EP3472869A1 - Verfahren zur verschaltung von solarzellen - Google Patents

Verfahren zur verschaltung von solarzellen

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EP3472869A1
EP3472869A1 EP17730486.2A EP17730486A EP3472869A1 EP 3472869 A1 EP3472869 A1 EP 3472869A1 EP 17730486 A EP17730486 A EP 17730486A EP 3472869 A1 EP3472869 A1 EP 3472869A1
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EP
European Patent Office
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back contact
zinc
aluminum back
solar cell
metallic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17730486.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henning Nagel
Jonas Bartsch
Mathias Kamp
Markus Glatthaar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3472869A1 publication Critical patent/EP3472869A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • Solar cells typically include a semiconductor device comprising a first semiconductor material, a second semiconductor material, and a transition region (e.g., also referred to as a pn junction) between these two semiconductor materials.
  • a semiconductor device comprising a first semiconductor material, a second semiconductor material, and a transition region (e.g., also referred to as a pn junction) between these two semiconductor materials.
  • a transition region e.g., also referred to as a pn junction
  • Semiconductor materials may be doped. Via a first metal contact, which is electrically connected to the first semiconductor material, and a second metal contact, which is electrically connected to the second semiconductor material, the generated voltage can be tapped.
  • One of the metal contacts may be mounted on the front or front side of the solar cell (often referred to as a front contact), while the other metal contact is located on the back of the unit cell (often referred to as the back contact).
  • solar cells are also known in which the metal contacts are present exclusively on the back of the solar cell, e.g. in the form of a comb-like interdigital structure. In such exclusively
  • Aluminum is a metal which is very well suited for the backside metallization of solar cells, in particular of crystalline Si solar cells. It is characterized by a high electrical conductivity, a low price and a large one Light reflection off. For these reasons, most industrially manufactured silicon solar cells have an electrical back contact made of aluminum, which is frequently applied by screen printing. It is sintered at temperatures above 800 ° C to allow good cohesion of the aluminum particle matrix
  • BSF back-surface field
  • the electrical quality of the aluminum-doped BSF is insufficient for high-efficiency solar cells.
  • Boron-doped BSFs achieve lower saturation current densities for /? -Type solar cells. For «-type solar cells even a // - doping is necessary.
  • contact with screen-printed aluminum would lead to severe damage to the BSF or even to overcompensation due to the unavoidable alloy formation.
  • Another disadvantage of screen-printed aluminum is that the high sintering temperatures do not allow optimum surface passivation of the dielectric, which also achieves the achievement of
  • Al rear-side contacts are applied to today's high-efficiency solar cells by means of physical vapor deposition (PVD). They have the additional advantage of better light reflection compared to screen-printed AI, because they are compact layers.
  • PVD physical vapor deposition
  • Connector can not be conventionally soldered to the aluminum due to a very fast on the aluminum forming AI2O3- layer.
  • solderable metals are applied by means of thermal evaporation or sputtering.
  • the coating systems TiN / Ti / Ag, NiV / Ag and NiSi / Ag have shown high connector adhesion forces. This describe J. Kumm et al, "Development of temperature-stable, solderable PVD rear metaüization for industrial silicone solar cells," Proceedings of the 28 th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2013; Jung et al., "Al / Ni: V / Ag metal stacks as rear side metallization for cryogenic silicon solar cells", Progress in Photovoltaics, p. 876, 2012, and V. Jung et al., "Ni: Si as barrier material for solderable PVD
  • An object of the present invention is the interconnection of solar cells via a method with which solar cell connectors can be fastened on the metal contacts of the solar cells as simply and efficiently as possible. Another object is to provide interconnected solar cells having high adhesion between metal contact of the solar cell and solar cell connectors.
  • zinc-coated aluminum a very represents an effective substrate for attachment of the metallic connector (such as a copper ribbon). It can be realized high adhesion of the connector on the metallic contact of the solar cell.
  • the application of further metallic layers (eg by electroplating) on the galvanized aluminum before soldering the connector is eliminated. Rather, the Zn-coated aluminum is already a suitable substrate for soldering or gluing the connector.
  • a solar cell is known to contain a
  • Semiconductor device comprising a first semiconductor material, a second
  • semiconductor material and a lying between these two semiconductor materials transition region for example, also referred to as pn junction.
  • One of the semiconductor materials or even each of the semiconductor materials may be doped.
  • the solar cell is preferably a silicon solar cell, such as a monocrystalline silicon solar cell, a polycrystalline silicon solar cell or an amorphous silicon solar cell.
  • the method according to the invention is also suitable for the interconnection of other solar cells, e.g. III-V semiconductor solar cells, II-VI semiconductor solar cells, I-III-VI semiconductor solar cells or organic solar cells.
  • the interconnection of solar cells are contacted with each other via a metallic connector.
  • the metallic connector is in each case attached to one of the metal contacts of the adjacent solar cells.
  • the interconnection can be a Series connection or a parallel circuit act. A combination of series and parallel connection of the solar cells is possible.
  • the physical vapor deposition of the metallic aluminum or aluminum alloy is carried out by an evaporation method (e.g., thermal evaporation, electron beam evaporation)
  • an evaporation method e.g., thermal evaporation, electron beam evaporation
  • Ion plating or ICB (ionized cluster-beam) deposition By thermal treatment of a target made of aluminum or aluminum
  • the target material evaporates and separates on the
  • the semiconductor device is positioned to deposit the aluminum or aluminum alloy on the backside thereof.
  • the back side of the semiconductor device is the side which in use opposes the solar cell to the irradiated side (i.e., the front side), which is the side facing away from the light.
  • the present on the back of a solar cell metal contact is also referred to as back contact.
  • the person skilled in the art is fundamentally aware of how the semiconductor component is must be configured (ie type of semiconductor materials to be used, doping, etc.).
  • Front contact can be configured in a known manner.
  • the front contact may have a grid structure.
  • the front contact may be made of silver or a silver alloy, for example.
  • the front contact can already be on the
  • step (a) the aluminum back contact is attached.
  • the front contact may be applied to the semiconductor device simultaneously with the aluminum back contact or after attaching the aluminum back contact.
  • the solar cell it is alternatively also possible for the solar cell to be exclusively back contacted, ie only on the rear side of the solar cell
  • Semiconductor component metallic contacts are present. This can be realized, for example, by subjecting the aluminum or the aluminum alloy to an etching treatment after the deposition, so as to separate two
  • Aluminum back contacts e.g., in the form of a comb-like interdigital structure.
  • the purity of the deposited metallic aluminum can vary over a wide range, provided that the electrical conductivity and / or mechanical properties are not adversely affected. For example, this contains
  • Aluminum further metallic elements in a total proportion of less than 1% by weight, more preferably less than 0.1% by weight or less than 0.01% by weight. If an aluminum alloy is used as the metallic back contact for the solar cell, then this preferably has a proportion of aluminum of at least 80% by weight, more preferably at least 90% by weight. Suitable metallic elements that can be alloyed with the aluminum are known to those skilled in the art.
  • the thickness of the aluminum back contact fabricated in step (a) can be varied over a wide range.
  • the aluminum back contact has a thickness in the range of 0.3 ⁇ to 7 ⁇ , more preferably in the range of 2 ⁇ to 4.5 ⁇ .
  • the aluminum back contact before the zinc deposition step (b) may optionally be subjected to a suitable pretreatment (such as removal of possible organic oxides)
  • step (b) may be performed immediately after step (a).
  • step (b) of the process of the present invention the aluminum back contact is treated with an alkaline, aqueous medium containing Zn 2+ (ie, zinc in the +11 oxidation state) in dissolved form, so as to react on the aluminum -Back contact deposits metallic zinc to form a Zn-coated aluminum back contact.
  • Zn 2+ ie, zinc in the +11 oxidation state
  • the aqueous medium to which the aluminum back contact is treated has a relatively high concentration of Zn 2+ .
  • the Zn 2+ concentration in the alkaline aqueous medium is at least 1.5% by weight, more preferably at least 2.0% by weight, even more preferably at least 3.0% or even at least 4.0% by weight.
  • the aqueous medium contains Zn 2+ in a concentration of 1.5% by weight to 12.0% by weight, more preferably 2.0% by weight to 10.0% by weight, more preferably 3.0% by weight to 8, 0 wt% or 4.0 wt% to 8.0 wt%.
  • Zn 2+ is in dissolved form, for example, by dissolving a Zn 2+ compound in relatively alkaline conditions (ie, relatively high pH) in the aqueous medium.
  • Zn 2+ may be present under alkaline conditions, for example, as a zincate (eg, [Zn (II) (OH) 4] 2 " or similar Zn 2+ -containing species) in the aqueous medium.
  • a suitable pH of the alkaline, aqueous medium is, for example,> 10, more preferably> 13.
  • the alkaline aqueous medium may contain further transition metal cations, preferably iron cations, nickel cations or copper cations or a combination of at least two of these cations.
  • the alkaline aqueous medium still contains Fe cations in a concentration of at least 0.0003% by weight, more preferably at least 0.001% by weight, e.g. in the range of 0.0003-30% by weight or 0.0003-0.1% by weight.
  • the alkaline, aqueous medium contains nickel cations, these may be present, for example, in a concentration of 0.1-5% by weight, more preferably 0.5-3% by weight.
  • the alkaline, aqueous medium contains copper cations, these may be present, for example, in a concentration of 0.01-1% by weight, more preferably 0.05-0.5% by weight.
  • the deposition of the metallic zinc from the Zn 2+ -containing aqueous medium to the aluminum back contact takes place without current.
  • electroless metal deposition is understood to be a coating process that runs without the use of an external power source.
  • Electroless deposition of metallic zinc onto an aluminum substrate using an alkaline Zn 2+ solution is known per se to the person skilled in the art (for example as a zincate method). In this process, first on the
  • the deposited on the aluminum back contact Zn layer has a thickness in the range of 0.1 ⁇ to 5 ⁇ , more preferably 0.3 ⁇ to 2.5 ⁇ on.
  • the thickness of the aluminum back contact during the Zn deposition step (b) is reduced by a value approximately equal to the thickness of the deposited metallic Zn layer.
  • the duration of the treatment of the aluminum back contact with the alkaline, aqueous Zn 2+ -containing medium in step (b) is, for example, 15 seconds to 250 seconds.
  • the zinc deposition step (b) is preferably carried out at a temperature in the range of 5-60 ° C, more preferably 5-45 ° C.
  • the back side of the semiconductor device is held in a substantially horizontal position during the zinc deposition step (b), with the aluminum back contact facing down and being contacted with the Zn 2+ -containing aqueous medium.
  • substantially horizontal means a maximum deviation of 20%, more preferably a maximum of 10% from an ideal horizontal position.
  • the alkaline, aqueous Zn 2+ -containing medium and the downwardly facing aluminum back contact of the horizontally positioned semiconductor component can be brought into contact via conventional methods such as dipping, rinsing or spraying.
  • the Zn 2+ is - containing medium in an open-topped container and the semiconductor device is moved over these containers (for example by the semiconductor device is mounted on rollers) and the Zn 2+ -containing medium through nozzles against the
  • the semiconductor component mounted on rollers is guided over the Zn 2+ -containing medium, wherein the rollers at least partially immerse themselves in the Zn 2+ -containing medium and by their rotation bring the aqueous medium into contact with the aluminum back contact act ,
  • This horizontal positioning of the semiconductor device with downwardly facing aluminum back contact during step (b) has a positive
  • the semiconductor component Influences the microstructure of the metallic zinc layer deposited on the aluminum back contact and further improves the adhesion between the aluminum back contact and the solar cell connector mounted thereon.
  • the semiconductor component it is also possible for the semiconductor component to be positioned substantially vertically during step (b). In principle, however, every other is
  • step (b) Positioning (e.g., in oblique orientation) of the semiconductor device in step (b) possible.
  • the aluminum back contact is moved relative to the Zn 2+ -containing medium during the zinc deposition step (b).
  • the relative speed between the aluminum back contact and the aqueous Zn 2+ -containing medium is preferably at least 0.1 m / min, more preferably at least 0.2 m / min.
  • This relative movement can be realized, for example, by moving the aluminum back contact over a quiescent Zn 2+ -containing medium or by flowing a flowing Zn 2+ -containing medium via a resting aluminum back contact or by a combination of these two variants.
  • the flow velocity of the Zn 2+ -containing medium (and thus the relative velocity to the (moving or stationary)
  • Aluminum back contact can be adjusted eg via the pump output.
  • a further improvement of the adhesion force between the aluminum back contact and the solar cell connector mounted thereon can be achieved.
  • step (b) zinc crystallites with a diameter of more than 5.0 ⁇ in a number density of> 800 per mm 2 , more preferably> 1000 per mm 2 , more preferably 1000-4000 per mm 2 are present; and / or wherein at least 1.5%, more preferably at least 2.0%, more preferably 2.0-8.0% of the surface of the closed zinc layer is occupied by zinc crystallites with a diameter of more than 5.0 ⁇ .
  • the metallic zinc layer preferably contains significantly smaller zinc crystallites with a
  • the zinc crystallites with a diameter of more than 5.0 ⁇ and the zinc crystallites with a diameter of less than 1.0 ⁇ jointly occupy at least 90%>, more preferably at least 95%> of the surface of the closed zinc layer.
  • the particle size distribution of the zinc crystallites on the surface of the closed zinc layer may be, for example, bimodal. Such a closed metallic zinc layer with a relatively high
  • step (b) On the basis of the process parameters of step (b) described above, such a metallic zinc layer can be produced selectively.
  • step (b) Preferably, during the zinc deposition in step (b), only the aluminum back contact is contacted with the Zn 2+ -containing medium. This will avoided that other areas of the solar cell are chemically attacked by the aqueous medium.
  • the Zn-coated aluminum back contact obtained in step (b) is rinsed at least once with a rinsing liquid before step (c).
  • a rinsing liquid with pH> 8.5, more preferably pH> 13, is preferably used.
  • the Zn-coated aluminum back contact is subjected to drying prior to step (c), for example by suitable thermal treatment.
  • step (b) may be repeated at least once before step (c) is performed. However, considering the process efficiency, it is preferable to perform step (b) only once.
  • step (c) the attachment of the metallic connector on the Zn-coated aluminum back contact takes place, in particular by soldering. Therefore, in an optional
  • step (c) a solder material are applied to the deposited in step (b) metallic Zn layer.
  • the brazing material is preferably applied to the Zn layer at least in those areas in which the metallic connector is to be fastened. Suitable solder materials are known in the art and will be described in more detail below.
  • step (c) of the method according to the invention the Zn-coated aluminum back contact is connected by a metallic connector to a metal contact of a second solar cell, wherein the metallic connector is attached to the Zn-coated aluminum back contact of the first solar cell by soldering or gluing.
  • Metallic connectors for interconnecting solar cells are well known to those skilled in the art. Suitable metallic connectors are commercially available or can be prepared by conventional methods.
  • the metallic connector is preferably ribbon or wire, but other forms are also possible in principle.
  • the metallic connector is band-shaped.
  • the metal connector may be coated with a solder material such as tin or a tin alloy. This eliminates the separate feeding of the solder material.
  • solder material suitable tin alloys are well known. These contain as alloying elements, for example, lead, silver and / or bismuth.
  • the solder material (preferably a tin alloy) preferably has one
  • the metallic connector is a copper tape, more preferably a tin or tin alloy coated copper tape.
  • Such "tin-plated” copper strips are commercially available.
  • the soldering is preferably carried out at a temperature of less than 450 ° C. This is commonly referred to as soft soldering. More preferably, the soldering temperature is in the range of 175 ° C to 400 ° C or 175 ° C to 300 ° C.
  • the soldering process uses conventional, preferably non-corrosive fluxes The flux can be applied to the metallic material coated with the solder material (eg the tinned copper strips) and / or to the zinc layer deposited in process step (b).
  • an electrically conductive adhesive is preferably used.
  • Such adhesives are known to those skilled in the art and commercially available.
  • the second solar cell which is connected to the first solar cell, is also a solar cell on which according to the above
  • the present invention relates to a solar cell string comprising at least two solar cells interconnected by a metallic connector, wherein at least one solar cell has a metallic zinc coated aluminum back contact and the metallic connector is directly soldered or bonded to this Zn coated aluminum back contact.
  • each of the solar cells has an aluminum back contact coated with metallic zinc, and each of these Zn-coated aluminum back contacts has a respective metal connector directly soldered or bonded thereto.
  • the solar cell string is obtainable by the method described above.
  • at least one of the solar cells interconnected in the solar cell string preferably has a Zn-coated aluminum back contact, which was produced by the method described above.
  • all solar cells connected in the solar cell string have a Zn-coated aluminum back contact produced in this way.
  • the Zn-coated aluminum back contact of the solar cell has one or more areas in which a closed layer of metallic zinc is present, wherein also on the surface of the closed zinc layer zinc crystallites with a diameter of more than 5.0 ⁇ in a Number density of> 800 per mm 2 , more preferably> 1000 per mm 2 , more preferably 1000-4000 per mm 2 ; and / or wherein at least 1.5%, more preferably at least 2.0%, more preferably 2.0-8.0%) of the surface of the closed zinc layer is occupied by zinc crystallites with a diameter of more than 5.0 ⁇ m.
  • the metallic zinc layer preferably contains significantly smaller zinc crystallites with a
  • Diameter of less than 1.0 ⁇ wherein preferably the majority of the surface (eg more than 50%> or even more than 60%>) of the closed zinc layer occupied by these smaller zinc crystallites with a diameter of less than 1.0 ⁇ is.
  • the zinc crystallites with a diameter of more than 5.0 ⁇ and the zinc crystallites with a diameter of less than 1.0 ⁇ jointly occupy at least 90%>, more preferably at least 95%> of the surface of the closed zinc layer.
  • the particle size distribution of the zinc crystallites on the surface of the closed zinc layer may be, for example, bimodal.
  • Crystallite diameter, number density of Zn crystallites with a diameter of more than 5.0 ⁇ or less than 1.0 ⁇ on the surface of the Zn layer and the respective relative surface coverage by these Zn crystallites are about Scanning electron micrographs (SEM images) of the Zn layer (in plan view) and the evaluation of the images by suitable
  • the diameter of a crystallite is the diameter of a circle that corresponds in its area to the projection surface of the crystallite in the SEM image.
  • Zinc-coated aluminum back contact having such a structure, ie a closed layer of metallic zinc, wherein zinc crystallites with a diameter of more than 5 ⁇ in a number density of> 800 per mm 2 , more preferably> 1000 per mm 2 , more preferably 1000-4000 per mm 2 are present on the surface of the zinc layer; and / or wherein at least 1.5%, more preferably at least 2.0%, more preferably 2.0-8.0%) of the surface of the zinc layer is occupied by zinc crystallites having a diameter of more than 5 ⁇ m.
  • these high density, large area zinc crystallite areas may be where no metal connector has been attached.
  • the semiconductor device of a solar cell On the back of a 180 ⁇ thick, / ⁇ - doped silicon wafer (hereinafter called the semiconductor device of a solar cell) 3 ⁇ aluminum with a purity of> 95% over a large area thermally evaporated. Thus, an aluminum back contact is obtained. Between aluminum layer and solar cell is a dielectric layer stack of Al2O3 and Si x N y . This has been locally opened at several points by means of laser to produce the electrical contact of the deposited aluminum to the silicon of the semiconductor device. On the
  • Front side of the semiconductor device of the solar cell is a thermally phosphorus diffused n + -doped emitter.
  • On the emitter is a thin Si x N y antireflective layer and a screen-printed, silver-containing Metallgrid, which acts as a front contact of the semiconductor device.
  • the aluminum back contact is treated with an aqueous solution containing 4
  • Weight percent zinc ions 15 weight percent NaOH and 0.001 weight percent iron ions at room temperature for 90 s. This is the
  • FIG. 1 shows a SEM image of the surface of the Zn-coated aluminum back contact.
  • the photograph shows a closed metallic zinc layer which has a relatively high proportion of large Zn crystallites with a diameter of at least 5 ⁇ m.
  • Zinc crystallites with a diameter of more than 5 ⁇ m are present in a number density of 1736 per mm 2 .
  • 3.5% of the surface of the metallic zinc layer are coated with Zn crystallites with a diameter of at least 5 ⁇ .
  • a tinned copper tape with a copper thickness of 130 ⁇ ⁇ a double-sided Sn / Pb / Ag support of 15 ⁇ was soldered at 245 ° C for 5 s by means of a resistance-heated contact solder on the zinc-coated aluminum back contact.
  • the tinned copper strips were previously with a no-clean flux from Kester with the
  • the protruding end of the connector is soldered in a subsequent soldering in a known manner to the front of another solar cell. This gives a solar cell string in which the solar cells are connected in series.
  • Solar cell strings are laminated with glass, ethylene vinyl acetate and polymer backsheet into a module.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschaltung von Solarzellen, wobei (a) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung über eine physikalische Gasphasenabscheidung auf der Rückseiteeines Halbleiterbauelementseiner ersten Solarzelle unter Ausbildung eines Aluminium-Rückkontakts abgeschieden wird, (b) der Aluminium-Rückkontakt mit einem alkalischen, wässrigen Medium, das Zn2+ enthält, behandelt wird, so dass sich auf dem Aluminium-Rückkontakt metallisches Zink unter Ausbildungeines Zink-beschichteten Aluminium- Rückkontakts abscheidet, (c) der Zink-beschichtete Aluminium-Rückkontakt durch einen metallischen Verbinder mit einem Metallkontakt einer zweiten Solarzelle verbunden wird, wobei der metallische Verbinder auf dem Zink-beschichteten Aluminium- Rückkontakt durch Löten oder Kleben befestigt wird.

Description

Verfahren zur Verschaltung von Solarzellen
Solarzellen enthalten üblicherweise ein Halbleiterbauelement, das ein erstes Halbleitermaterial, ein zweites Halbleitermaterial und einen zwischen diesen beiden Halbleitermaterialien liegenden Übergangsbereich (z.B. auch als pn-Übergang bezeichnet) umfasst. Eines der Halbleitermaterialien oder auch jedes der
Halbleitermaterialien kann dotiert sein. Über einen ersten Metallkontakt, der mit dem ersten Halbleitermaterial elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Metallkontakt, der mit dem zweiten Halbleitermaterial elektrisch verbunden ist, kann die erzeugte Spannung abgegriffen werden. Einer der Metallkontakte kann auf der Vorder- bzw. Frontseite der Solarzelle angebracht sein (häufig auch als Frontkontakt bezeichnet), während sich der andere Metallkontakt auf der Rückseite der Elementarzelle befindet (häufig auch als Rückkontakt bezeichnet). Alternativ sind auch Solarzellen bekannt, bei denen die Metallkontakte ausschließlich auf der Rückseite der Solarzelle vorliegen, z.B. in Form einer kammartigen Interdigitalstruktur. In solchen ausschließlich
rückkontaktieren Solarzellen können Abschattungseffekte minimiert werden.
Aluminium ist ein für die Rückseitenmetallisierung von Solarzellen, insbesondere von kristallinen Si-Solarzellen sehr gut geeignetes Metall. Es zeichnet sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit, einen niedrigen Preis und eine große Lichtreflexion aus. Die meisten industriell hergestellten Silizium-Solarzellen besitzen aus diesen Gründen einen elektrischen Rückkontakt aus Aluminium, der häufig mittels Siebdruck aufgebracht wird. Er wird bei Temperaturen über 800°C gesintert, um eine gute Kohäsion der Matrix aus Aluminiumpartikeln zu
gewährleisten. Gleichzeitig legiert das Aluminium mit dem Siliziumwafer und wird oberflächennah in relativ großer Konzentration in ihm gelöst, wodurch sich ein für p- Typ Solarzellen geeignetes, / -dotiertes Back-Surface-Field (BSF) bildet. Die elektrische Qualität des aluminiumdotierten BSFs reicht jedoch für Hocheffizienz- Solarzellen nicht aus. Bordotierte BSFs erzielen für /?-Typ Solarzellen geringere Sättigungsstromdichten. Für «-Typ Solarzellen ist gar eine //-Dotierung nötig. In beiden Fällen würde die Kontaktierung mit Siebdruck- Aluminium wegen der unvermeidbaren Legierungsbildung zu einer starken Schädigung des BSFs bzw. sogar zu einer Überkompensation führen. Ein weiterer Nachteil von Siebdruck- Aluminium ist, dass die hohen Sintertemperaturen keine optimale dielektrische Oberflächenpassivierung erlauben, welches ebenfalls die Erzielung von
Spitzenwirkungsgraden verhindert. Deswegen werden auf heutigen Hocheffizienz- Solarzellen Al-Rückseitenkontakte mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD) aufgebracht. Sie haben den zusätzlichen Vorteil einer besseren Lichtreflexion im Vergleich zum Siebdruck- AI, weil es sich um kompakte Schichten handelt.
Die elektrische Serienschaltung der Solarzellen mit PVD-Al-Rückkontakt zu Solarzellstrings, wie sie zur Herstellung von Solarmodulen nötig ist, ist jedoch eine Herausforderung, weil die elektrisch leitfähigen Zellverbinderbändchen (kurz:
Verbinder) wegen einer sich sehr schnell auf dem Aluminium bildenden AI2O3- Schicht nicht konventionell auf das Aluminium gelötet werden können.
Mehrere Lösungen sind für dieses technische Problem bekannt. Bei einem Verfahren werden zunächst Leitbahnen, so genannte Busbars, aus Zinn durch eine Ultraschall- Sonotrode auf das Aluminium aufgebracht. Anschließend können Cu- Verbinder auf die Zinn-Busbars weichgelötet werden. Dies beschreiben beispielsweise H. v. Campe et al, Proceedings of the 27th European Photo voltaic Solar Energy Conference, S. 1150, 2012, sowie P. Schmitt et al., "Adhesion of AI metaüization in ultrasonic soldering on the AI rear side of solar cells", Energy Procedia, 2013. Die
technologischen Herausforderungen sind der anlagentechnische Aufwand für das Aufbringen der Zinn-Busbars und die potentiell erhöhte Bruchrate durch den Einfluss des Ultraschalls (so genannter Vibrationsschock), was sich bei dünnen Solarzellen bemerkbar machen kann.
In einem anderen Verfahren werden direkt nach dem Abscheiden des Aluminiums in derselben Anlage ohne Brechen des Vakuums lötbare Metalle mittels thermischem Verdampfen oder Sputtern aufgebracht. Die Schichtsysteme TiN/Ti/Ag-, NiV/Ag- und NiSi/Ag haben hohe Verbinder-Haftkräfte gezeigt. Dies beschreiben J. Kumm et al, "Development of temperature-stable, solderable PVD rear metaüization for industrial Silicon solar cells", Proceedings of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2013; V. Jung et al, "Al/Ni:V/Ag metal Stacks as rear side metallization for cry stalline Silicon solar cells", Progress in Photovoltaics, S. 876, 2012, sowie V. Jung et al., "Ni:Si as barrier material for solderable PVD
metallization of Silicon solar cells", Energy Procedia, S. 362, 2013
Daneben gibt es weitere Fügetechniken für Aluminium, z. B. Schweißen oder Hartlöten. Für die Solarzellen- Verbindungstechnik sind sie aufgrund der
verwendeten hohen Temperaturen > 450°C und der damit verbundenen Degradation der dielektrischen Passivierschichten in der Regel ungeeignet.
Bei einem weiteren Lösungsansatz wird auf Solarzellen eine Zinkschicht als
Startschicht für die elektrochemische Abscheidung von Nickel und Kupfer verwendet. Dies wird von Kamp et. al., "Zincate processes for Silicon solar cell metallization", Solar Energy Materials & Solar Cells, 120, S. 332, 2014 beschrieben. Zink wird dabei in einem Zinkatbeizprozess auf dem Aluminium-Rückkontakt abgeschieden, wobei zunächst das native Oxid der Aluminiumoberfläche entfernt und dann eine Austauschreaktion von Zink und Aluminium induziert wird, so dass eine dünne Zinkschicht auf dem Aluminium entsteht. Darauf werden mittels galvanischer Abscheidung Ni/Cu-Metallschichtstapel abgeschieden, auf die anschließend Kupferbändchen gelötet werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verschaltung von Solarzellen über ein Verfahren, mit dem sich möglichst einfach und effizient Solarzellen- Verbinder auf den Metallkontakten der Solarzellen befestigen lassen. Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung von verschalteten Solarzellen, die eine hohe Haftkraft zwischen Metallkontakt der Solarzelle und Solarzellen- Verbinder aufweisen.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Verschaltung von Solarzellen, wobei
(a) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung über eine physikalische
Gasphasenabscheidung auf der Rückseite eines Halbleiterbauelements einer ersten Solarzelle unter Ausbildung eines Aluminium-Rückkontakts abgeschieden wird,
(b) der Aluminium-Rückkontakt mit einem alkalischen, wässrigen Medium, das Zn2+ enthält, behandelt wird, so dass sich auf dem Aluminium-Rückkontakt metallisches Zink unter Ausbildung eines Zink-beschichteten Aluminium- Rückkontakts abscheidet,
(c) der Zink-beschichtete Aluminium-Rückkontakt durch einen metallischen Verbinder mit einem Metallkontakt einer zweiten Solarzelle verbunden wird, wobei der metallische Verbinder auf dem Zink-beschichteten Aluminium- Rückkontakt durch Löten oder Kleben befestigt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass das über ein
nasschemisches Verfahren erhaltene Zink-beschichtete Aluminium ein sehr effektives Substrat für die Befestigung des metallischen Verbinders (wie z.B. eines Kupferbändchens) darstellt. Es lassen sich hohe Haftfestigkeiten des Verbinders auf dem metallischen Kontakt der Solarzelle realisieren. Das Aufbringen weiterer metallischer Schichten (z.B. durch Galvanisieren) auf dem verzinkten Aluminium vor dem Anlöten des Verbinders entfällt. Vielmehr stellt bereits das Zn-beschichtete Aluminium ein geeignetes Substrat für das Verlöten oder Aufkleben des Verbinders dar.
Wie bereits oben erwähnt, enthält eine Solarzelle bekanntermaßen ein
Halbleiterbauelement, das ein erstes Halbleitermaterial, ein zweites
Halbleitermaterial und einen zwischen diesen beiden Halbleitermaterialien liegenden Übergangsbereich (z.B. auch als pn-Übergang bezeichnet) umfasst. Eines der Halbleitermaterialien oder auch jedes der Halbleitermaterialien kann dotiert sein. Über einen ersten Metallkontakt, der mit dem ersten Halbleitermaterial elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Metallkontakt, der mit dem zweiten
Halbleitermaterial elektrisch verbunden ist, kann die erzeugte Spannung abgegriffen werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung stellt der Zn-beschichtete
Aluminium-Rückkontakt einen dieser Metallkontakte dar. Bei der Solarzelle handelt es sich bevorzugt um eine Silizium-Solarzelle, beispielsweise eine monokristalline Silizium-Solarzelle, eine polykristalline Silizium-Solarzelle oder eine amorphe-Silizium-Solarzelle. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch für die Verschaltung anderer Solarzellen geeignet, z.B. von III-V-Halbleiter-Solarzellen, II-VI-Halbleiter-Solarzellen, I-III-VI-Halbleiter- Solarzellen oder organischen Solarzellen.
Wie dem Fachmann allgemein bekannt ist, werden bei der Verschaltung von Solarzellen diese über einen metallischen Verbinder miteinander kontaktiert. Der metallische Verbinder wird dabei jeweils auf einem der Metallkontakte der benachbarten Solarzellen befestigt. Bei der Verschaltung kann es sich um eine Reihenschaltung oder auch eine Parallelschaltung handeln. Auch eine Kombination von Reihen- und Parallelschaltung der Solarzellen ist möglich.
Wie oben ausgeführt, wird in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens
Aluminium oder eine Aluminiumlegierung über eine physikalische
Gasphasenabscheidung auf der Rückseite eines Halbleiterbauelements einer ersten Solarzelle unter Ausbildung eines Aluminium-Rückkontakts abgeschieden.
Geeignete Methoden für die physikalische Gasphasenabscheidung von metallischem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung sind dem Fachmann bekannt.
Beispielsweise erfolgt die physikalische Gasphasenabscheidung des metallischen Aluminiums oder der Aluminiumlegierung über ein Verdampfungsverfahren (z.B. ein thermisches Verdampfen, ein Elektronenstrahlverdampfen, ein
Laserstrahlverdampfen, ein Lichtbogenverdampfen oder Molekularstrahlepitaxie), ein Sputtern (auch als Kathodenzerstäubungsverfahren bezeichnet), ein
Ionenplattieren oder eine ICB-Abscheidung („Ionized-Cluster-Beam"-Abscheidung). Durch thermische Behandlung eines Targets aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung oder Beschuss dieses Targets z.B. mit Ionen, Elektronen oder Laserstrahlung wird das Targetmaterial verdampft und scheidet sich auf dem
Halbleiterbauelement der Solarzelle ab. Das Halbleiterbauelement wird so positioniert, dass die Abscheidung des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung auf dessen Rückseite erfolgt. In Übereinstimmung mit dem üblichen Verständnis des Fachmanns ist die Rückseite der Halbleiterbauelements diejenige Seite, die im Betrieb der Solarzelle der bestrahlten Seite (d.h. der Vorderseite) gegenüberliegt, die also die dem Licht abgewandte Seite darstellt. Der auf der Rückseite einer Solarzelle vorliegende Metallkontakt wird auch als Rückkontakt bezeichnet.
In Abhängigkeit von der Art der Solarzelle (z.B. kristalline oder amorphe Silizium- Solarzelle) ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt, wie das Halbleiterbauelement ausgestaltet sein muss (d.h. Art der zu verwendenden Halbleitermaterialien, Dotierung, etc.).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass das
Halbleiterbauelement der Solarzelle neben dem Aluminium-Rückkontakt noch einen metallischen Frontkontakt auf seiner Vorderseite aufweist. Dieser Frontkontakt kann in bekannter Weise ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der Frontkontakt eine Gitterstruktur aufweisen. Der Frontkontakt kann beispielsweise aus Silber oder einer Silberlegierung gefertigt sein. Der Frontkontakt kann bereits auf dem
Halbleiterbauelement vorliegen, wenn in Schritt (a) der Aluminium-Rückkontakt angebracht wird. Alternativ kann der Frontkontakt gleichzeitig mit dem Aluminium- Rückkontakt oder auch nach dem Anbringen des Aluminium-Rückkontakts auf das Halbleiterbauelement aufgebracht werden. Um Beschattungseffekte zu minimieren, ist es alternativ auch möglich, dass die Solarzelle ausschließlich rückkontaktiert ist, also nur auf der Rückseite des
Halbleiterbauelements metallische Kontakte vorliegen. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem das Aluminium oder die Aluminiumlegierung nach der Abscheidung einer Ätzbehandlung unterzogen wird, um so zwei separate
Aluminium- Rückkontakte (z.B. in Form einer kammartigen Interdigitalstruktur) zu erhalten.
Die Reinheit des abgeschiedenen metallischen Aluminiums kann über einen breiten Bereich variieren, sofern die elektrische Leitfähigkeit und/oder mechanischen Eigenschaften nicht nachteilig beeinflusst werden. Beispielsweise enthält das
Aluminium weitere metallische Elemente in einem Gesamtanteil von weniger als 1 Gew%, bevorzugter weniger als 0,1 Gew% oder weniger als 0,01 Gew%. Wird eine Aluminiumlegierung als metallischer Rückkontakt für die Solarzelle verwendet, so weist diese bevorzugt einen Anteil von Aluminium von mindestens 80 Gew%, bevorzugter mindestens 90 Gew% auf. Geeignete metallische Elemente, die mit dem Aluminium legiert werden können, sind dem Fachmann bekannt.
Die Dicke des in Schritt (a) hergestellten Aluminium-Rückkontakts kann über einen breiten Bereich variiert werden. Beispielsweise weist der Aluminium-Rückkontakt eine Dicke im Bereich von 0,3 μιη bis 7 μιη, bevorzugter im Bereich von 2 μιη bis 4,5 μιη auf.
Nach der Abscheidung des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung kann der Aluminium-Rückkontakt vor dem Zinkabscheidungsschritt (b) optional noch einer geeigneten Vorbehandlung (wie z.B. Entfernen möglicher organischer
Verunreinigungen auf der Oberfläche) unterzogen werden. Für eine ausreichend gute Haftung des in Schritt (b) abgeschiedenen metallischen Zinns auf der Oberfläche des Aluminium-Rückkontakts ist dies jedoch nicht erforderlich. Somit kann Schritt (b) unmittelbar nach Schritt (a) durchgeführt werden.
Wie oben ausgeführt, wird in Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens der Aluminium-Rückkontakt mit einem alkalischen, wässrigen Medium, das Zn2+ (d.h. Zink in der Oxidationsstufe +11) in gelöster Form enthält, behandelt, so dass sich auf dem Aluminium-Rückkontakt metallisches Zink unter Ausbildung eines Zn- beschichteten Aluminium-Rückkontakts abscheidet.
Bevorzugt weist das wässrige Medium, mit dem der Aluminium-Rückkontakt behandelt wird, eine relativ hohe Konzentration an Zn2+ auf. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Zn2+-Konzentration in dem alkalischen, wässrigen Medium mindestens 1,5 Gew%, bevorzugter mindestens 2,0 Gew%, noch bevorzugter mindestens 3,0 Gew% oder sogar mindestens 4,0 Gew%. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das wässrige Medium Zn2+ in einer Konzentration von 1,5 Gew% bis 12,0 Gew%, bevorzugter 2,0 Gew% bis 10,0 Gew%, noch bevorzugter 3,0 Gew% bis 8,0 Gew% oder 4,0 Gew% bis 8,0 Gew%. Zn2+ liegt in gelöster Form vor, beispielsweise indem eine Zn2+- Verbindung unter relativ alkalischen Bedingungen (d.h. relativ hohem pH- Wert) in dem wässrigen Medium gelöst wird. Zn2+ kann unter alkalischen Bedingungen beispielsweise als Zinkat (z.B. [Zn(II)(OH)4]2" oder ähnliche Zn2+-enthaltende Spezies) in dem wässrigen Medium vorliegen. Dies ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
Ein geeigneter pH- Wert des alkalischen, wässrigen Mediums ist beispielsweise > 10, bevorzugter > 13.
Optional kann das alkalische wässrige Medium noch weitere Übergangsmetall- Kationen, bevorzugt Eisen-Kationen, Nickel- Kationen oder Kupfer-Kationen oder eine Kombination aus mindestens zwei dieser Kationen, enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das alkalische, wässrige Medium noch Fe- Kationen in einer Konzentration von mindestens 0,0003 Gew%, bevorzugter mindestens 0,001 Gew%, z.B. im Bereich von 0,0003-30 Gew% oder 0,0003-0,1 Gew%. Sofern das alkalische, wässrige Medium Nickel- Kationen enthält, können diese beispielsweise in einer Konzentration von 0,1-5 Gew%, bevorzugter 0,5-3 Gew% vorliegen. Sofern das alkalische, wässrige Medium Kupfer-Kationen enthält, können diese beispielsweise in einer Konzentration von 0,01-1 Gew%, bevorzugter 0,05-0,5 Gew% vorliegen.
Bevorzugt erfolgt die Abscheidung des metallischen Zinks aus dem Zn2+-haltigen wässrigen Mediums auf den Aluminium-Rückkontakt stromlos. Unter einer stromlosen Metallabscheidung versteht man ein Beschichtungs verfahren, das ohne Anwendung einer äußeren Stromquelle abläuft. Eine stromlose Abscheidung von metallischem Zink auf ein Aluminium-Substrat unter Verwendung einer alkalischen Zn2+-Lösung ist dem Fachmann an sich bekannt (z.B. als Zinkat- Verfahren). Bei diesem Prozess wird zunächst eine auf dem
Aluminium vorhandene Al203-Schicht gelöst. Freigelegtes Aluminium wird oxidiert und geht als Aluminat in Lösung. Zn2+ (z.B. in Form von Zinkat) wird zu
metallischen Zn reduziert, welches sich auf dem noch vorhandenen Aluminium abscheidet.
Eine zu dünne Zinkschicht kann eine schlechte Haftung aufgelöteter oder aufgeklebter Verbinder zur Folge haben. Außerdem kann für zu dünne Zinkschichten ein hoher Kontaktübergangswiderstand zwischen Verbinder und Aluminium- Rückkontakt vorliegen. Andererseits könnten zu dicke Zinkschichten nicht genügend auf dem Aluminium-Rückkontakt haften. Bevorzugt weist die auf dem Aluminium- Rückkontakt abgeschiedene Zn-Schicht eine Dicke im Bereich von 0,1 μιη bis 5 μιη, bevorzugter 0,3 μιη bis 2,5 μιη auf.
Üblicherweise wird die Dicke des Aluminium-Rückkontakts während des Zn- Abscheidungsschritts (b) um einen Wert reduziert, der in etwa der Dicke der abgeschiedenen metallischen Zn-Schicht entspricht.
Die Dauer der Behandlung des Aluminium-Rückkontakts mit dem alkalischen, wässrigen Zn2+-enthaltenden Mediums in Schritt (b) beträgt beispielsweise 15 s bis 250 s. Der Zinkabscheidungsschritt (b) wird bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 5-60°C, bevorzugter 5-45°C durchgeführt.
Die Behandlung des Aluminium-Rückkontakts kann beispielsweise durch
Eintauchen in das Zn2+-haltige Medium oder durch Spülen oder Bespritzen mit dem Zn2+-haltigen Medium erfolgen. Hierzu kann das gesamte Halbleiterbauelement mit dem Zn2+-haltigen Medium in Kontakt gebracht werden (z.B. vollständiges
Eintauchen des gesamten Halb leiterbaue lements). Alternativ kann es bevorzugt sein, dass nur der Aluminium- Rückkontakt mit dem Zn2+-haltigen Medium in Kontakt gebracht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Rückseite des Halbleiterbauelements während des Zinkabscheidungsschritts (b) in einer im Wesentlichen horizontalen Position gehalten, wobei der Aluminium-Rückkontakt nach unten weist und mit dem Zn2+-haltigen wässrigen Medium in Kontakt gebracht wird. Im Wesentlichen horizontal bedeutet eine Abweichung von maximal 20%, bevorzugter maximal 10% von einer idealen horizontalen Lage. Das alkalische, wässrige Zn2+-haltige Medium und der nach unten weisende Aluminium-Rückkontakt des horizontal positionierten Halbleiterbauelements können über gängige Methoden, wie z.B. Tauchen, Spülen oder Spritzen in Kontakt gebracht werden. Beispielsweise befindet sich das Zn2+- enthaltende Medium in einem oben offenen Behälter und das Halbleiterbauelement wird über diesen Behälter bewegt (z.B. indem das Halbleiterbauelement auf Rollen gelagert ist) und das Zn2+-enthaltende Medium wird über Düsen gegen den
Aluminium-Rückkontakt gespritzt. In einer anderen Variante wird beispielsweise das auf Rollen gelagerte Halbleiterbauelement über das Zn2+-enthaltende Medium geführt, wobei die Rollen zumindest teilweise in das Zn2+-enthaltende Medium eintauchen und durch ihre Rotation das wässrige Medium mit dem Aluminium- Rückkontaktakt in Kontakt bringen.
Diese horizontale Positionierung des Halbleiterbauelements mit nach unten weisendem Aluminium-Rückkontakt während des Schritts (b) hat einen positiven
Einfluss auf die Mikrostruktur der auf dem Aluminium-Rückkontakt abgeschiedenen metallischen Zinkschicht und führt zu einer weiteren Verbesserung der Haftkraft zwischen dem Aluminium-Rückkontakt und dem darauf befestigten Solarzellen- Verbinder. Alternativ ist es auch möglich, dass das Halbleiterbauelement während Schritt (b) im Wesentlichen senkrecht positioniert ist. Prinzipiell ist aber auch jede andere
Positionierung (z.B. in schräger Ausrichtung) des Halbleiterbauelements in Schritt (b) möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Aluminium-Rückkontakt während des Zinkabscheidungsschritts (b) relativ zum Zn2+-haltigen Medium bewegt.
Bevorzugt beträgt die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Aluminium- Rückkontakt und dem wässrigen Zn2+-haltigen Medium mindestens 0,1 m/min, bevorzugter mindestens 0,2 m/min. Diese Relativbewegung kann z.B. realisiert werden, indem der Aluminium-Rückkontakt über ein ruhendes Zn2+-haltiges Medium bewegt wird oder indem ein strömendes Zn2+-haltiges Medium über einen ruhenden Aluminium-Rückkontakt strömt oder durch eine Kombination dieser beiden Varianten. Die Strömungsgeschwindigkeit des Zn2+-haltigen Mediums (und damit die Relativgeschwindigkeit gegenüber dem (bewegten oder ruhenden)
Aluminium-Rückkontakt) kann z.B. über die Pumpenleistung eingestellt werden. Durch die Relativbewegung zwischen dem Aluminium-Rückkontakt und dem wässrigen Zn2+-haltigen Medium während der Zn-Abscheidung in Schritt (b) kann eine weitere Verbesserung der Haftkraft zwischen dem Aluminium-Rückkontakt und dem darauf befestigten Solarzellen- Verbinder erzielt werden.
Wie nachfolgend noch eingehender diskutiert wird, hat es sich für die Haftfestigkeit eines durch Löten oder Kleben auf dem Zn-beschichteten Aluminium-Rückkontakt befestigten metallischen Verbinders als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die in Schritt (b) abgeschiedene metallische Zinkschicht als geschlossene Schicht vorliegt, wobei außerdem an der Oberfläche der geschlossenen Zinkschicht Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5,0 μιη in einer Anzahldichte von > 800 pro mm2, bevorzugter > 1000 pro mm2, noch bevorzugter 1000-4000 pro mm2 vorliegen; und/oder wobei mindestens 1,5%, bevorzugter mindestens 2,0%, noch bevorzugter 2,0-8,0% der Oberfläche der geschlossenen Zinkschicht durch Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5,0 μιη belegt ist.
Neben den relativ großen Zn-Kristalliten (d.h. > 5,0 μιη) enthält die metallische Zinkschicht bevorzugt noch deutlich kleinere Zink-Kristallite mit einem
Durchmesser von weniger als 1,0 μιη, wobei bevorzugt der Großteil der Oberfläche (z.B. mehr als 50% oder sogar mehr als 60%>) der geschlossenen Zinkschicht durch diese kleineren Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von weniger als 1,0 μιη belegt ist. Bevorzugt belegen die Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5,0 μιη und die Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von weniger als 1,0 μιη gemeinsam mindestens 90%>, bevorzugter mindestens 95%> der Oberfläche der geschlossenen Zinkschicht. Die Partikelgrößenverteilung der Zink-Kristallite an der Oberfläche der geschlossenen Zinkschicht kann beispielsweise bimodal sein. Eine solche geschlossene metallische Zinkschicht mit einer relativ hohen
Anzahldichte größerer Kristallite ist in Figur 1 gezeigt. Die Bereiche, in denen relativ große Zn- Kristallite an der Oberfläche der Zn-Schicht vorliegen, sind jeweils von Bereichen umgeben, die von deutlich kleineren Zn-Partikeln gebildet werden.
Anhand der oben beschriebenen Verfahrensparameter des Schritts (b) lässt sich eine derartige metallische Zinkschicht gezielt herstellen.
Sofern die Befestigung des metallischen Verbinders auf der Zinkschicht durch Löten erfolgt, bleibt diese spezifische Struktur mit einer relativ hohen Dichte größerer Kristallite zumindest in den nicht gelöteten Bereichen erhalten. Sofern die
Befestigung über Kleben erfolgt, kann die spezifische Struktur der metallischen Zinkschicht auch in den geklebten Bereichen erhalten bleiben.
Bevorzugt wird während der Zinkabscheidung in Schritt (b) nur der Aluminium- Rückkontakt mit dem Zn2+-haltigen Medium in Kontakt gebracht. Dadurch wird vermieden, dass andere Bereiche der Solarzelle von dem wässrigen Medium chemisch angegriffen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der in Schritt (b) erhaltene Zn- beschichtete Aluminium-Rückkontakt vor dem Schritt (c) mindestens einmal mit einer Spülflüssigkeit gespült. Zumindest für eine erste Spülung und optional auch für weitere Spülungen des Zn-beschichteten Aluminium-Rückkontakts vor dem Schritt (c) wird bevorzugt eine wässrige Spülflüssigkeit mit pH > 8,5, bevorzugter pH > 13 verwendet.
Bevorzugt wird der Zn-beschichtete Aluminium-Rückkontakt vor Schritt (c) einer Trocknung unterzogen, beispielsweise durch geeignete thermische Behandlung.
Gegebenenfalls kann der Schritt (b) zumindest einmal wiederholt werden, bevor Schritt (c) durchgeführt wird. Unter Berücksichtigung der Prozesseffizienz ist es jedoch bevorzugt, Schritt (b) nur einmal durchzuführen.
Wie nachfolgend noch eingehender beschrieben wird, erfolgt in Schritt (c) die Befestigung des metallischen Verbinders auf dem Zn-beschichteten Aluminium- Rückkontakt, insbesondere durch Löten. Daher kann in einer optionalen
Ausführungsform bereits vor Schritt (c) ein Lotmaterial auf die in Schritt (b) abgeschiedene metallische Zn-Schicht aufgebracht werden. Bevorzugt wird das Lotmaterial zumindest in den Bereichen auf die Zn-Schicht aufgebracht, in denen der metallische Verbinder befestigt werden soll. Geeignete Lotmaterialien sind dem Fachmann bekannt und werden nachfolgend noch eingehender beschrieben.
Wie oben ausgeführt, wird in Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens der Zn- beschichtete Aluminium-Rückkontakt durch einen metallischen Verbinder mit einem Metallkontakt einer zweiten Solarzelle verbunden, wobei der metallische Verbinder auf dem Zn-beschichteten Aluminium-Rückkontakt der ersten Solarzelle durch Löten oder Kleben befestigt wird.
Metallische Verbinder zum Verschalten von Solarzellen sind dem Fachmann allgemein bekannt. Geeignete metallische Verbinder sind kommerziell erhältlich oder lassen sich über gängige Verfahren herstellen.
Der metallische Verbinder ist bevorzugt band- oder drahtförmig, wobei andere Formen aber prinzipiell auch möglich sind. Bevorzugt ist der metallische Verbinder bandförmig.
Sofern der metallische Verbinder durch Löten auf dem Zn-beschichteten Aluminium- Rückkontakt befestigt wird, kann der metallische Verbinder mit einem Lotmaterial, beispielsweise mit Zinn oder einer Zinn-Legierung, beschichtet sein. Dadurch entfällt das separate Zuführen des Lotmaterials. Als Lotmaterial geeignete Zinn-Legierungen sind allgemein bekannt. Diese enthalten als Legierungselemente beispielsweise Blei, Silber und/oder Wismut.
Das Lotmaterial (bevorzugt eine Zinnlegierung) weist bevorzugt eine
Schmelztemperatur im Bereich von 180°C bis 245°C auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der metallische Verbinder ein Kupferband, bevorzugter ein mit Zinn oder einer Zinn-Legierung beschichtetes Kupferband.
Solche„verzinnten" Kupferbänder sind kommerziell erhältlich.
Das Löten wird bevorzugt bei einer Temperatur von weniger als 450°C durchgeführt. Dies wird üblicherweise auch als Weichlöten bezeichnet. Bevorzugter liegt die Löttemperatur im Bereich von 175°C bis 400°C oder 175°C bis 300°C. Im Lötprozess werden übliche, bevorzugt nicht korrosive („no clean") Flussmittel verwendet. Das Flussmittel kann auf die mit dem Lotmaterial beschichteten metallischen Verbinder (z.B. die verzinnten Kupferbändchen) und/oder auf die in Verfahrensschritt (b) abgeschiedene Zinkschicht aufgebracht werden.
Erfolgt die Befestigung des metallischen Verbinders auf dem Zn-beschichteten Aluminium- Rückkontakt durch Kleben, so wird bevorzugt ein elektrisch leitfähiger Kleber verwendet. Solche Kleber sind dem Fachmann bekannt und kommerziell erhältlich.
Bevorzugt handelt es sich bei der zweiten Solarzelle, die mit der ersten Solarzelle verschaltet wird, ebenfalls um eine Solarzelle, auf der gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren ein Zn-beschichteter Aluminium- Rückkontakt angebracht wurde. Hinsichtlich der Metallkontakte dieser zweiten Solarzelle (z.B. Rückkontakt und Frontkontakt oder alternativ ausschließlich Rückkontakte) kann somit auf die obigen Ausführungen verwiesen werden.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Solarzellenstring, der mindestens zwei über einen metallischen Verbinder verschaltete Solarzellen umfasst, wobei mindestens eine Solarzelle einen mit metallischem Zink beschichteten Aluminium- Rückkontakt aufweist und der metallische Verbinder direkt auf diesen Zn- beschichteten Aluminium-Rückkontakt aufgelötet oder aufgeklebt ist.
Bevorzugt weisen mindestens zwei, noch bevorzugter jede der Solarzellen einen mit metallischem Zink beschichteten Aluminium-Rückkontakt auf und auf jeden dieser Zn-beschichteten Aluminium-Rückkontakte ist jeweils ein metallischer Verbinder direkt aufgelötet oder aufgeklebt.
Bevorzugt ist der Solarzellenstring nach dem oben beschriebenen Verfahren erhältlich. Somit weist bevorzugt zumindest eine der im Solarzellenstring miteinander verschalteten Solarzellen einen Zn-beschichteten Aluminium- Rückkontakt auf, der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Bevorzugt weisen alle im Solarzellenstring verschalteten Solarzellen einen derart hergestellten Zn- beschichteten Aluminium-Rückkontakt auf.
Bevorzugt weist der Zn-beschichtete Aluminium-Rückkontakt der Solarzelle einen oder mehrere Bereiche auf, in denen eine geschlossene Schicht aus metallischem Zink vorliegt, wobei außerdem an der Oberfläche der geschlossenen Zinkschicht Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5,0 μιη in einer Anzahldichte von > 800 pro mm2, bevorzugter > 1000 pro mm2, noch bevorzugter 1000-4000 pro mm2 vorliegen; und/oder wobei mindestens 1,5%, bevorzugter mindestens 2,0%, noch bevorzugter 2,0-8,0%) der Oberfläche der geschlossenen Zinkschicht durch Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5,0 μιη belegt ist.
Neben den relativ großen Zn-Kristalliten (d.h. > 5,0 μιη) enthält die metallische Zinkschicht bevorzugt noch deutlich kleinere Zink-Kristallite mit einem
Durchmesser von weniger als 1,0 μιη, wobei bevorzugt der Großteil der Oberfläche (z.B. mehr als 50%> oder sogar mehr als 60%>) der geschlossenen Zinkschicht durch diese kleineren Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von weniger als 1,0 μιη belegt ist. Bevorzugt belegen die Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5,0 μιη und die Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von weniger als 1,0 μιη gemeinsam mindestens 90%>, bevorzugter mindestens 95%> der Oberfläche der geschlossenen Zinkschicht. Die Partikelgrößenverteilung der Zink-Kristallite an der Oberfläche der geschlossenen Zinkschicht kann beispielsweise bimodal sein.
Kristallitdurchmesser, Anzahldichte der Zn-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5,0 μιη bzw. weniger als 1,0 μιη an der Oberfläche der Zn-Schicht und die jeweilige relative Oberflächenbelegung durch diese Zn-Kristallite werden über rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM- Aufnahmen) der Zn-Schicht (in Draufsicht) sowie die Auswertung der Aufnahmen durch geeignete
Bildauswertungssoftware bestimmt. Der Durchmesser eines Kristallits ist der Durchmesser eines Kreises, der in seiner Fläche der Projektionsfläche des Kristallits in der REM- Aufnahme entspricht.
Wenn beispielsweise etwa 5% der Oberfläche der Zinkschicht durch Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5,0 μιη belegt ist, bedeutet dies, dass etwa 5% der in der REM- Aufnahme in Draufsicht gezeigten Oberfläche der Zn-Schicht durch diese Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5,0 μιη belegt ist.
Beispielsweise können mindestens 90%, bevorzugter mindestens 97% der
Oberfläche des Zn-beschichteten Aluminium-Rückkontakts eine solche Struktur aufweisen, d.h. eine geschlossene Schicht aus metallischem Zink, wobei Zink- Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5 μιη in einer Anzahldichte von > 800 pro mm2, bevorzugter > 1000 pro mm2, noch bevorzugter 1000-4000 pro mm2 auf der Oberfläche der Zinkschicht vorliegen; und/oder wobei mindestens 1,5%, bevorzugter mindestens 2,0%, noch bevorzugter 2,0-8,0%) der Oberfläche der Zinkschicht durch Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5 μιη belegt ist.
Sofern der metallische Verbinder über Löten auf dem Zn-beschichteten Aluminium- Rückkontakt befestigt wurde, können diese Bereiche mit hoher Anzahldichte großer Zink-Kristallite dort vorliegen, wo kein metallischer Verbinder befestigt wurde.
Wird beispielsweise eine Sn-Legierung als Lot verwendet, liegt in einem Bereich, wo ein metallischer Verbinder an den Zn-beschichteten Aluminium-Rückkontakt angelötet wurde, zwischen dem Metall des Verbinders (z.B. Cu) und dem
Aluminium oder der Aluminiumlegierung eine Schicht vor, die eine Sn-Matrix mit darin dispergierten Zn-Partikeln aufweist. Sofern der metallische Verbinder über Kleben auf dem Zn-beschichteten
Aluminium- Rückkontakt befestigt wurde, können diese Bereiche mit hoher
Anzahldichte großer Zink-Kristallite zusätzlich auch dort vorliegen, wo ein metallischer Verbinder befestigt wurde.
Die Erfindung wird durch das nachfolgende Beispiel eingehender beschrieben.
Beispiel
Auf die Rückseite eines 180 μιη dicken, /^-dotierten Siliziumwafers (nachfolgend Halbleiterbauelement einer Solarzelle genannt) werden 3 μιη Aluminium mit einer Reinheit > 95 % großflächig thermisch aufgedampft. Somit wird ein Aluminium- Rückkontakt erhalten. Zwischen Aluminiumschicht und Solarzelle befindet sich ein dielektrischer Schichtstapel aus AI2O3 und SixNy. Dieser ist an mehreren Punkten lokal mittels Laser geöffnet worden, um den elektrischen Kontakt des aufgedampften Aluminiums zum Silizium des Halbleiterbauelements herzustellen. Auf der
Vorderseite der Halbleiterbauelements der Solarzelle befindet sich ein thermisch mit Phosphor diffundierter n+-dotierter Emitter. Auf dem Emitter befindet sich eine dünne SixNy-Antireflexschicht und ein siebgedrucktes, silberhaltiges Metallgrid, der als Frontkontakt des Halbleiterbauelements fungiert.
Der Aluminium-Rückkontakt wird mit einer wässrigen Lösung enthaltend 4
Gewichtsprozent Zink-Ionen, 15 Gewichtsprozent NaOH und 0,001 Gewichtsprozent Eisen-Ionen bei Raumtemperatur für 90 s behandelt. Dabei wird das
Halbleiterbauelement der Solarzelle horizontal gelagert, wobei der Aluminium- Rückkontakt nach unten weist, und die chemische Lösung strömt den Aluminium- Rückkontakt mit einer Geschwindigkeit von 0,3 m/min von unten an. Hierbei wird 1 μιη Zink abgeschieden und ca. 1 μιη Aluminium aufgelöst. Danach wird das weiterhin horizontal gelagerte Halbleiterbauteil von unten mit l%iger Natronlauge und danach von unten mit entmineralisiertem Wasser gespült. Bei dem
Zinkabscheidungsschritt kommt nur der Aluminium-Rückkontakt mit
nasschemischer Lösung in Berührung. Figur 1 zeigt eine REM- Aufnahme der Oberfläche des Zn-beschichteten Aluminium- Rückkontakts. Die Aufnahme zeigt eine geschlossene metallische Zink-Schicht, die einen relativ hohen Anteil an großen Zn-Kristalliten mit einem Durchmesser von mindestens 5 μιη aufweist. Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5 μιη liegen in einer Anzahldichte von 1736 pro mm2 vor. 3,5% der Oberfläche der metallischen Zink-Schicht sind mit Zn-Kristalliten mit einem Durchmesser von mindestens 5 μιη belegt.
Nach dem Trocknen der Solarzelle wurde ein verzinntes Kupferbändchen mit einer Kupferdicke von 130 μΐϊΐ υηά einer beidseitigen Sn/Pb/Ag- Auflage von 15 μιη bei 245°C für 5 s mittels einer widerstandsbeheizten Kontaktlöteinrichtung auf den Zinkbeschichteten Aluminium-Rückkontakt gelötet. Die verzinnten Kupferbändchen wurden zuvor mit einem No-Clean-Flussmittel der Firma Kester mit der
Handelsbezeichnung 952s gefiuxt. Für das auf dem Zn-beschichteten Aluminium-Rückkontakt befestigte
Kupferbändchen wurden Abzugskräfte bestimmt. Gemessene Verbinder- Abzugskräfte, normiert auf die Breite der Verbinder, liegen im Mittel über 1,5 N/mm. Es konnte somit eine hohe Haftfestigkeit des metallischen Verbinders auf dem Aluminium-Rückkontakt der Solarzelle realisiert werden.
Das überstehende Ende des Verbinders wird in einem nachfolgenden Lötschritt in bekannter Weise auf die Vorderseite einer weiteren Solarzelle gelötet. Man erhält einen Solarzellenstring, in dem die Solarzellen in Serie verschaltet sind. Die
Solarzellstrings werden mit Glas, Ethylenvinylacetat und Polymer-Rückseitenfolie in ein Modul laminiert.

Claims

Ansprüche
Verfahren zur Verschaltung von Solarzellen, wobei
(a) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung über eine physikalische Gasphasenabscheidung auf der Rückseite eines Halbleiterbauelements einer ersten Solarzelle unter Ausbildung eines Aluminium- Rückkontakts abgeschieden wird,
(b) der Aluminium-Rückkontakt mit einem alkalischen, wässrigen
Medium, das Zn2+ enthält, behandelt wird, so dass sich auf dem Aluminium-Rückkontakt metallisches Zink unter Ausbildung eines Zink-beschichteten Aluminium-Rückkontakts abscheidet,
(c) der Zink-beschichtete Aluminium-Rückkontakt durch einen
metallischen Verbinder mit einem Metallkontakt einer zweiten Solarzelle verbunden wird, wobei der metallische Verbinder auf dem Zink-beschichteten Aluminium-Rückkontakt durch Löten oder Kleben befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Solarzellen Silizium-Solarzellen sind; und/oder wobei die Dicke des in Schritt (al) hergestellten Aluminium- Rückkontakts eine Dicke im Bereich von 0,3 μιη bis 7 μιη aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das alkalische wässrige Medium Zn2+ in einer Konzentration von mindestens 1,5 Gew% enthält; und/oder wobei das alkalische wässrige Medium zusätzlich Eisen-Kationen, Nickel- Kationen, Kupfer- Kationen oder eine Kombination mindestens zwei dieser Kationen enthält.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Abscheidung des metallischen Zinks auf dem Aluminium-Rückkontakt stromlos erfolgt; und/oder wobei die auf dem Aluminium-Rückkontakt abgeschiedene Zink- Schicht eine Dicke im Bereich von 0,1 μιη bis 5 μιη aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Halbleiterbauelement während des Schritts (b) in einer im Wesentlichen horizontalen Position gehalten wird und der Aluminium-Rückkontakt dabei nach unten weist und mit dem Zn2+-haltigen Medium kontaktiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Halbleiterbauelement relativ zum Zn2+ enthaltenden Medium bewegt wird und die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Aluminium-Rückkontakt und dem Zn2+-haltigen Medium bevorzugt mindestens 0,1 m/min beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Zn- beschichtete Aluminium-Rückkontakt vor Schritt (c) mindestens einmal mit einer alkalischen Spülflüssigkeit gespült wird; und/oder wobei der Zn- beschichtete Aluminium-Rückkontakt vor Schritt (c) getrocknet wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der metallische Verbinder und/oder der Zn-beschichtete Aluminium-Rückkontakt mit einem Lotmaterial beschichtet ist; und/oder wobei das Löten bei einer Temperatur von weniger als 450°C erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Kleben mit einem
elektrisch leitfähigen Kleber erfolgt.
10. Solarzellenstring, der mindestens zwei über einen metallischen Verbinder verschaltete Solarzellen umfasst, wobei mindestens eine Solarzelle einen mit metallischem Zink beschichteten Aluminium-Rückkontakt aufweist und der metallische Verbinder direkt auf diesen Zn-beschichteten Aluminium- Rückkontakt aufgelötet oder aufgeklebt ist.
Solarzellenstring nach Anspruch 10, wobei der Zn-beschichtete Aluminium- Rückkontakt der Solarzelle einen oder mehrere Bereiche aufweist, in denen eine geschlossene Schicht aus metallischem Zink vorliegt, wobei außerdem an der Oberfläche der geschlossenen Zinkschicht Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5,0 μιη in einer Anzahldichte von > 800 pro mm2 vorliegen; und/oder wobei mindestens 1,5% der Oberfläche der
geschlossenen Zinkschicht durch Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von mehr als 5,0 μιη belegt ist.
Solarzellenstring nach Anspruch 11, wobei an der Oberfläche der
geschlossenen Zinkschicht außerdem Zink-Kristallite mit einem Durchmesser von weniger als 1,0 μιη vorliegen, und die Zink-Kristallite mit einem
Durchmesser von mehr als 5,0 μιη und die Zink-Kristallite mit einem
Durchmesser von weniger als 1,0 μιη gemeinsam mindestens 90% der Oberfläche der geschlossenen Zinkschicht belegen.
Solarzellenstring nach einem der Ansprüche 10-12, erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-9.
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