EP3963640A1 - Herstellungsverfahren von silizium-heterojunction-solarzellen mit stabilisierungsschritt und fertigungslinienabschnitt für den stabilisierungsschritt - Google Patents

Herstellungsverfahren von silizium-heterojunction-solarzellen mit stabilisierungsschritt und fertigungslinienabschnitt für den stabilisierungsschritt

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EP3963640A1
EP3963640A1 EP20726682.6A EP20726682A EP3963640A1 EP 3963640 A1 EP3963640 A1 EP 3963640A1 EP 20726682 A EP20726682 A EP 20726682A EP 3963640 A1 EP3963640 A1 EP 3963640A1
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EP
European Patent Office
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light
manufacturing
treatment
stabilization step
light source
Prior art date
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Application number
EP20726682.6A
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Inventor
Steffen Frigge
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Meyer Burger Germany GmbH
Original Assignee
Meyer Burger Germany GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
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    • H10F10/165—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising heterojunctions with Group IV materials, e.g. ITO/Si or GaAs/SiGe photovoltaic cells the heterojunctions being Group IV-IV heterojunctions, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC photovoltaic cells
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a manufacturing method for silicon heterojunction solar cells with at least one stabilization step, the stabilization step being carried out after amorphous silicon layers, and preferably transparent layers or even metallic contact materials, have previously been applied to crystalline silicon solar wafers, as well as a correspondingly equipped production line section.
  • Silicon heterojunction solar cells are high-performance solar cells (HJT solar cells for short) that achieve higher levels of efficiency than other solar cell types currently used in industry
  • Silicon material in particular amorphous silicon, deposited to form the solar cell detector.
  • amorphous silicon material is also deposited on the side of the solar cell opposite the emitter, for example to create a potential gradient across the solar cell and to feed charge carriers, i.e. electrons and holes produced with the photo effect, to the external contacts of the solar cell conduct.
  • charge carriers i.e. electrons and holes produced with the photo effect
  • thin undoped amorphous intermediate layers are deposited between the interfaces of the crystalline silicon and the other doped silicon layers.
  • Amorphous silicon has a larger band gap than crystalline silicon and can therefore convert short-wave light into electrical energy more effectively than crystalline silicon. In the combination of the two
  • Silicon materials can use the incident solar spectrum on earth more effectively than pure crystalline Si solar cells.
  • the HJT solar cells also have less
  • HJT solar cells can be damaged by excessively high temperatures in the manufacturing process, because the amorphous or nanocrystalline deposited layers change their structure or crystallize at temperatures of around 200 ° C and the solar cell thereby can cause irreversible damage.
  • manufacturing processes for HJT solar cells from the prior art only low temperatures below 200 ° C. are therefore usually used, for example in US 2015/0013758 A1.
  • metallic contacts for example from metal pastes and / or foil-wire electrodes, and to stabilize solar cell properties, higher temperatures would also be desirable in some cases, but the maximum possible
  • US Pat. No. 7,754,962 B2 also describes an advantageous stabilizing effect through a combination of lighting and tempering, with existing upper temperature limits not being allowed to be exceeded.
  • Stabilization step at the end of the manufacturing process the task of which is to stabilize initially high solar cell efficiencies and to prevent gradual deterioration or deterioration.
  • the object of the invention is therefore to find an efficient stabilization step that enables high solar cell efficiencies.
  • the object is achieved by manufacturing processes for silicon heterojunction, in which the stabilization step involves heating the solar cell to temperatures above 200 ° C. and a
  • Light quanta of different energies have different effects on the solar cell. According to the sunlight spectrum, radiation in the visible spectral range and in the adjacent areas, namely the near infrared range and the
  • Ultraviolet range known as light.
  • Light with a photon energy above 1.1 eV and corresponding to a wavelength below 1100 nm is in the working range of the silicon solar cell because the energy of the photons and the photoelectrons generated from them is greater than the band gap of crystalline silicon. Effects other than the generation of photoelectrons that are involved
  • a light dose of 8000 Ws / m 2 can be provided, for example, in that a radiation power density of 1000 W / m 2 acts for 8 s. If the same light output is concentrated on a smaller area, the light dose increases on the smaller area
  • a radiation power density of 1000W / m 2 is also referred to as 1 sun, because the earth is illuminated by the sun with such a radiation power density.
  • Stabilization means that degradation of performance parameters of the solar cell produced is reduced.
  • the performance parameters include the
  • the stabilization step also improves the initial one
  • the solar cell is illuminated with intense light. Since the effect of the light treatment usually runs faster with stronger lighting, the intensity of the lighting is selected as large as possible. In various exemplary embodiments, the intensity of the lighting is between 1 sun and 100 suns. Upper limits of illuminance result from the heating of the solar cell associated with the lighting and from the availability of suitable light sources.
  • the product of the lighting power density and the treatment time gives an effective light dose, for example irradiation with 1000 W / m 2 over a period of 10 s gives a dose of 10000 Ws / m 2 . With high light outputs, non-linear effects sometimes occur, so that the dose is only partially a suitable reference value. With standard LED Radiators can achieve power radiation densities of 50000W / m 2 with a
  • the stabilization step of the manufacturing method according to the invention can also be trimmed towards short process times and fast throughput times.
  • the stabilization step is preferably carried out within a short cycle time (of, for example, 30 s) which is predetermined in the production line or in a section thereof.
  • a constant illuminance can be used during the processing time.
  • a time and / or location-dependent illuminance can also be used.
  • the lighting can also be chopped up like a pulse.
  • Various requirements can be placed on the manufacturing process. While in mass production a high level of economy and a
  • Target variables such as a highest degree of efficiency regardless of economic efficiency, be rated higher.
  • the process can be designed accordingly.
  • the stabilization step can take place at various points in the
  • Manufacturing process take place, for example after the various depositions of silicon layers, passivation layers and optical layers have already taken place.
  • a stabilization step can also be carried out after the deposition of a silicon layer, for example still within the deposition system.
  • stabilization steps or partial stabilization steps can each be carried out after a layer has been deposited.
  • all deposited layers are preferably post-treated together in the stabilization step, preferably also metallic ones
  • HJT solar cells The electrical connection of HJT solar cells is usually carried out in two stages from the inside to the outside.
  • the silicon surfaces are generally enclosed over the whole area by transparent conductive layers, in particular TCO layers such as ITO, the transparent layers also having other functions in addition to electrical functions, in particular those of anti-reflection layers and / or encapsulation layers .
  • the transparent conductive layers can be connected to metal fingers or other metal structures, which can be viewed as part of the second stage of the solar cell connections.
  • These metal structures can be produced from low-temperature metal pastes, for example by screen printing, connection structures with metallic properties only being produced from the metal pastes during a heat treatment.
  • busbars can also be produced by screen printing.
  • other printing technologies, conductive adhesives and the like can also be used, with different technologies for producing metallic contacts requiring temperature treatments, which are often also referred to as curing.
  • Busbarless solar cells can be used, with different technologies for producing metallic contacts requiring temperature treatments, which are often also referred to as curing
  • foil-wire electrodes from Smartwire Connection Technology can later be processed into solar modules.
  • the metal temperature treatment or metal curing and the stabilization step can be combined into a single step of the manufacturing process.
  • solar cells are usually measured and classified.
  • the stabilization step has already been completed during the measurement, so that the solar cells are classified with stable solar cells.
  • Other stabilization processes that only take place after the measurement of the solar cells are associated with greater fluctuations in solar cell properties. As in solar modules some or all
  • the stabilization step of the manufacturing method according to the invention can be a
  • Temperature peaks can also reach temperatures above 400 ° C if the times with values between 1 and 5 seconds are sufficiently short. At lower temperatures below 200 ° C., short processing times in the order of seconds are also desirable for productivity reasons. But for serious reasons, a long lighting and / or
  • Temperature treatment time of, for example, a few hours or days can be selected, for example, to achieve maximum stabilization effects for a few demonstration solar cells. In suitably constructed systems, very long processes can be carried out economically, even for mass production.
  • the temperature treatment can also make a contribution to the production of metallic contacts from the metallic contact materials.
  • the existing processing step can be the temperature treatment
  • metallic contact materials are modified and supplemented so that a better stabilization of the solar cell is additionally achieved in the existing process step.
  • the light treatment as part of the stabilization step can be carried out with halogen or LED lamps for at least 1 sec.
  • the light from halogen lamps also has large radiation components in the near infrared and in the infrared spectral range, so that halogen lamps can also be used well as heat sources for simultaneous heating during lighting.
  • Halogen lamps are insensitive to temperature.
  • the entire available time can also be used in slower process steps. For example, if 5 min process time is available in a drying oven, then the entire process time can be used for treatment with heat and light.
  • the light sources for example the halogen lamps, can also be used as heat sources at the same time. In continuous systems, the combination of space and cycle time often results in shorter possible treatment times.
  • LED lamps higher light intensities are possible than with halogen lamps with the same heating of the solar cells. If LED lamps are properly cooled and controlled, they can have a significantly longer service life than halogen lamps.
  • the halogen or LED lamps can be composed of several individual lamp elements. The maximum usable power density for uncooled substrates is limited by the heating in strong lighting. In the case of cooled substrates, a higher radiation power density can be used, with the limits in the case of LED lamps higher than with halogen lamps. If heat filters are used, even higher outputs are possible.
  • a power density between 100 and 100,000 W / m 2 can be used. Since LED lamps emit less heat radiation than halogen lamps, high power densities can be used even with uncooled substrates. With suitable cooling measures, even higher power densities can be achieved. With long
  • Treatment times for example in a light storage device for stabilization steps lasting minutes, hours or days, a saturation of the stabilization effect can also be achieved with a low radiation power density of for example 100 W / m 2 .
  • Light treatment can also be carried out with a high-intensity light source, in particular a laser or a flash lamp with a power density of up to 100,000 W / m 2 .
  • a high-intensity light source in particular a laser or a flash lamp with a power density of up to 100,000 W / m 2 .
  • laser light high power densities can be achieved, which optically can be handled precisely due to the coherence of the laser light. With lasers, therefore, particularly fast and precise processing is possible.
  • the heating and the lighting of the solar cell can in the invention
  • Manufacturing processes are partially or completely carried out by a light source. Since the existing temperature limits of the HJT solar cell must be observed and, with strong lighting, there is always a corresponding warming, the warming accompanying the lighting can also be used as heating. In this way, existing performance and temperature limits can be optimally used. With this option, the stabilization step can be implemented particularly effectively and easily in terms of plant engineering.
  • the object of the invention is also achieved by a production line section for carrying out the stabilization step of the production method according to the invention, the production line section having a heating section for carrying out the
  • the heating section and the light processing section may be separate sections.
  • the two sections can, for example, be arranged spatially one behind the other in a continuous system.
  • the two sections can, however, also be designed as separate areas of a system or as separate systems.
  • the two areas can also overlap, for example the
  • Extending light treatment section essentially through an entire continuous system and the The heating section can be implemented in a central section of the same continuous system.
  • a temporal separation of the temperature treatment and the light treatment can also be implemented by different start and / or end times of the operation of light and heat sources, wherein the heat treatment section and the light treatment section can also be spatially identical.
  • the heating section and the light treatment section can also be spatially and temporally
  • heating component and the lighting component of the stabilization step coincide spatially and temporally and have a common
  • the production line section according to the invention is designed as a continuous furnace section with transparent transport rollers.
  • the solar cells are irradiated by halogen lamps, both on their side lying on top and on their opposite front side, which simultaneously serve as a heat source and a light source.
  • the entire passage through the continuous furnace section takes between ls and 30 s.
  • the halogen lamps are arranged so close to one another and to the solar cells that are passing by that the solar cells are heated to over 400 ° C. for 5 s during the passage.

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Herstellungsverfahren von Silizium-Heterojunction-Solarzellen mit wenigstens einem Stabilisierungsschritt, wobei der Stabilisierungsschritt durchgeführt wird, nachdem zuvor auf kristallinen Siliziumsolarwafern amorphe Siliziumschichten, und vorzugsweise auch transparente Schichten oder auch bereits metallische Kontaktmaterialien aufgetragen worden sind. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen effizienten Stabilisierungsschritt zu finden, der hohe Solarzellenwirkungsgrade ermöglicht. Die Aufgabe wird von Herstellungsverfahren von Silizium-Heterojunction-Solarzellen gelöst, in welchem der Stabilisierungsschritt eine Erwärmung der Solarzelle auf Temperaturen über 200°C und eine Beleuchtung aus einer Lichtquelle beinhaltet, wobei die Lichtquelle Licht in einem Wellenlängenbereich < 2500 nm emittiert und wobei eine von der Lichtquelle abgegebene Lichtdosis mehr als 8000 Ws/m2 beträgt.

Description

Herstellungsverfahren von Silizium-Heterojunction-Solarzellen mit Stabilisierungsschritt und
Fertigungslinienabschnitt für den Stabilisierungsschritt
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren von Silizium-Heterojunction-Solarzellen mit wenigstens einem Stabilisierungsschritt, wobei der Stabilisierungsschritt durchgeführt wird, nachdem zuvor auf kristallinen Siliziumsolarwafern amorphe Siliziumschichten, und vorzugsweise transparente Schichten oder auch bereits metallische Kontaktmaterialien aufgetragen worden sind, sowie einen entsprechend ausgestatteten Fertigungslinienabschnitt.
Silizium-Heterojunction-Solarzellen sind leistungsfähige Solarzellen (kurz HJT-Solarzellen), die höhere Wirkungsgrade erreichen als andere Solarzelletypen, die derzeit in der industriellen
Massenproduktion hergestellt werden. An dem Hetero-pn-Übergang dieser Solarzelle treffen zwei unterschiedliche Halbleitermaterialien aufeinander. Während des Herstellungsverfahrens von Silizium-Heterojunction-Solarzellen wird zunächst ein kristalliner Siliziumwafer, der später die Basis der Solarzelle bildet, bereitgestellt. Das kristalline Silizium dieses Solarwafers ist das erste
Halbleitermaterial. Auf diesem Wafer wird zumindest eine Schicht aus einem anderen
Siliziummaterial, insbesondere amorphes Silizium, abgeschieden, um den Ermittler der Solarzelle auszubilden. In der Regel wird auch auf der dem Emitter gegenüberliegenden Seite der Solarzelle eine weitere Schicht aus amorphen Siliziummaterial, abgeschieden, beispielsweise um einen Potenzialgradienten über die Solarzelle auszubilden und um Ladungsträger, also mit dem Fotoeffekt hergestellte Elektronen und Löcher, zu den äußeren Kontakten der Solarzelle zu leiten. Zwischen den Grenzflächen des kristallinen Siliziums und den dotierten anderen Siliziumschichten werden häufig noch dünne undotierte amorphe Zwischenschichten abgeschieden. Amorphes Silizium hat eine größere Bandlücke als das kristalline Silizium und kann deshalb kurzwelliges Licht effektiver in Elektroenergie umwandeln als das kristalline Silizium. In der Kombination der beiden
Siliziummaterialien kann das auf der Erde einfallenden Sonnen-Spektrum effektiver genutzt werden als von reinen kristallinen Si-Solarzellen. Die HJT- Solarzellen weisen auch weniger
Rekombinationszentren, an denen Elektronen und Löcher rekombinieren können, auf, als herkömmliche Solarzellen. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die getrennten Elektronen und Löcher die externen Kontakte der Solarzelle erreichen und der Wirkungsgrad der Solarzelle steigt entsprechend. HJT-Solarzellen können durch zu hohe Temperaturen im Herstellungsverfahren beschädigt werden, weil die amorph oder nanokristallin abgeschiedenen Schichten schon bei Temperaturen von etwa 200 °C ihre Struktur verändern bzw. kristallisieren und dabei die Solarzelle irreversibel schädigen können. In Herstellungsverfahren von HJT-Solarzellen aus dem Stand der Technik werden deshalb üblicherweise nur geringe Temperaturen unter 200 °C verwendet, beispielsweise in US 2015/0013758 Al. Zur Herstellung metallischer Kontakte z.B. aus Metallpasten und/oder Folien-Drahtelektroden und zur Stabilisierung hergestellter Solarzelleneigenschaften wären teilweise auch höhere Temperaturen wünschenswert, dennoch werden maximal mögliche
Temperaturen im Stand der Technik bei etwa 350 °C gesehen, beispielsweise in US 7 754 962 B2.
US 7 754 962 B2 beschreibt auch einen vorteilhaften Stabilisierungseffekt durch eine Kombination von Beleuchten und Tempern, wobei bestehende Temperaturobergrenzen nicht überschritten werden dürfen.
Hocheffektive Solarzellen können nur dann in nennenswerten Umfang in die industrielle Fertigung einziehen, wenn die Kosten des Herstellungsverfahrens bzw. die Energiegestehungskosten mit diesen Solarzellen hinreichend niedrig sind. Für die Heterojunction-Technologie besteht seit Jahren oder Jahrzehnten die Herausforderung, Wege für die erforderliche Kostenreduzierung zu finden.
Außerdem werden höhere Effizienzen der HJT-Solarzellen benötigt (als bei ausgereiften etablierten Technologien). Eine Degradation der anfänglichen Wirkungsgrade von aus den Solarzellen hergestellten Solarmodulen ist zu minimieren oder möglichst zu vermeiden, um letztlich für viele Jahre hohe nutzbare Wirkungsgrade zu garantieren. An der Lösung dieser allgemeinen Aufgaben haben alle Teilschritte des Herstellungsverfahrens ihren Beitrag zu leisten, auch der
Stabilisierungsschritt am Ende des Herstellungsverfahrens, dessen Aufgabe darin besteht, anfänglich hohe Wirkungsgrade der Solarzellen zu stabilisieren und allmähliche Verschlechterungen bzw.
Degradationen des Wirkungsgrades zu minimieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen effizienten Stabilisierungsschritt zu finden, der hohe Solarzellenwirkungsgrade ermöglicht.
Die Aufgabe wird von Herstellungsverfahren von Silizium-Heterojunction-gelöst, in welchem der Stabilisierungsschritt eine Erwärmung der Solarzelle auf Temperaturen über 200°C und eine
Beleuchtung aus einer Lichtquelle beinhaltet, wobei die Lichtquelle Licht in einem
Wellenlängenbereich < 2500 nm emittiert und wobei eine von der Lichtquelle abgegebene Lichtdosis > 8000 Ws/m2 beträgt. Licht-Quanten unterschiedlicher Energie haben verschiedene Wirkungen auf die Solarzelle. Entsprechend dem Sonnenlichtspektrum wird Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und in den angrenzenden Bereichen, nämlich dem nahen Infrarotbereich und dem
Ultraviolettbereich, als Licht bezeichnet. Licht mit einer Photonenenergie über 1,1 eV und entsprechend einer Wellenlänge unter 1100 nm liegt im Arbeitsbereich der Silizium-Solarzelle, weil die Energie der Photonen und der daraus erzeugten Photoelektronen größer als die Bandlücke von kristallinem Silizium ist. Andere Effekte als die Erzeugung von Photoelektronen, die an
Stabilisierungsvorgängen in der Solarzelle beteiligt sind, benötigen andere kritische
Photonenenergien. Bei der Stabilisierung der Solarzelle laufen verschiedene Effekte mit
unterschiedlichen physikalischen und chemischen Wirkmechanismen ab. Teilweise finden diese Mechanismen infolge hinreichend großer Wärme statt. Teilweise sind hinreichend energiereiche Photonen oder hinreichend energiereiche Ladungsträger erforderlich, um benötigte Effekte in der Solarzelle auszulösen. Zu den verschiedenen ablaufenden Effekten gehören das Finden stabilerer Bindungszustände von Atomen in amorphen Schichten, das Lösen schwach gebundener
Wasserstoffatome, das Diffundieren von Wasserstoff und das Binden von Wasserstoff an freie Bindungsplätze. Eine Lichtdosis von 8000 Ws/m2 kann beispielsweise dadurch bereitgestellt werden, dass eine Strahlungsleistungsdichte von 1000W/m2 für 8s einwirkt. Wenn die gleiche Lichtleistung auf eine kleinere Fläche konzentriert wird, steigt die Lichtdosis auf der kleineren Fläche
entsprechend. Eine Strahlungsleistungsdichte von 1000W/m2 wird auch als 1 Sonne, bezeichnet, weil die Erde mit einer solchen Strahlungsleistungsdichte von der Sonne beschienen wird.
Beide Verfahrensbestandteile, die Wärmebehandlung und die Beleuchtung, leisten einen Beitrag zur Stabilisierung der Solarzelle. Stabilisierung bedeutet, dass Degradationen von Leistungsparametern der hergestellten Solarzelle reduziert werden. Zu den Leistungsparametern zählen der
Kurzschlussstrom, der Serienwiderstand, die Leerlaufspannung, der Füllfaktor und der Wirkungsgrad (ETA). Teilweise bewirkt der Stabilisierungsschritt auch eine Verbesserung des anfänglichen
Wirkungsgrades, wenn als Referenz ein Herstellungsverfahren ohne den Stabilisierungsschritt verwendet wird. Die Beleuchtung der Solarzelle wird mit intensivem Licht durchgeführt. Da der Effekt der Lichtbehandlung in der Regel bei einer stärkeren Beleuchtung schneller abläuft, wird die Stärke der Beleuchtung möglichst groß gewählt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen liegt die Stärke der Beleuchtung zwischen 1 Sonne und 100 Sonnen. Obere Grenzen der Beleuchtungsstärke ergeben sich aus der mit der Beleuchtung einhergehenden Heizung der Solarzelle sowie aus der Verfügbarkeit geeigneter Lichtquellen. Das Produkt aus der Beleuchtungsleistungsdichte und der Behandlungszeit ergibt eine einwirkende Lichtdosis, z.B. ergibt eine Bestrahlung mit 1000 W/m2 über eine Zeitdauer von 10 s eine Dosis von 10000 Ws/m2. Bei großen Lichtleistungen, treten teilweise auch nichtlineare Effekte auf, sodass die Dosis nur teilweise eine geeignete Bezugsgröße ist. Mit handelsüblichen LED- Strahlern können Leistungsstrahlungsdichten von 50000W/m2 realisiert werden, mit einer
Fokussierung des Lichtes auch entsprechend mehr.
Im Interesse einer effektiven und schnellen Fertigung der Solarzellen werden alle Teilschritte des Verfahrens möglichst schnell durchgeführt. Entsprechend kann auch der Stabilisierungsschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens auf kurze Prozesszeiten und schnelle Durchlaufzeiten hin getrimmt sein. Der Stabilisierungsschritt erfolgt vorzugsweise innerhalb einer kurzen Taktzeit (von z.B. 30 s), die in der Herstellungslinie bzw. in einem Abschnitt derselben vorgegeben ist. In der Bearbeitungszeit kann eine konstante Beleuchtungsstärke verwendet werden. Es kann aber auch eine Zeit und/oder ortsabhängige Beleuchtungsstärke zum Einsatz kommen. Die Beleuchtung kann auch pulsartig zerhackt erfolgen. An das Herstellungsverfahren können verschiedene Anforderungen gestellt werden. Während in der Massenproduktion eine hohe Wirtschaftlichkeit und eine
Kostenminimierung immer wichtige Zielgrößen sind, können in anderen Fällen auch andere
Zielgrößen, wie z.B. ein höchster Wirkungsgrad unabhängig von der Wirtschaftlichkeit, höher bewertet sein. Je nach konkret stehenden Anforderungen kann das Verfahren entsprechend ausgestaltet sein. Der Stabilisierungsschritt kann an verschiedenen Stellen des
Herstellungsverfahrens stattfinden, beispielsweise nachdem zuvor bereits die verschiedenen Abscheidungen von Siliziumschichten, Passivierungsschichten und optischen Schichten stattgefunden haben. Es kann aber auch schon ein Stabilisierungsschritt nach der Abscheidung einer Siliziumschicht durchgeführt werden, beispielsweise noch innerhalb der Abscheideanlage. Es können mehrere Stabilisierungsschritte bzw. Teil-Stabilisierungsschritte jeweils nach einer Schichtabscheidung durchgeführt werden.
Vorzugsweise werden aus Gründen der Effektivität in dem Stabilisierungsschritt alle abgeschiedenen Schichten gemeinsam nachbehandelt, wobei vorzugsweise auch bereits metallische
Kontaktmaterialien aufgebrachten worden sind, sodass der Stabilisierungsschritt unter mehreren verschiedenen Teil-Aufgaben auch eine Teilaufgabe bei der Herstellung der metallischen Kontakte erfüllen kann.
Der elektrische Anschluss von HJT-Solarzellen erfolgt in der Regel in zwei Stufen von innen nach außen. Im inneren der Solarzelle werden in der ersten Stufe die Siliziumoberflächen in der Regel ganzflächig von transparenten leitfähigen Schichten, insbesondere TCO-Schichten wie z.B. ITO, eingeschlossen, wobei die transparenten Schichten neben elektrischen Aufgaben auch weitere Aufgaben haben, insbesondere die von Antireflexionsschichten und/oder Einkapslungsschichten. Außen können die transparenten leitfähigen Schichten mit Metallfingern oder anderen Metallstrukturen verbunden werden, welche als Teil der zweiten Stufe der Solarzellenschlüsse betrachtet werden können. Diese Metallstrukturen können aus Niedertemperatur-Metallpasten, beispielsweise durch Siebdrucken, hergestellt werden, wobei aus den Metallpasten erst während einer Wärmebehandlung Anschlussstrukturen mit metallischen Eigenschaften entstehen. Außer den Metallfingern können auch Sammelleitungen (Busbars) per Siebdruck hergestellt werden. Es können aber auch andere Druck-Technologien, leitfähige Klebstoffe und Ähnliches zum Einsatz kommen, wobei verschiedene Technologien zur Herstellung metallischer Kontakte Temperaturbehandlungen benötigen, die häufig auch als Curing bezeichnet werden. Busbarlose Solarzellen können
beispielsweise mit Folien- Draht-Elektroden der Smartwire-Connnection-Technologie (SWCT) später zu Solarmodulen weiterverarbeitet werden. Die Metall-Temperaturbehandlung bzw. das Metall- Curing und der Stabilisierungsschritt können zu einem einzigen Schritt des Herstellungsverfahrens zusammengefasst sein.
Nach der Herstellung der Metallkontakte werden Solarzellen in der Regel vermessen und klassifiziert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Stabilisierungsschritt bei der Messung bereits absolviert, sodass eine Klassifizierung der Solarzellen mit stabilen Solarzellen erfolgt. Andere Stabilisierungsverfahren, die erst nach der Vermessung der Solarzellen erfolgen, sind mit größeren Schwankungen von Solarzelleigenschaften verbunden. Da in Solarmodulen einige oder alle
Solarzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind und die schlechteste Solarzelle die Leistung der gesamten Reihenschaltung bestimmt, ist eine zuverlässige elektrische Charakterisierung von Solarzellen ohne anschließende Verschlechterung durch schwankende Degradationen von großer Bedeutung. Somit können später gleich gute Solarzellen in Module verbaut und maximale
Modulleistungen erreicht werden.
Der Stabilisierungsschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann eine
Temperaturbehandlung mit einer höchstens 10 Sekunden langen Temperaturspitze mit
Temperaturen über 350°C aufweisen. Änderungen der (amorphen) Schicht-Struktur, im Extremfall Kristallisationsprozesse, sind nicht nur von der Temperatur, sondern auch von der Zeit der
Temperaturbehandlung abhängig. Für längere Bearbeitungszeiten ist die Regel zu beachten, dass Temperaturen über 200°C der HJT-Solarzelle schaden können. Kurzzeitig für bis zu 10 s können aber auch Si-HJT-Solarzellen über 350°C erwärmt werden. Bei Zeiten unter einer Minute sind auch höhere Temperaturen als 200°C möglich, beispielsweise 220°C für 20s. Solche hohen Temperaturspitzen bewirken einerseits kurze Bearbeitungszeiten und entsprechend kurze Durchlaufzeiten. Andererseits können die kurzen Temperaturspitzen auch verbesserte Stabilisierungseffekte bewirken. Die
Temperaturspitze kann auch Temperaturen über 400°C erreichen, wenn die Zeiten mit Werten zwischen 1 und 5 Sekunden hinreichend kurz sind. Bei niedrigeren Temperaturen unter 200°C sind aus Produktivitätsgründen zwar auch kurze Bearbeitungszeiten im Sekundenbereich wünschenswert. Bei gewichtigen Gründen kann aber auch eine lange Beleuchtungs- und/oder
Temperaturbehandlungszeit von beispielsweise einigen Stunden oder Tagen gewählt werden, beispielsweise um maximale Stabilisierungseffekte für wenige Demonstrations-Solarzellen zu erreichen. In geeignet aufgebauten Anlagen sind auch für die Massenproduktion sehr lange Prozesse wirtschaftlich durchführbar.
Wenn in einem vorangegangenen Schritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens metallische Kontaktmaterialien aufgetragen worden sind, kann die Temperaturbehandlung auch einen Beitrag bei der Herstellung metallischer Kontakte aus den metallischen Kontaktmaterialien leisten. Anders herum betrachtet, kann der vorhandene Bearbeitungsschritt der Temperaturbehandlung
metallischer Kontaktmaterialien so modifiziert und ergänzt werden, dass in dem vorhandenen Verfahrensschritt zusätzlich eine bessere Stabilisierung der Solarzelle erreicht wird.
Die Lichtbehandlung als Teil des Stabilisierungsschrittes kann mit Halogen- oder LED-Lampen für wenigstens ls durchgeführt werden. Das Licht von Halogenlampen weist neben dem Strahlungsanteil im sichtbaren Spektralbereich auch große Strahlungsanteile im nahen Infraroten und im infraroten Spektralbereich auf, so dass Halogenstrahler auch gut als Wärmequellen für eine gleichzeitige Beheizung während der Beleuchtung eingesetzt werden können. Ein weiterer Vorteil von
Halogenlampen ist deren Temperaturunempfindlichkeit. In langsameren Verfahrensschritten kann auch die gesamte verfügbare Zeit ausgenutzt werden. Wenn beispielsweise in einem Trocknungsofen 5 min Prozesszeit verfügbar sind, dann kann die gesamte Prozesszeit zur Behandlung mit Wärme und Licht genutzt werden. Die Lichtquellen, beispielsweise die Halogenlampen können dabei gleichzeitig auch als Wärmequellen genutzt werden. In Durchlaufanlagen ergeben sich aus der Kombination von Platz und Taktzeit oft kürzere mögliche Behandlungszeiten. Mit LED-Lampen sind bei gleicher Erwärmung der Solarzellen größere Lichtstärken als mit Halogenlampen möglich. Wenn LED-Lampen ordnungsgemäß gekühlt und angesteuert werden, können sie deutlich größere Lebensdauern erreichen als Halogenlampen. Die Halogen- oder LED-Lampen können aus mehreren einzelnen Lampenelementen zusammengesetzt sein. Durch die Erwärmung bei starker Beleuchtung ist die nutzbare maximale Leistungsdichte bei ungekühlten Substraten begrenzt. Bei gekühlten Substraten kann eine höhere Strahlungsleistungsdichte eingesetzt werden, wobei die Grenzen bei LED-Lampen höher liegen als bei Halogen-Lampen. Wenn Wärmefilter verwendet werden, sind noch höhere Leistungen möglich.
Bei einer Lichtbehandlung mit LED-Lampen kann eine Leistungsdichte zwischen 100 und 100000 W/m2 genutzt werden. Da LED-Lampen weniger Wärmestrahlung abgeben als Halogenlampen, können schon mit ungekühlten Substraten hohe Leistungsdichten genutzt werden. Mit geeigneten Kühlungsmaßnahmen können noch höhere Leistungsdichten realisiert werden. Bei langen
Behandlungszeiten, beispielsweise in einer Licht-Lager-Vorrichtung für minuten-, stunden- oder tagelange Stabilisierungsschritte, kann auch schon mit einer geringen Strahlungsleistungsdichte von beispielsweise 100 W/m2 eine Sättigung des Stabilisierungseffektes erreicht werden. Die
Lichtbehandlung kann auch mit einer hochintensiven Lichtquelle, insbesondere einem Laser oder einer Blitzlampe mit einer Leistungsdichte bis zu 100000 W/m2, durchgeführt werden. Mit Laserlicht sind hohe Leistungsdichten realisierbar, die optisch infolge der Kohärenz des Laserlichtes präzise handhabbar sind. Mit Lasern sind daher besonders schnelle und präzise Bearbeitungen möglich.
Auch mit Blitzlampen können hohe Leistungsdichten erreicht werden.
Die Erwärmung und die Beleuchtung der Solarzelle kann im erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahren teilweise oder vollständig durch eine Lichtquelle erfolgen. Da bestehende Temperaturgrenzen der HJT-Solarzelle zu beachten sind und bei starker Beleuchtung immer auch eine entsprechende Erwärmung erfolgt, kann die die Beleuchtung begleitende Erwärmung auch als Heizung genutzt werden. Auf diese Weise können bestehende Leistungs- und Temperaturgrenzen optimal ausgenutzt werden. Der Stabilisierungsschritt kann mit dieser Option anlagentechnisch besonders effektiv und einfach umgesetzt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird in einem zweiten Aspekt auch von einem Fertigungslinienabschnitt zur Durchführung des Stabilisierungsschrittes des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gelöst, wobei der Fertigungslinienabschnitt einen Heizabschnitt zur Durchführung der
Temperaturbehandlung und einen Lichtbehandlungsabschnitt zur Durchführung der Lichtbehandlung aufweist. Der Heizabschnitt und der Lichtbearbeitungsabschnitt können separate Abschnitte sein. Die beiden Abschnitte können beispielsweise räumlich hintereinander in einer Durchlaufanlage angeordnet sein. Die beiden Abschnitte können aber auch als separate Bereiche einer Anlage oder als separate Anlagen ausgebildet sein.
Die beiden Bereiche können auch einander überlappen, beispielsweise kann sich der
Lichtbehandlungsabschnitt im Wesentlich durch eine gesamte Durchlaufanlage erstrecken und der Heizabschnitt kann in einem mittleren Teilabschnitt derselben Durchlaufanlage realisiert sein. Es kann auch eine zeitliche Separation der Temperaturbehandlung und der Lichtbehandlung durch unterschiedliche Anfangs- und/oder Endzeiten des Betriebs von Licht- und Wärmequellen realisiert sein, wobei der Wärmebehandlungsabschnitt und der Lichtbehandlungsabschnitt dabei auch räumlich identisch sein können.
Der Heizabschnitt und der Lichtbehandlungsabschnitt können auch räumlich und zeitlich
zusammengelegt sein, sodass die Erwärmungs-Komponente und die Beleuchtungs-Komponente des Stabilisierungsschrittes räumlich und zeitlich zusammenfallen und einen gemeinsamen
Verfahrensschritt ergeben.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der erfindungsgemäße Fertigungslinienabschnitt als ein Durchlaufofen-Abschnitt mit transparenten Transportrollen ausgebildet. Die Solarzellen werden in diesem Durchlaufofen sowohl an ihrer aufliegenden Seite als auch auf ihrer gegenüberliegenden Vorderseite von Halogenstrahlern bestrahlt, welche gleichzeitig als Wärmequelle und als Lichtquelle dienen. Der gesamte Durchlauf durch den Durchlaufofen-Abschnitt dauert zwischen ls und 30 s. In einem mittleren Temperaturbehandlungsabschnitt sind die Halogenstrahler derart dicht aneinander und an den vorbeifahrenden Solarzellen angeordnet, dass während des Durchlaufs die Solarzellen für 5 s auf über 400°C erwärmt werden.

Claims

Ansprüche
1. Herstellungsverfahren von Silizium-Heterojunction-Solarzellen mit wenigstens einem Stabilisierungsschritt, wobei der Stabilisierungsschritt durchgeführt wird, nachdem zuvor auf kristallinen Siliziumsolarwafern amorphe Siliziumschichten und vorzugsweise transparente Schichten oder auch bereits metallische Kontaktmaterialien aufgebrachten worden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisierungsschritt eine Erwärmung der Solarzelle auf Temperaturen über 200°C und eine Beleuchtung aus einer Lichtquelle beinhaltet, wobei die Lichtquelle Licht in einem Wellenlängenbereich < 2500 nm emittiert und wobei eine von der Lichtquelle abgegebene Lichtdosis in diesem Wellenlängenbereich mehr als 8000 Ws/m2 beträgt, und wobei der Stabilisierungsschritt eine
Temperaturbehandlung mit einer höchstens 10 Sekunden langen Temperaturspitze mit Temperaturen über 350°C aufweist.
2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Temperaturspitze mit Temperaturen über 400°C zwischen 1 und 5 Sekunden lang ist.
3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorangegangenen Schritt des Herstellungsverfahrens metallische Kontaktmaterialien aufgetragen worden sind und die Temperaturbehandlung auch zur Herstellung metallischer Kontakte aus den metallischen Kontaktmaterialien dient.
4. Herstellungsverfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbehandlung mit Halogen- oder LED-Lampen für wenigstens 1 s durchgeführt wird.
5. Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Lichtbehandlung mit Halogenlampen mit einer Leistungsdichte zwischen 1000 und 10000 W/m2 vorzugsweise auf gekühlten Substratträgern durchgeführt wird.
6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Lichtbehandlung mit LED-Lampen mit einer Leistungsdichte zwischen 100 und 100000 W/m2 durchgeführt wird.
7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbehandlung mit einer hochintensiven Lichtquelle insbesondere einem Laser oder einer Blitzlampe mit einer Leistungsdichte bis zu 100000 W/m2durchgeführt wird.
8. Herstellungsverfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung und die Beleuchtung der Solarzelle teilweise oder vollständig durch eine Lichtquelle erfolgen.
9. Fertigungslinienabschnitt zur Durchführung des Herstellungsverfahrens gemäß
wenigstens einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der
Fertigungslinienabschnitt einen Heizabschnitt zur Durchführung der
Temperaturbehandlung und einen Lichtbehandlungsabschnitt zur Durchführung der Lichtbehandlung aufweist.
10. Fertigungslinienabschnitt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der
Fertigungslinienabschnitt als Teil eines Durchlaufofens ausgebildet ist, wobei der Lichtbehandlungsabschnitt mit transparenten Transportrollen ausgestattet ist.
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