die Prozessfolgeschritte beschrieben werden, die zur Herstellung einer Solarzelle nach dem Stand der Technik bzw. nach der Erfindung durchgeführt werden. Dabei werden die wesentlichen Verfahrensschritte rein prinzipiell erläutert.
Die Prozessfolge nach dem Stand der Technik ist dem linken Fließbild der Fig. 14 zu entnehmen. So werden in bekannter Weise in einem z. B. aus einem p-leitenden Silizium bestehenden Substrat zunächst Durchgangslöcher (Vias) hergestellt, um sodann die Frontseite des Substrats zu texturieren. Anschließend wird ein Diffusions schritt durchgeführt, und zwar insbesondere unter Verwendung einer phosphorhaltigen Dotierstoffquelle. Anschließend wird das gebildete Phosphorsilikatglas entfernt und eine chemische Kantenisolation durchgeführt. Als nächster Schritt wird durch Aufbringen z. B. einer Siliziumnitrid-Schicht eine Antireflex Schicht ausgebildet. In einem nachfolgenden Schritt werden die Durchgangsöffnungen metallisiert. Nach einem Trocknungs schritt wird sodann die Frontseite metallisiert, um also z. B. durch Siebdruck Finger und Frontseitenkontaktbereiche, die die Vias umgeben, aufzubringen. Nach erneutem Trocknen wird in einem nächsten Verfahrens schritt die Rückseitenmetallisierung durch insbesondere flächiges Aufbringen einer elektrisch leitenden Schicht wie Aluminiumschicht ausgebildet. Es schließt sich nach einem weiteren Trocknungs schritt ein Sinterschritt an. Sodann erfolgt insbesondere mittels Laser eine Isolierung der die Vias rückseitig umgebenden Emitterpads von der Rückseitenmetallisierung.
Eine erfindungs gemäß hergestellte Solarzelle erfährt verfahrenstechnisch bis zur Ausbildung der Antireflex schicht die gleichen Verfahrens schritte, wie diese zuvor erläutert worden sind. Abweichend vom Stand der Technik erfolgt sodann nicht die Metallsie- rung der Vias, sondern die des Frontkontaktes, also insbesondere eine durch Siebdruck aufgebrachte Kontaktstruktur in Form von Fingern und den die Durchgangsöffnungen oder Vias umgebenden Frontkontaktbereiche, die entsprechend der erfindungs gemäßen Lehre insbesondere ringförmig die Durchgangsöffnungen umgeben können. Nach dem Trocknen wird anschließend insbesondere ganzflächig eine metallische Schicht wie Aluminiumschicht auf die Rückseite aufgetragen und getrocknet. Selbstverständlich weist die ganzflächig aufgetragene Rückseitenkontaktschicht im Bereich der Vias Aus-
sparungen auf, da sich ansonsten Shunts bilden würden. Es erfolgt sodann der Sinterschritt. Anschließend erfolgt die Isolierung der die Vias rückseitig umgebenen Rücksei- tenkontaktberiech von der Rückseitenmetallisierung, wobei insbesondere eine elektrische Trennung durch Lasern erfolgt. Sodann wird entlang der Öffnungen, also insbesondere streifenförmig die zuvor als elektrisch isolierende zweite Schicht bezeichnete Isolation aufgetragen, die sich dann, wenn die Durchgangsöffnungen eine Emitterschicht nicht aufweisen, sich durch die Durchgangsöffnungen hindurch erstreckt, um die erforderliche elektrische Isolierung gegenüber dem Substrat sicherzustellen. Sodann erfolgt ultraschallunterstützt das Auftragen von Lotmaterial entlang der streifenförmigen elektrisch isolierenden zweiten Schicht, und zwar ultraschallunterstützt, wobei gleichzeitig das Lotmaterial ultraschallunterstützt die Durchgangsöffnungen bis hin zum Frontkontakt durchsetzt.