WO2014000845A1 - Verfahren zur herstellung von solarzellen mit local back surface field (lbsf) - Google Patents

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etching
etching paste
koh
solar cells
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Werner Stockum
Oliver Doll
Ingo Koehler
Christian MATUSCHEK
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Merck Patent Gmbh
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention is a process for the production of solar cells with Local Back Surface Field using printable etching pastes.
  • contact points with silver paste are also printed on the back. These are required for soldering the cells to the module.
  • the reverse side bus bars printed with silver paste may be applied in stripes (below the front side busbar) and may be twice the width of the front side bus bar.
  • the backside design of a standard solar cell is used in many variants in production.
  • the literature also focuses on optimizing the back surface field by using an oxide passivation layer as a substitute for a full-surface aluminum layer pointed.
  • an oxide passivation layer as a substitute for a full-surface aluminum layer pointed.
  • LBSF Local Back Surface Field
  • LBSF Local Back Surface Field
  • LBSF Local Back Surface Field
  • Silicon nitride applied to the wafer back (using PECVD).
  • Fig. 1, 2 and 3 are process flow diagrams of the required
  • the production of solar cells with LBSF comprises the following steps:
  • the production of solar cells with LBSF comprises the following steps:
  • Solar cells can be produced with LBSF, which have higher efficiencies than variant B.
  • This process variant C comprises the following seven steps, which are also shown in FIG. 3:
  • the wafer is after the alkaline
  • Edge isolation is performed by a HF / HNO 3 mixture on the back of the wafer (RENA equipment).
  • the etching bath concentration and the residence time to reach the desired etching depth or the desired shunt value of the finished cell are set. Normally, a shunt value of 30-40 cm 2 is set with the backside etching.
  • the PSG glass on the front side (phosphosilicate glass) is removed with the help of hydrofluoric acid. Subsequently, the wafer is rinsed and dried and fed to the next production step, in which the deposition of the passivation layer takes place.
  • the latter can be due to a thermal
  • SiO 2 or for Al 2 O 3 by the ALD method atomic layer deposition
  • the deposition of a SiN x layer takes place both on the back and on the front.
  • PECVD plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • SiN x silicon nitride
  • the etching paste SolarEtch AQS is printed on the reverse side by screen printing (dot pattern with approx. 70-1 OOum diameter) and activated in the belt furnace at 390 ° C.
  • the etching paste is rinsed with a 0.1% KOH solution in an ultrasonic bath, rinsed with demineralized water and dried.
  • a silver paste for the front side contact and an aluminum paste as backside Local Back Surface Field is heated (fired) in the belt furnace.
  • Object of the present invention is therefore to provide an easy to carry out process for the production of solar cells with Local Back Surface Field and high efficiency, by which time and cost, and process steps can be saved. It is also an object of the present invention to make the processes more environmentally friendly, and for example the use of HF and HNO 3
  • the present invention thus provides a process for
  • this new method according to the invention differs from previously known methods in that the polishing etching and
  • the method according to the invention for producing solar cells with a local back surface field comprises the following method steps:
  • V Print the etching paste by means of screen printing, heat in a belt oven and rinse with demineralized water.
  • the method according to the invention for the production of single-stage emitter solar cells comprises the method steps:
  • alkaline etching paste which preferably contains as alklische ⁇ tzkomponente NaOH, KOH or mixtures thereof and which is described in the described method for the production of solar cells with Local Back Surface Field.
  • etching pastes which contain KOH as the etching component are particularly preferred.
  • KOH-containing etching pastes containing KOH in an amount of 5 to 40 wt .-%.
  • KOH pastes according to the invention contain a solvent or a solvent mixture.
  • Particularly suitable solvents for this purpose are in this case solvents selected from the group of glycerol,
  • Ethylene glycol polyethylene glycol, octanol, 1, 3-propanediol, 1, 4-butanediol, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether,
  • Dimethyl sulfoxide and gamma-butyrolactone which can be used in pure or in admixture.
  • the solvent or solvent mixture may be contained in the paste in an amount of 20 to 70% by weight.
  • these compositions contain at least one non-particulate thickener.
  • these pastes contain at least one non-particulate thickener.
  • non-particulate thickeners selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, polyacrylates, carboxymethylcellulose and hydroxypropylcellulose contained in pure or in a mixture. Show particularly good properties
  • a particulate thickener selected from the group carbon black, pyrogenic silica, magnesium-aluminum silicates and low-melting wax particles, pure, or in a mixture.
  • pastes which contain both non-particulate and particulate thickeners.
  • Thickeners are preferably present in the pastes in an amount of 0.1-35% by weight, preferably in an amount of 0.5-35% by weight.
  • Backside passivation layer can be used.
  • etching depth> 5pm is achieved.
  • Etching paste compositions in the manufacturing process of solar cells with Local Back Surface Field (LBSF) the process can be successfully simplified and made more cost-effective.
  • the simultaneous polishing etch and the edge isolation (p-n separation) of the underlying silicon layer has the consequence that, with the improved process according to the present invention, solar cells with LBSF with a higher
  • the wafer is heavily doped over the entire area after the acid texturing with HF and HNO 3 or after alkaline texturing with KOH and isopropanol on the wafer surface.
  • phosphorus is doped at temperatures of about 800-850 ° C during a residence time of about 30 to 90 minutes using POCI3. Due to the doping, the conductivity of the cell front side becomes about 60 - 70 ohms / sq.
  • the new etching paste is printed by screen printing with a special Sieblayout or by steel stencil, preferably over the entire surface, on the back of the Si wafer and heated.
  • the wafer surface is heated to a temperature of 100 ° C to 150 ° C for this purpose.
  • the heating time is 2 to 5 minutes.
  • the heating is preferably carried out in a belt furnace.
  • both the PSG and the silicon layer is etched.
  • the etch is complete when an etch depth of> 5pm has been achieved. This can be recognized by the fact that the back side starts to shine strongly. After a simple cleaning with VE water will be in the next
  • Process step the PSG glass (phosphor glass) on the front of the wafer using hydrofluoric acid removed.
  • the wafer is rinsed again with demineralized water and dried. Thereafter, a passivation layer is applied to the backside.
  • S1O2 with a layer thickness of 30 nm (by thermal surface oxidation) or Al2O3 with a
  • the wafer surface is cleaned with 0.1-0.4% KOH solution in an ultrasonic bath, rinsed with demineralized water and dried.
  • the front side is the front side contacting the corresponding
  • an aluminum paste is printed.
  • LBSF aluminum pastes which have a reduced Glasfrittekonzentration (e.g. LBSF Alupasten Solamet ® from DuPont).
  • the printed wafers are finally heated in the belt furnace and baked.
  • the inventive method comprises the
  • the method according to the invention and the solar cells produced thereby have the following advantages over the above-described known methods A, B and C: Fewer process steps for the production of solar cells with selective emitter
  • the wafer backside has a very low roughness. Due to this low roughness, the electron recombination rate is significantly reduced, the latter in turn positively influences the efficiency of the solar cell produced.
  • Etching component NaOH, KOH or mixtures thereof may be included.
  • etching pastes containing KOH as the alkaline etching component Preference is given to etching pastes containing KOH as the alkaline etching component.
  • Corresponding alkaline pastes contain the alkaline
  • Etching component in a concentration in the range of 5 to 40 wt .-% based on the total composition.
  • the concentration in the range of 5 to 40 wt .-% based on the total composition.
  • Concentration of the etching component in the range of 10 to 37 wt .-%.
  • the concentration is in the range from 12 to 35% by weight of KOH or KOH and NaOH in the mixture. Experiments have found particularly good results with compositions containing KOH in a concentration of 20 to 35 wt .-%.
  • Ethylene glycol polyethylene glycol, octanol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether,
  • the paste contains non-particulate thickeners selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, polyacrylates, carboxymethylcellulose and hydroxypropylcellulose, pure or mixed.
  • the paste can Particulate thickener may be added selected from the group carbon black, pyrogenic silica, magnesium aluminum silicate and
  • thickener may be added neat or in admixture. Depending on the choice of thickener, thickener may be contained in such an etching paste in a total amount of from 0.1 to 35% by weight. Preferably, the thickener concentration is in a corresponding etching paste with good etching properties between preferably 0.5 and 35 wt .-%.
  • Figure 7 shows the surface profile of a partially etched wafer. In this case, half of the surface of the wafer has not been printed and etched with the etching paste according to the invention for demonstration purposes. Thus, it is possible to measure the untreated and the etched side in one measuring process.
  • etching pastes are HF / fluoride-free etching media, which are suitable for etching inorganic layers as well as to. They contain as the etching component usually phosphoric acid and / or salts thereof, which are decomposed on heating to the corresponding phosphoric acid. Due to their pasty shape, the etching pastes can be applied selectively to the surface areas to be opened so that local openings of the wafer surface can be produced during subsequent heating for 30 to 120 seconds at temperatures in the range from 250 to 350 ° C. For the application of the invention are
  • compositions which are suitable as etching component orthophosphoric acid, meta-phosphoric acid, pyrophosphoric acid, or salts thereof and in particular the ammonium salts ((NH 4 ) 2 HPO 4 , NH 4 H 2 PO 4 , (NH 4 ) 3 P0 4 ) as well as other compounds, which in their thermal
  • etching pastes contain solvents, thickeners and optionally additives such as defoamers, thixotropic agents, leveling agents, deaerators, adhesion promoters.
  • the etching component is in the composition in a concentration range of 1-80% by weight based on the
  • Composition may be in the range of 20-80% by weight, preferably in the lower to middle range, based on the total mass of the etching paste.
  • Suitable solvents may be pure inorganic or organic solvents or mixtures thereof, such as water, simple and / or polyhydric alcohols, ethers, in particular
  • Viscosity range and in principle to achieve the printing ability of the composition, i. is required to form a printable paste, is in the range of 1 - 20% by weight based on the total mass of the etching paste.
  • thickening agents organic or inorganic products or mixtures thereof may be included, such as. B.
  • Cellulose / cellulose derivatives such as ethyl, hydroxylpropyl, hydroxylethyl, sodium carboxymethylcellulose, or starch / starch derivatives such as
  • Sodium carboxymethyl starch (vivastar®) or Anionic heteropoly saccharide) acrylates (such Borchigel ®), polymers such as polyvinyl alcohols (Mowiol), polyvinylpyrrolidones (PVP), or fumed silicas such as Aerosil®. Both types of thickeners, organic and
  • additives may be defoamers, thixotropic agents, flow control agents / anti-caking agents, deaerators and adhesion promoters.
  • screen printable compositions For selectively metallizing the surface with a silver paste, appropriate screen printable compositions can be used as they are z. B. DuPont sold under the trade name PV145 Conducton or Metalor ® under the trade name MetPaste HeliSil5718 ®. Such pastes may contain silver in an amount of 50 to 80 wt .-% based on the total mass, as well as solvent or
  • inorganic oxides such as zinc oxide, silicon dioxide, thallium oxide, lead in glass frit.
  • U. a For example, compounds such as 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate, dibutyl phthalate, terpeniol, 2- (2-butoxyethoxy) ethyl acetate, or ethyl cellulose may be included, each in a coordinated manner
  • compositions are to be chosen so that form by heating after printing the metallization pastes conductive metal layers in which there are no more interfering organic substances through which the conductivity would be impaired.
  • aluminum pastes which are also screen-printable, are used for the metallization of the backsides and are converted to corresponding conductors by heating at elevated temperatures
  • Coatings can be sintered. Suitable pastes are marketed under the name Silbern Aluminum Pasten AG / AL 8205 PC by PEMCO EUROINKS S.r.l. Corresponding aluminum pastes contain in addition to silver in an amount of 50 to 85 wt .-% at least 1 to 10 wt .-% aluminum and may contain appropriate solvents and additives such as the silver pastes described above, wherein in the specially mentioned aluminum paste enamel frit on borosilicate glass base in in an amount of 1% by weight, lead compounds in an amount of 1 to 5% by weight, and alpha-terpineol in an amount of less than 20% by weight. Like the silver pastes described above, screen-printable aluminum pastes are also used here in the process according to the invention. Accordingly, the aluminum pastes must be easy to print on the one hand and on the other hand adhere well to the surfaces, so that they can be selectively printed and at high
  • multicrystalline solar cells typically corresponding wafers made of solid drawn silicon rods, respectively cast
  • Silicon blocks cut out by wire saw (Dietl J., Helmreich D., Sirtl E., Crystals: Growth, Properties and Applications, Vol. 5 Springer Verlag 1981, pp 57 and 73).
  • An exception to this is the silicon grown by the EFG (Edge-defined Film-fed Growth) method (Wald, F. V. Crystals: Growth, Properties and Applications, Vol. 5 Springer Verlag 1981, p 157).
  • monocrystalline or polycrystalline silicon wafers produced in accordance with the invention can be used, which in turn can be doped with boron [p-type silicon, 5 "size (125 x 125 mm, D 150 mm), thickness 200-260 ⁇ , resistivity 1, 0-1.5 Q.cm].
  • the wafers are usually made of monocrystalline or polycrystalline
  • Fig. 1 Process variant A of a standard process for the production of solar cells with LBSF
  • Fig. 2 Process variant B of a standard process for the production of solar cells with LBSF
  • Fig. 3 Process variant C of a recent process for the production of solar cells with LBSF
  • Fig. 4 Representation of the inventive method D, comprising 6
  • FIG. 5 Representation of the process E according to the invention, comprising 6
  • Fig. 7 Surface profile of the etched back side of the wafer
  • Fig. 8 SEM pictures of the surface of the untreated wafer before the process according to the invention
  • Fig. 9 SEM images of the surface of the wafer after the
  • Fig. 10 Detail sketch for the stencil printing of the etching paste on the
  • Fig.11 Detail sketch (side view edge area) of the printed paste before the heating step. Paste distance to the edge after printing about 100 ⁇ .
  • Fig. 12 Detail sketch (side view edge area) of the printed paste after the heating step. Paste has gone to the edge.
  • Etching pastes are given, which are within the scope of the present invention. These examples also serve to illustrate possible process variants or possible variations of suitable paste compositions for the etching step. Due to the general validity of the described principle of the invention, however, the examples are not suitable for reducing the scope of protection of the present application only to these.
  • a reflection reduction of solar cells by a texturing with an alkaline solution preferably from a KOH solution and isopropanol, or with an acidic solution consisting of a
  • Diffusion step formed the single-stage emitter. It is a batch process in which the surface of the wafer is doped with phosphorus within about one hour, preferably within about 40 minutes at a temperature higher than 800 ° C, at most at 895 ° C. For doping, liquid POCl 3 is used. After about 40 minutes, the desired conductivity of about 65 ohms / sq is reached.
  • the back side polish and the back edge insulation are performed in one process step.
  • the etching paste is applied in stencil printing.
  • a KOH-containing etching paste is used.
  • the application of the paste can be done with a screen printing machine, (e.g., suitable equipment from Baccini, four-camera pressure control).
  • a stencil from Koenen with the stencil thickness 500 pm can be used.
  • the paste could be printed very well with a steel squeegee.
  • the following parameters have been set for paste printing: none
  • the etching paste is applied over the entire surface at a distance of 200 ⁇ m from the edge of the wafer (see sketch of FIG. 10).
  • the printed wafer is heated for a period of about 5 minutes to a temperature up to 150 ° C whereby the etching paste is activated.
  • a belt furnace was used. The oven is divided into four heating zones. Zone 1 is set to 250 ° C, Zone 2 to 200 ° C, Zone 3 to 150 ° C and Zone 4 to 150 ° C.
  • the belt speed is 51cm / min.
  • the etched wafer will now be inline Cleaning system cleaned by Rena. The cleaning takes place in two stages. In the first stage, the wafer is treated in a continuous ultrasonic bath (2 x 500W, 40kHz), in the second stage on both sides with a
  • PSG glass etching and wet-chemical surface cleaning is performed with HF, hot demineralized water and again with HF.
  • a thin layer of 20nm thickness of thermal S1O2 is deposited.
  • 90nm LPCVD SiN x is deposited on the front and on the back side.
  • the double-sided LPCVD SiNx deposition takes place at up to 790 ° C.
  • the process time for depositing a layer thickness of 90 nm is about 2 hours.
  • the application of the paste can be done with a screen printing machine.
  • a sieve from Koenen with the specification 280 mesh / inch and a wire diameter of 25 ⁇ / ⁇ can be used.
  • the clothing angle of the screen is preferably 22.4 °.
  • the sieve emulsion used is the type Azokol Z130 from Kissel & Wolf.
  • the paste can be printed very well with a diamond squeegee and 80 shore squeegee hardness.
  • the printed wafer is heated for a period of about 5 minutes to a temperature of up to 400 ° C, whereby the etching paste is activated.
  • a belt furnace is used. The oven is divided into four heating zones. Zone 1 is set at 550 ° C, Zone 2 at 400 ° C, Zone 3 at 400 ° C, and Zone 4 at 300 ° C.
  • the belt speed is 51 cm / min.
  • the etched wafer is now using an inline cleaning system
  • the wafer is treated in a continuous ultrasonic bath (2 x 500W, 40kHz) and in the second stage cleaned on both sides with a water jet and then dried, for example with compressed air.
  • a continuous ultrasonic bath (2 x 500W, 40kHz)
  • a water jet cleaned on both sides with a water jet and then dried, for example with compressed air.
  • the preparation of the required backside contacts can be carried out under the following conditions:
  • the order of the paste can be done with a screen printing machine Here it is advantageous to continuously control the printing result.
  • the control is performed with four cameras.
  • the Ag / Al Paste With the Ag / Al Paste two busbars with the dimensions of 5 mm x 124 mm are printed on the backside.
  • the printed paste thickness is about 15 ⁇ .
  • the printed wafer is heated up to 200 ° C for a period of about 3 minutes.
  • a belt furnace can be used.
  • the entire backside is printed.
  • the printed thickness of the pastes is about 22pm with the applied amount of paste being about 2.64mg / cm 2 .
  • the printed wafer is heated up to 290 ° C for a period of about 3 minutes. This takes place in a belt furnace.
  • the silver paste PV 145 from DuPont Comp is used by way of example Koenen company with specification 280 mesh / inch and one
  • the clothing angle of the screen is 22.5 °.
  • the sieve emulsion used in this case is the type ISAR from Koenen.
  • the paste can be printed very well with a diamond squeegee and 60 shore squeegee hardness. For the printing of the pastes, the following have been found under the conditions tested
  • the silver paste prints the front page layout with 2 busbars and fingers.
  • the line width is 80pm and the distance between the fingers is 1, 7mm.
  • the width of the main busbars is 2mm.
  • the printed paste thickness is about 20pm.
  • the printed wafer is heated to a temperature of up to 290 ° C for a period of about 3 minutes. For this purpose, a belt furnace can be used. Burning conditions:
  • the silicon wafers printed with metal paste are transported through an IR belt furnace and heated up to a maximum temperature of 880 ° C and fired (fired). This temperature step serves both to burn out the organic paste components and to sinter and melt the metal particles and the glass frit parts.
  • a 7-zone belt furnace can be used in the process described, with the following temperature profile being found to be advantageous: 250-350-400- 480-560-560-880 ° C at a belt speed of 1.5 m / min.
  • the characterization of the manufactured solar cells is carried out by means of the sunlight simulator (Xe lamp) under standard conditions (STC 1000W / sqm, AM1.5, temperature: 25 ° C). The following measured values resulted for the model-produced cell:
  • the clear homogeneous mixture is then mixed with 22 g of carbon black and stirred for 2 hours.
  • the clear homogeneous mixture is then mixed with 5 g Ceridust (polyethylene wax) and stirred for 2 hours.
  • the clear homogeneous mixture is then mixed with 5 g Ceridust 9202 F and stirred for 2 hours.
  • the clear homogeneous mixture is then mixed with 22 g of carbon black and stirred for 2 hours.
  • the now ready-to-use paste can be printed with a steel stencil (see Fig. 10) or a printing screen with stainless steel mesh (70mesh / inch and 50 ⁇ m emulsion thickness). In principle, others can
  • the etch paste produced has proven to be storage stable for a long time while retaining the advantageous etching properties.

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Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field (LBSF) unter Verwendung einer alkalischen Ätzpaste, welche die Rückseitenpolitur und die Rückseitenkantenisolation in einem Verfahrensschritt ermöglicht.

Description

Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit Local Back
Surface Field (LBSF)
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field unter Verwendung von druckfähigen Ätzpasten.
Stand der Technik
Es ist für die Produktion von Silizium-Solarzellen bekannt, diese auf der Vorderseite mit einer passsivierenden Antireflexschicht zu beschichten und auf der Rückseite mit einer ganzflächigen Metallisierung (Back Surface Field) zu versehen. Für diese Metallisierung wird üblicherweise eine Aluminium basierende Siebdruckpaste verwendet, welche bei Sintertemperaturen >800°C eingebrannt wird. Das bei diesen Sinterprozess gebildete
niedrigschmelzendes Al/Si-Eutektikum legiert an die Silizium Oberfläche an und wirkt p-dotierend.
Üblicherweise werden auf der Rückseite außerdem noch Kontaktpunkte mit Silberpaste aufgedruckt. Diese sind erforderlich für das Verlöten der Zellen zum Modul. Die mit Silberpaste verdruckten Rückseitenbusbars können in Streifen (unterhalb des Vorderseitenbusbars) aufgebracht werden und können die doppelte Breite des Vorderseitenbusbars aufweisen.
Das Rückseitendesign einer Standardsolarzelle wird in vielen Varianten in der Produktion eingesetzt.
Eine Beschreibung dieser Technologie findet sich in den Veröffentlichungen: P. Choulat et al; 22th European Photovoltaic Solar Energy Conference (2007), Mailand, Italien
und
G. Agostinelli et al, 20th European Photovoltaic Conference (2005),
Barcelona, Spanien
In der Literatur wird außerdem auf die Optimierung des Back Surface Fields durch die Verwendung einer oxidischen Passivierungsschicht als Ersatz für eine ganzflächige Aluminiumschicht hingewiesen. Hierbei wird der
Rückseitenkontakt über kleine Punkt - oder Linienkontakte mit dem p- dotierenden Aluminium erzeugt. Diese spezielle Rückseitenkontaktstruktur wird als Local Back Surface Field (LBSF) bezeichnet.
Die bisher am häufigsten beschriebene und verwendete Methode zur Erzeugung einer Local Back Surface Field (LBSF) Struktur erfolgt durch Laser. Die dünne Aluminiumschicht wird dabei mittels Laser durch die Oxidschicht (S1O2 oder AI2O3) mit dem Silizium verschmolzen. Ein
wesentlicher Nachteil dieser Methode ist jedoch die Beschädigung der Siliziumoberfläche, wodurch eine erhöhte Elektronen- Rekombinationsgeschwindigkeit an der Oberfläche stattfindet.
Neue Zellkonzepte in Verbindung mit Local Back Surface Field (LBSF) werden beschrieben für hocheffiziente Solarzellen mit Wirkungsgraden von über 20% (M.A. Green, J. Zhao, A. Wang, S.R. Wenham, Solar Energy Materials & Solar Cells 65 (2001) 9-16, Progress and outlook for high efficiency crystalline solar cells ).
Durch die Verwendung der LBSF Technologie kann eine signifikante
Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen (besser bekannt von PERC - Passivated Emitter Rear Contact) von über 0,5% (absolut) erreicht werden. Nach dem bekannten Stand der Technik wird für die Rückseitenpassivierung eine Doppelschicht - bestehend aus Aluminiumoxid oder S1O2 und
Siliziumnitrid auf die Waferrückseite aufgebracht (mittels PECVD).
In den Abb. 1 , 2 und 3 sind Prozessfließbilder der erforderlichen
Verfahrensschritte dargestellt, die bei der Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field (LBSF) bislang durchlaufen werden müssen. Diese Herstellungsmethoden sind bereits in der industriellen Produktion von Solarzellen eingeführt.
Nach Verfahrensvariante A. wie in Abbildung 1 dargestellt, umfasst die Herstellung von Solarzellen mit LBSF folgende Schritte:
1. Texturierung der Oberfläche mit pyramidaler Struktur 2. Phosphordotierung (65Q/sq Diffusion von POCI3)
3. Kantenisolierung mit HF/HNO3 auf der Rückseite und PSG-Ätzen
4. Abscheidung einer Passivierungsschicht (Si02 oder AI2O3) und einer SiNx-Schicht (PECVD SiNx)
5. Siebdruck zur Metallisierung der Oberfläche (Silberpaste) und der
Rückseite (Aluminiumpaste) / Sintern
6. Laserkontaktierung des Rückseitenaluminiums mit Silizium
Nach Verfahrensvariante B, wie in Abbildung 2 dargestellt, umfasst die Herstellung von Solarzellen mit LBSF folgende Schritte:
1. Texturierung der Oberfläche mit pyramidaler Struktur
2. Rückseiten Polishing (Glanzätzen mit HF/HNO3)
3. Phosphordotierung (65Q/sq Diffusion von POCI3)
4. Kantenisolierung mit HF/HNO3 auf der Rückseite und PSG-Ätzen
5. Abscheidung von Passivierungsschicht (SiO2 oder AI2O3) und SiNx Schicht (PECVD SiNx)
6. Selektives Öffnen der Passivierungsschicht und SiNx Schicht mittels Laser
7. Siebdruck zur Metallisierung der Voderseite (Silberpaste) und Rückseite (Aluminiumpaste) / Sintern
Seit 2011 ist eine Verfahrensvariante C bekannt, wie in Abbildung 3 dargestellt, (vorgestellt auf der PVSEC Konferenz 2011), wodurch
Solarzellen mit LBSF herstellbar sind, welche höhere Effizienzen aufweisen als Variante B.
Diese Verfahrensvariante C umfasst die folgenden sieben Schritte, welche auch in Abbildung 3 dargestellt sind:
1. Texturierung der Oberfläche mit pyramidaler Struktur
2. Rückseiten Polishing (Glanzätzen mit HF/HNO3)
3. Phosphordotierung (65Q/sq Diffusion von POCI3)
4. Kantenisolierung mit HF/HNO3 auf der Rückseite und PSG-Ätzen
5. Abscheidung von Passivierungsschicht (SiO2 oder AI2O3) und SiNx Schicht (PE-CVD SiNx) . Selektives Öffnen der Passivierungsschicht und der SiNx-Schicht mittels Ätzpaste (SolarEtch AQS drucken, heizen, spülen)
7. Siebdruck zur Metallisierung der Oberfläche (Silberpaste) und Rückseite (Aluminiumpaste) / Sintern
Bei dieser Verfahrensvariante wird der Wafer nach der alkalischen
Texturierung (bei Cz-Si Wafer) oder der sauren Texturierung (bei mc-Si Wafer) auf der Rückseite chemisch poliert mit einer HF/HNO3 Mischung (Entfernung der Textur). Dann wird der Wafer für etwa 25min bei
Temperaturen von etwa 800 - 850 °C mit POCI3 behandelt. Dabei diffundiert Phosphor in die Oberfläche des Wafers. Gleichzeitig wird dadurch der Flächenwiderstand auf etwa 65 Ohm/sq (Ω/sq) eingestellt. Die
Kantenisolation (Trennung des p-n Übergangs) wird durch eine HF/HNO3 Mischung auf der Waferrückseite durchgeführt (Equipment von RENA). Für diesen Ätzschritt werden die Ätzbad konzentration und die Verweildauer zum Erreichen der gewünschten Ätztiefe bzw. des gewünschten Shuntwerts der fertigen Zelle eingestellt. Üblicherweise wird mit dem Rückseitenätzen ein Shuntwert von 30-40kücm2 eingestellt.
Das PSG-Glas auf der Vorderseite (Phosphorsilicatglas) wird mit Hilfe von Flußsäure entfernt. Anschliessend wird der Wafer gespült und getrocknet und dem nächsten Produktionsschritt zugeführt, in dem die Abscheidung der Passivierungsschicht erfolgt. Letzteres kann durch eine thermische
Abscheidung von SiO2 oder für AI2O3 durch die ALD Methode (atomic layer deposition) erfolgen. Danach erfolgt die Abscheidung einer SiNx Schicht sowohl auf der Rückseite als auch auf der Vorderseite. Dieses entspricht einer Maskierung mit einer Antireflexionsschicht (ARC Deposition ) und erfolgt mittels plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung [engl, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)] von Siliziumnitrid (SiNx). Auf die Rückseite wird mittels Siebdruck die Ätzpaste SolarEtch AQS gedruckt (Punktmuster mit ca 70-1 OOum Durchmesser) und im Bandofen bei 390°C aktiviert. Danach wird die Ätzpaste mit einer 0,1%igen KOH-Lösung im Ultraschallbad abgespült, mit VE Wasser gespült und getrocknet. Nach dem Aufdrucken einer Silberpaste zur Vorderseitenkontaktierung und einer Aluminiumpaste als Rückseiten Local Back Surface Field wird im Bandofen ausgeheizt (gefeuert). Nachteile dieses Verfahrens zur Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field (LBSF) sind sowohl die große Zahl an Prozessschritten, die zeit- und kostenintensiv sind, als auch der hohe Verbrauch an HF/HNO3.
Aufgabenstellung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfach durchführbares Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field und hoher Effektivität zur Verfügung zu stellen, durch welches Zeit und Kosten, sowie Verfahrensschritte eingespart werden können. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es auch, die Prozesse umweltfreundlicher zu gestalten, und beispielsweise die Verwendung von HF und HNO3
einzuschränken, bzw. wenn möglich zu vermeiden.
Gegenstand der Erfindung
Versuche mit verschiedenen Ätzpastenzusammensetzungen haben überraschenderweise gezeigt, dass diese Aufgabe durch die Verwendung von neuen KOH haltigen Ätzpastenzusammensetzungen und durch eine gleichzeitige Veränderung des Verfahrens gelöst werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur
Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field (LBSF), welches dadurch gekennzeichnet ist, dass hierbei die Rückseitenpolitur und die Rückseitenkantenisolation mit Hilfe einer alkalischen Ätzpaste in einem Verfahrensschritt ermöglicht werden. In einem weiteren Verfahrensschritt werden mit Hilfe einer sauren Ätzpaste die Kontaktfenster in den
Rückseitenmultilayer (Passivierungsschicht und SiNx) geätzt, wobei die verwendete saure Ätzpaste eine besondere Selektivität gegenüber
Siliziumschichten aufweist.
Insbesondere unterscheidet sich dieses neue erfindungsgemäße Verfahren von bisher bekannten Verfahren dadurch, dass die Polierätzung und
Kantenisolation ohne Verwendung von HF/HNO3 Mischungen durchgeführt werden. Vorteilhafter Weise kann durch die Verwendung einer alkalischen Ätzpaste auf eine chemische Abluftreinigung völlig verzichtet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in Abb. 4 dargestellt, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field die folgenden Verfahrensschritte:
I. Texturierung der Oberfläche
II. Phosphordotierung (~65Q/sq Diffusion von POCI3)
III. Ätzen der Rückseite mittels einer alkalischen Ätzpaste, wodurch die Oberfläche poliert wird und gleichzeitig der p-n Übergang getrennt wird, wobei das Drucken der Ätzpaste mit Schablonendruck auf die Rückseite erfolgt, im Bandofen bei ca. 150°C für 2 Minuten aktiviert wird und der Wafer mit VE Wasser gespült wird,
IV. Beschichtung der Rückseite mit SiO2 oder AI2O3 Passivierungsschicht (15-30nm) und anschließende Beschichtung der Rückseite und
Vorderseite mit Siliziumnitrid (70-1 OOnm) mittels„plasma enhanced chemical vapor deposition" (PECVD - SiNx)
V. Aufdrucken der Ätzpaste mittels Siebdruck, heizen im Bandofen und spülen mit VE Wasser.
VI. Siebdruck zur Metallisierung der Oberfläche (Frontseite) und der
Rückseite mit anschließendem Sintern (Cofiring).
In abgewandelter Form nach Änderung der Reihenfolge (Abbildung 5) umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit einstufigem Emitter die Verfahrensschritte:
I. Texturierung der Oberfläche
II. Phosphordotierung (~65Q/sq Diffusion von POCI3)
III. Ätzen der Rückseite mittels einer alkalischen Ätzpaste, wodurch die Oberfläche poliert wird und gleichzeitig der p-n Übergang getrennt wird (Drucken der Ätzpaste mit Schablonendruck auf die Rückseite,
Aktivieren im Bandofen bei ca 150°C für 2min, Spülen des Wafers mit VE Wasser)
IV. Beschichtung der Rückseite mit SiO2 oder AI2O3 Passivierungsschicht (15-30nm) und anschließende Beschichtung der Rückseite und
Vorderseite mit Siliziumnitrid (70-1 OOnm) mittels„plasma enhanced chemical vapor deposition" (PECVD - SiNx)
V. Öffnen der SiO2/SiNx Schicht oder AI2O3/SiNx Schicht mittels Laser (Punktöffnungen mit ca. 70um Durchmesser) I. Siebdruck zur Metallisierung der Oberfläche (Frontseite) und der
Rückseite mit anschließendem Sintern (Cofiring).
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe trägt insbesondere die
Verwendung einer alkalische Ätzpaste bei, die bevorzugt als alklische Ätzkomponente NaOH, KOH oder Gemische davon enthält und die in dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field beschrieben wird. Insbesondere bevorzugt sind in diesem Zusammenhang Ätzpasten, die als Ätzkomponente KOH enthalten.
Besonders geeignet sind hierzu KOH-haltige Ätzpasten, die KOH in einer Menge von 5 bis 40 Gew.-% enthalten.
Neben der KOH enthalten erfindungsgemäße Pasten ein Lösungsmittel oder ein Lösungsmittelgemisch. Hierfür besonders geeignete Lösungsmittel sind in diesem Fall Lösungsmittel, ausgewählt aus der Gruppe Glycerin,
Ethylenglycol, Polyethylenglycol, Octanol, 1 ,3-Propandiol, 1 ,4-Butandiol, Diethylenglykolmonomethylether, Diethylenglykolmonoethylether,
Dimethylsulfoxid und gamma-Butyrolacton, die rein oder im Gemisch eingesetzt werden können. Das Lösungsmittel oder Lösungmittelgemisch kann in der Paste in einer Menge von 20 bis 70 Gew.-% enthalten sein.
Weiterhin bevorzugt enthalten diese Zusammensetzungen mindestens einen nichtpartikulären Verdicker. Insbesondere sind in diesen Pasten
nichtpartikuläre Verdicker ausgewählt aus der Gruppe Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylate, Carboxymethylcellulose und Hydroxypropylcellulose rein oder im Gemisch enthalten. Besonders gute Eigenschaften weisen
entsprechende Pasten auf, die einen partikulären Verdicker ausgewählt aus der Gruppe Ruß, Pyrogene Kieselsäure, Magnesium-Aluminium-Silikate und niedrigschmelzender Wachspartikel, rein, oder im Gemisch enthalten.
Ganz besonders gut eignen sich für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren Pasten, die sowohl nichtpartikuläre als auch partikuläre Verdicker enthalten. Vorzugsweise sind in den Pasten Verdicker in einer Menge von 0,1 - 35 Gew.%, bevorzugt in einer Menge von 0,5 - 35 Gew.-%, enthalten. Durch die Verwendung KOH-haltiger Ätzpaste zur Herstellung von
Solarzellen mit LBSF (Local Back Surface Field) werden Solarzellen mit verbesserter Effektiveität erhalten. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass zur Herstellung solcher Solarzellen mit LBSF nach dem vereinfachten Verfahren Phosphorsäure-haltige Ätzpasten zum Öffnen der
rückseitenpassivierungsschicht verwendet werden.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Durch Versuche wurde überraschenderweise gefunden, dass durch
Verwendung einer neuen KOH-haltigen Ätzpaste sehr gute Ätzergebnisse für Phosphor-Silicat-Glas (PSG oder Phosphorglas) erzielt werden. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei ergeben, dass gleichzeitig die darunterliegende Siliziumschicht in einem Schritt geätzt werden kann. Durch Versuche mit den neuen Ätzpastenformulierungen wurde auch gefunden, dass durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung sowohl sehr gute Polierergebnisse erzielt werden als auch die beim
strukturierten Ätzen in kurzer Zeit erzielbare Ätztiefe ausreichend ist für die Trennung von p-n Übergängen, und zwar wird hierbei eine Ätztiefe >5pm erzielt.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass durch die Integration der neuen
Ätzpastenzusammensetzungen in den Herstellungsprozess von Solarzellen mit Local Back Surface Field (LBSF) das Verfahren erfolgreich vereinfacht und kostengünstiger gestaltet werden kann. Die gleichzeitige Polierätzung und die Kantenisolation (p-n Trennung) der darunterliegenden Silizium- Schicht, hat zur Folge, dass durch das verbesserte Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung Solarzellen mit LBSF mit einem höheren
Wirkungsgrad hergestellt werden können.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Wafer nach der sauren Texturierung mit HF und HNO3 oder nach alkalischer Texturierung mit KOH und Isopropanol an der Waferoberfläche ganzflächig stark dotiert. Hierfür wird unter Verwendung von POCI3 bei Temperaturen von etwa 800-850°C während einer Verweilzeit von etwa 30 bis 90 Minuten mit Phosphor dotiert. Durch die Dotierung wird die Leitfähigkeit der Zellenvorderseite auf etwa 60 - 70 Ohm/sq eingestellt. Anschliessend wird die neue Ätzpaste durch Siebdruck mit einem speziellen Sieblayout oder mittels Stahlschablone, vorzugsweise ganzflächig, auf die Rückseite des Si Wafers gedruckt und erhitzt. Die Waferoberfläche wird zu diesem Zweck auf eine Temperatur von 100°C bis 150°C erhitzt. Die Heizdauer beträgt 2 bis 5 Minuten. Das Erhitzen wird vorzugsweise in einem Bandofen durchgeführt. Während des
Heizschrittes wird sowohl die PSG- als auch die Siliziumschicht geätzt. Die Ätzung ist abgeschlossen, wenn eine Ätztiefe von >5pm erreicht worden ist. Dieses ist daran zu erkennen, dass die Rückseite stark zu glänzen beginnt. Nach einer einfachen Reinigung mit VE Wasser wird im nächsten
Prozessschritt das PSG-Glas (Phosphorglas) auf der Vorderseite des Wafers mit Hilfe von Flußsäure entfernt. Der Wafer wird erneut mit VE Wasser gespült und getrocknet. Danach wird eine Passivierungsschicht auf die Rückseite aufgebracht. Hierfür kann S1O2 mit einer Schichtdicke von 30 nm (durch thermische Oberflächenoxidation) oder AI2O3 mit einer
Schichtdicke von 20 nm (mit Atomic Layer Deposition) aufgebracht werden. Anschliessend wird auf die Rückseite und auf die Vorderseite durch PE-CVD Siliciumnitrid mit einer Schichtdicke von 90 nm abgeschieden. Auf die Rückseite wird die Ätzpaste SolarEtch AQS als Punktmuster (ca. 25 000 Punkte mit 90μιτι Durchmesser) aufgedruckt (mit Siebdruck). Anschliessend wird die Waferoberfläche auf eine Temperatur von 350°C bis 450°C erhitzt. Die Heizdauer liegt dabei zwischen einer und 5 Minuten. Das Erhitzen erfolgt vorzugsweise in einem Bandofen. Während des Heizschrittes wird sowohl die SiNx- als auch die Si02 oder Al203 Schicht geätzt. Nach diesem
Prozessschritt wird die Waferoberfläche mit 0,1-0,4% KOH Lösung im Ultraschallbad gereinigt, mit VE Wasser gespült und getrocknet. Auf die Vorderseite wird zur Vorderseitenkontaktierung die entsprechende
Silberpaste gedruckt, während zur Rückseitenkontaktierung auf die
Rückseite an den vorgesehenen Stellen eine Aluminiumpaste aufgedruckt wird. Hierfür werden vorzugsweise spezielle LBSF Aluminiumpasten verwendet, welche eine reduzierte Glasfrittekonzentration (beispielsweise LBSF Alupasten Solamet® der Firma DuPont) aufweisen. Die bedruckten Wafer werden abschliessend im Bandofen erhitzt und ausgeheizt.
Dementsprechend umfasst das erfindungsgemässe Verfahren zur
Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field unter Verwendung der erfindungsgemässen Ätzpastenzusammensetzungen folgende
Verfahrensschritte, die in Abbildung 4 wiedergegeben sind:
1. Texturierung der Oberfläche mit pyramidalen Strukturen
2. Phosphordotierung (~65Q/sq Diffusion von POCI3)
3. Ätzen der Rückseite mit der erfindungsgemäßen Ätzpaste, wodurch die Oberfläche poliert wird und gleichzeitig der p-n Übergang getrennt wird (Drucken der Ätzpaste mit Schablonendruck auf die Rückseite, Aktivieren im Bandofen bei ca 150°C für 2min, Spülen des Wafers mit VE Wasser
4. PSG Ätzung mit HF (PSG: Phosphorsilikatglas)
5. Beschichtung der Rückseite mit S1O2 oder AI2O3-Passivierungsschicht und Beschichtung der Rückseite und Vorderseite mit Siliziumnitrid
[PECVD - SiNx, (PECVD: plasma enhanced chemical vapor deposition]
6. Selektives Öffnen der Passivierungsschicht und der SiNx Schicht mittels Ätzpaste (SolarEtch AQS drucken, heizen, spülen)
7. Siebdruck zur Metallisierung der Oberfläche (Silberpaste) und Rückseite (Aluminiumpaste) / Sintern im Bandofen
Im Vergleich zu den bekannten Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field (LBSF) umfasst das erfindungsgemäße
Verfahren weniger Verfahrensschritte. Somit ist es möglich, durch das geänderte Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Ätzpastenzusammensetzungen sowohl Zeit als auch Chemikalien
einzusparen, die für die beiden entfallenen Schritte erforderlich gewesen wären. Dadurch gestaltet sich gleichzeitig auch das gesamte
Herstellungsverfahren kostengünstiger.
Zur Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field (LBSF) zeigt das erfindungsgemäße Verfahren und die dadurch hergestellten Solarzellen folgende Vorteile gegenüber den oben beschriebenen, bekannten Verfahren A, B und C: . Weniger Verfahrensschritte zur Herstellung von Solarzellen mit selektiven Emitter
2. Geringere Kosten zur Durchführung des gesamten Verfahrens 3. Umweltfreundlicheres Verfahren, weil ein Ätzschritt (Polierschritt) mit einer Säuremischung, bestehend aus einer HF/HN03-Mischung, entfällt und somit die Bildung von Nitrosen Gasen vermieden wird
4. Höhere Effizienz, bzw. höhere Zellenwirkungsgrade als
Standardsolarzellen
Neben diesen Verfahrensvorteilen und dem höheren Wirkungsgrad der hergestellten Solarzellen wurde festgestellt, dass nach dem Ätzen mit der erfindungsgemäßen neuen, alkalischen Ätzpaste die Waferrückseite eine sehr geringe Rauigkeit aufweist. Durch diese geringe Rauigkeit wird die Elektronenrekombinationsrate deutlich reduziert, letzteres beeinflusst wiederum die Effizienz der hergestellten Solarzelle positiv.
Insbesondere werden diese Vorteile durch die Verwendung einer alkalischen Ätzpaste in Verfahrensschritt 3 bewirkt. Darin können als alkalische
Ätzkomponente NaOH, KOH oder Gemische davon enthalten sein.
Bevorzugt sind Ätzpasten, in denen als alkalische Ätzkomponente KOH enthalten. Entsprechende alkalische Pasten enthalten die alkalische
Ätzkomponente in einer Konzentration im Bereich von 5 bis 40 Gew.-% auf bezogen auf die Gesamtzusammensetzung. Vorzugsweise liegt die
Konzentration der Ätzkomponente im Bereich von 10 bis 37 Gew.-%.
Besonders bevorzugt liegt die Konzentration im Bereich von 12 bis 35 Gew.- % KOH oder KOH und NaOH im Gemisch. Durch Versuche wurden besonders gut Ergebnisse gefunden mit Zusammensetzungen, die KOH in einer Konzentration von 20 bis 35 Gew.-% enthalten. Außer Wasser als Lösungsmittel können in den erfindungsgemäß verwendeten alkalischen Ätzpasten Lösungsmittel, ausgewählt aus der Gruppe Glycerin,
Ethylenglycol, Polyethylenglycol, Octanol, 1 ,3-Propandiol, 1,4-Butandiol, Diethylenglykolmonomethylether, Diethylenglykolmonoethylether,
Dimethylsulfoxid und gamma-Butyrolacton, rein oder im Gemisch enthalten sein. Diese Lösungsmittel können der Zusammensetzung in einer Menge von 20 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von 20 bis 60 Gew.%, insbesondere bevorzugt in einer Menge von 20 bis 40 Gew.-% zugefügt sein. Zur Verdickung enthält die Paste nichtpartikuläre Verdicker, ausgewählt aus der Gruppe Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylate, Carboxymethylcellulose und Hydroxypropylcellulose rein oder im Gemisch. Weiterhin können der Paste partikuläre Verdicker zugesetzt sein ausgewählt aus der Gruppe Ruß, Pyrogene Kieselsäure, Magnesium-Aluminium-silikat und
niedrigschmelzende Wachspartikel. Diese partikulären Verdicker können rein oder im Gemisch zugesetzt sein. Je nach Wahl des Verdickers können in einer solchen Ätzpaste Verdicker in einer Menge von insgesamt 0,1 bis 35 Gew.-% enthalten sein. Vorzugsweise liegt die Verdickerkonzentration in einer entsprechenden Ätzpaste mit guten Ätzeigenschaften zwischen vorzugsweise 0,5 und 35 Gew.-%.
In Abbildung 6 ist ein Photo der Oberfläche eines unbehandelten Wafers im Vergleich zu einem Wafer nach der Behandlung mit der erfindungsgemäßen Ätzpaste wiedergegen. Nach dem Ätzschritt mit der alkalischen Ätzpaste ist die glatte reflektierende Oberfläche deutlich erkennbar.
Abbildung 7 zeigt das Oberflächenprofil eines teilgeätzten Wafers. Hierbei ist zur Demonstration eine Hälfte der Oberfläche des Wafers nicht mit der erfindungsgemäßen Ätzpaste bedruckt und geätzt worden. Somit ist es möglich, in einem Messvorgang die unbehandelte und die geätzte Seite zu vermessen.
Wie oben bereits gesagt, können für das selektive Öffnen der
Passivierungsschicht und der SiNx-Schicht Ätzpasten verwendet werden, wie sie beispielsweise unter dem Namen SolarEtch AQS im Handel vertrieben werden. Bei diesen Ätzpasten, die u. a. in WO 03/034504 A1 näher beschrieben sind, handelt es sich um HF/Fluorid-freie Ätzmedien, welche zum Ätzen von anorganischen Schichten als auch zum geeignet sind. Sie enthalten als Ätzkomponente üblicherweise Phosphorsäure und/oder deren Salze, welche beim Erhitzen zu der entsprechenden Phosphorsäure zersetzt werden. Die Ätzpasten können aufgrund ihrer pastösen Form selektiv auf die zu öffnenden Oberflächenbereiche aufgebracht werden, so dass beim nachfolgenden Erhitzen für 30 bis 120 Sekunden auf Temperaturen im Bereich von 250 bis 350 °C lokale Öffnungen der Waferoberfläche erzeugt werden können. Für die erfindungsgemäße Anwendung sind
Zusammensetzungen geeignet, die als Ätzkomponente Orthophosphorsäure, meta-Phosphorsäure, pyro-Phosphorsäure, bzw. deren Salze und hier insbesondere die Ammonium-Salze ((NH4)2HPO4, NH4H2PO4, (NH4)3P04) sowie andere Verbindungen, die bei ihrer thermischen
Zersetzung eine dieser Verbindungen bilden, in ausreichender Konzentration enthalten, so dass sie bei Temperaturen oberhalb 250°C in der Lage sind, Siliziumnitrid-Schichten von 70 nm Schichtdicke innerhalb weniger Sekunden bis Minuten vollständig wegzuätzen. Neben der Ätzkomponente enthalten diese Ätzpasten Lösungsmittel, Verdickungsmittel und gegebenenfalls Additive wie Entschäumer, Thixotropiermittel, Verlaufsmittel, Entlüfter, Haftvermittler. Die Ätzkomponente liegt dabei in der Zusammensetzung in einem Konzentrationsbereich von 1 - 80 Gew.- % bezogen auf die
Gesamtmasse der Ätzpaste vor, vorzugsweise im mittleren bis oberen Konzentrationsbereich. Der Anteil des Lösungsmittels in der
Zusammensetzung kann im Bereich von 20-80 Gew.- %, vorzugsweise im unteren bis mittleren Bereich, bezogen auf die Gesamtmasse der Ätzpaste liegen. Geeignete Lösungsmittel können reine anorganische oder organische Lösungsmittel bzw. Mischungen derselben sein, wie Wasser, einfache und/oder mehrwertige Alkohole, Ether, insbesondere
Ethylenglycolmonobutylether, Triethylenglykolmonomethylether, oder [2,2- Butoxy-(Ethoxy)]-Ethylacetat. Weiterhin liegt der Anteil des in der Paste enthaltenen Verdickungsmittels, der zur gezielten Einstellung des
Viskositätsbereiches und grundsätzlich zum Erzielen der Druckfähigkeit der Zusammensetzung, d.h. zur Bildung einer druckfähigen Paste erforderlich ist, liegt im Bereich von 1 - 20 Gew.- % bezogen auf die Gesamtmasse der Ätzpaste. Als Verdickungsmittel können organische oder anorganische Produkte oder Mischungen derselben enthalten sein, wie z. B.
Cellulose/Cellulosederivate wie Ethyl-, Hydroxylpropyl-, Hydroxylethyl-, Natrium-Carboxymethylcellulose, oder Stärke/Stärkderivate wie
Natriumcarboxymethylstärke (vivastar®), oder Anionisches Heteropoly- Saccharide), Acrylate (wie Borchigel®), Polymere wie Polyvinylalkohole (Mowiol®), Polyvinylpyrolidone (PVP), oder Hochdisperse Kieselsäuren wie Aerosil®. Beide Typen von Verdickungsmitteln, organische und
anorganische, können auch beliebig kombiniert sein. Gegebenenfalls enthaltene Additive können Entschäumer, Thixotropiermittel, Verlaufsmittel / Antiverlaufsmittel, Entlüfter und Haftvermittler sein.
Zur selektiven Metallisierung der Oberfläche mit einer Silberpaste können entsprechende siebdruckfähige Zusammensetzungen verwendet werden, wie sie z. B. von Dupont unter dem Handelsnamen PV145 Conducton oder von Metalor® unter dem Handelsnamen MetPaste HeliSil5718® vertrieben werden. Solche Pasten können Silber in einer Menge von 50 bis 80 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse enthalten, sowie Lösungsmittel oder
Lösungsmittelgemische, weitere organische Zusätze und Wasser, sowie anorganische Oxide wie Zinkoxid, Siliziumdioxid, Thalliumoxid, Blei in Glasfritte. U. a. können Substanzen wie 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol- monoisobutyrate, Dibutylphthalat, Terpeniol, 2-(2-Butoxyethoxy)ethylacetat, oder Ethylcellulose enthalten sein, und zwar jeweils in abgestimmten
Mengen, wodurch siebdruckfähige Pasten erhalten werden. Da bei sind die Zusammensetzungen so zu wählen, dass sich durch das Erhitzen nach dem Aufdrucken der Metallisierungspasten leitfähige Metallschichten ausbilden, in denen keine störenden organischen Substanzen mehr befinden, durch die die Leitfähigkeit beeinträchtigt würde.
Wie bereits vorher gesagt werden für die Metallisierung der Rückseiten Aluminiumpasten verwendet, die ebenfalls siebdruckfähig sind und durch Erhitzen bei erhöhten Temperaturen zu entsprechenden Leitenden
Beschichtungen gesintert werden können. Geeignete Pasten werden under der Bezeichnung Silbern Aluminium Pasten AG/AL 8205 PC von der Firma PEMCO EUROINKS S.r.l vertrieben. Entsprechende Aluminiumpasten enthalten neben Silber in einer Menge von 50 bis 85 Gew.-% mindestens 1 bis 10 Gew.-% Aluminium und können entsprechende Lösungsmittel und Zusätze wie die oben beschriebenen Silberpasten enthalten, wobei in der speziell genannten Aluminium-Paste Emailfritte auf Borsilikatglasbasis in einer Menge von 1 - Gew.-%, Bleiverbindungen in einer Menge von 1 - 5 Gew.-% und alpha-Terpineol in einer Menge von weniger als 20 Gew.-% enthalten sind. Wie die oben beschriebenen Silberpasten werden auch hier in dem erfindungsgemäßen Verfahren siebdruckfähige Aluminiumpasten eingesetzt. Dementsprechend müssen die Aluminiumpasten sich einerseits gut verdrucken lassen und andererseits auf den Oberflächen gut haften, so dass sie sich selektiv verdrucken lassen können und bei hohen
Temperaturen sich gut mit den Schichten des Wafers verbinden und eine gleichmäßige leitfähige Metallisierungsschicht ausbilden. Grundsätzlich werden Zur Herstellung von monokristallinen bzw.
multikristallinen Solarzellen typischerweise entsprechende Wafer aus massiven gezogenen Siliziumstäben, respektive aus gegossenen
Siliziumblöcken, per Drahtsäge herausgeschnitten (Dietl J., Helmreich D., Sirtl E., Crystals : Growth, Properties and Applications, Vol. 5 Springer Verlag 1981 , S. 57 und 73). Eine Ausnahme davon bildet das nach dem EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth) gezogene Silizium (Wald, F. V.; Crystals : Growth, Properties and Applications, Vol. 5 Springer Verlag 1981 , S 157).
Zur Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field (LBSF) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können entsprechend hergestellte monokristalline bzw. polykristalline Siliziumwafer eingesetzt werden, die wiederum mit Bor dotiert sein können [p-type Silizium, 5" size (125 x 125 mm, D 150 mm), thickness 200 - 260 μητι, resistivity 1 ,0 - 1 ,5 Q.cm].
Die Wafer werden üblicherweise aus mono- oder polykristallinen
Siliziumstäben gesägt. Die so erhaltenen gesägten monokristallinen bzw. multikristallinen Siliziumwafer haben eine raue Oberfläche. Diese Rauigkeit wird auch als Sägeschaden bezeichnet, wobei die Rautiefen von ca. 20-30 pm betragen. Diese Unterschiede in der Oberflächenebene sind für die weitere Herstellung von leistungsfähigen Solarzellen nachteilig. Daher erfolgt vor der weiteren Verarbeitung der Wafer zu Solarzellen, insbesondere aber für die Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrades, ist eine
sogenannte Sägeschadenätzung (engl. Damage Etch). Bei dieser
Sägeschadenätzung werden, neben der eigentlich beabsichtigten Entfernung des Sägeschadens (sehr stark geschädigte Oberflächenregionen des Wafers mit mehreren pm Tiefe) , in den Gräben der Oberfläche befindliche Kontaminationen entfernt. Hierbei handelt es sich insbesondere um
Metallabrieb vom Sägedraht, aber auch um Schleifmittelspuren. Die
Sägeschadenätzung wird typischerweise in einer ca. 30 %-igen Kali- oder Natronlauge bei Temperaturen von etwa 70 °C, vorzugsweise höher, insbesondere bei 90 °C, durchgeführt. Bedingt durch die auch unter diesen Bedingungen relativ niedrigen Ätzraten von ca. 2 pm/min können Ätzzeiten von 10 min und gegebenenfalls länger notwendig sein, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Üblicherweise wird auf diese Weise beidseitig des Wafers eine Si-Schicht von etwa 7 μιη Dicke entfernt.
Durch diese Ätzung wird eine zwar auf dem Substrat eine raue Oberfläche erzeugt, aber die dabei an der Oberfläche erzielten Öffnungswinkel sind sehr flach und für eine Reflexionsminderung oder gar Mehrfachreflexion an der Oberfläche völlig ungeeignet. Solche Reflexions-Effekte sind aber zur Erzielung hoher Wirkungsgrade der Zellen erwünscht. Eine Vielzahl von Veröffentlichungen und Patenten beschäftigt sich daher mit der
Reflexionsminderung an Solarzellen jeglichen Typs z. B. auch für amorphe Solarzellen (US 4,252,865 A).
Abbildunqsliste:
Abb. 1: Verfahrensvariante A eines Standardverfahrens zur Herstellung von Solarzellen mit LBSF
Abb. 2: Verfahrensvariante B eines Standardverfahrens zur Herstellung von Solarzellen mit LBSF
Abb. 3: Verfahrensvariante C eines neueren Verfahrens zur Herstellung von Solarzellen mit LBSF
Abb. 4: Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens D, umfassend 6
Verfahrensschritte (Öffnen der Passivierungsschicht mit Ätzpaste)
Abb. 5: Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens E, umfassend 6
Verfahrensschritte (Öffnen der Passivierungsschicht mit Laser)
Abb. 6: Vergleichsbilder von unbehandelter Oberfläche und behandelter
Oberfläche, Wirkung der erfindungsgemäßen Ätzpasten auf Siliziumoberflächen
Abb. 7: Oberflächenprofil der geätzten Rückseite des Wafers,
Profilmessung der Oberflächenrauhigkeit von rechts nach links (von unbehandelter Seite nach geätzer Seite)
Abb. 8: REM Aufnahmen der Oberfläche des unbehandelten Wafers vor dem erfindungsgemäßen Prozess
Abb. 9: REM Aufnahmen der Oberfläche des Wafers nach dem
erfindungsgemäßen Prozess unter Verwendung der
erfindungsgemäßen Ätzpaste
Abb. 10: Detailskizze für den Schablonendruck der Ätzpaste auf die
Rückseite des Wafers (mit Bemaßung) Abb.11 : Detailskizze (Seitenansicht Randbereich) zur aufgedruckten Paste vor dem Heizschritt. Pastenabstand zum Rand nach dem Druck ca. 100μπι.
Abb. 12: Detailskizze (Seitenansicht Randbereich) zur aufgedruckten Paste nach dem Heizschritt. Paste ist bis zum Rand verlaufen.
In der weiteren Beschreibung werden zum besseren Verständnis und zur Verdeutlichung der Erfindung Beispiele für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit LBSF und die darin verwendeten
Ätzpasten gegeben, die im Rahmen des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen. Diese Beispiele dienen auch zur Veranschaulichung möglicher Verfahrensvarianten bzw. möglicher Variationen von geeigneten Pastenzusammensetzungen für den Ätzschritt. Aufgrund der allgemeinen Gültigkeit des beschriebenen Erfindungsprinzips sind die Beispiele jedoch nicht geeignet, den Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nur auf diese zu reduzieren.
Die in den Beispielen und der Beschreibung sowie in den Ansprüchen gegebenen Temperaturen gelten immer in °C. Wo nicht anders bezeichnet sind Gehaltsangaben als Gew.-% bzw. Gewichtsverhältnisse aufgeführt.
Weiterhin versteht es sich für den Fachmann von selbst, dass sich sowohl in den gegebenen Beispielen als auch in der übrigen Beschreibung die in den Zusammensetzungen enthaltenen Komponentenmengen in der Summe immer nur zu 100 Gewichts-, mol- oder Volumen-% bezogen auf die
Gesamtzusammensetzung aufaddieren und nicht darüber hinausgehen können, auch wenn sich aus den angegebenen Prozentbereichen höhere Werte ergeben könnten. Sofern nichts anderes angegeben ist, gelten %- Angaben als Gew.-%, mit Ausnahme von Verhältnissen, die in
Volumenangaben wiedergegeben sind.
Herstellung erfindunqsgemäßer Solarzellen:
Üblicherweise wird eine Reflexionsminderung von Solarzellen durch eine Texturierung mit einer alkalischen Lösung, bevorzugt aus einer KOH-Lösung und Isopropanol, oder mit einer sauren Lösung, bestehend aus einem
Säuregemisch aus HF und HNO3 erzielt.
Nach erfolgter Texturierung erfolgt eine Oberflächenreinigung mit
säurehaltigen, wässrigen Lösungen, mit heißem demineralisiertem Wasser oder auch Behandlung im Heizofen in der folgenden Reihenfolge:
HF, HCl, HF, heißes demineralisiertes Wasser, HF, Behandlung im Heizofen
Nach der Reinigung der Oberfläche des Wafers wird in einem
Diffusionsschritt der einstufige Emitter gebildet. Es handelt sich dabei um eine Batch-Verfahren, worin innerhalb von etwa einer Stunde, vorzugsweise innerhalb von etwa 40 Minuten bei einer Temperatur von höher 800 °C, maximal bei 895 °C die Oberfläche des Wafers mit Phosphor dotiert wird. Zur Dotierung wird flüssiges POCI3 eingesetzt. Nach etwa 40 Minuten ist die gewünschte Leitfähigkeit von etwa 65 Ohm/sq erreicht.
Unter Verwendung einer alkalischen Ätzpaste, wird die Rückseitenpolitur und die Rückseitenkantenisolation in einem Prozessschritt durchgeführt. Hierbei wird die Ätzpaste im Schablonendruck aufgetragen. Für den Ätzschritt wird eine KOH-haltige Ätzpaste verwendet. Der Auftrag der Paste kann mit einer Siebdruckmaschine, (z.B. geeignetes Gerät von Baccini, Druckkontrolle mit vier Kameras) erfolgen. Zum Verdrucken der Ätzpasten kann beispielsweise ein Schablone der Firma Koenen mit der Schablonendicke 500pm eingesetzt werden. Die Paste konnte sehr gut mit einem Stahl-Rakel verdruckt werden. Für das Pastendrucken wurden folgende Parameter eingestellt: kein
Absprung; Druckgeschwindigkeit: 150 mm/s. Die Ätzpaste wird mit einer Abstand von 200μιη vom Rand des Wafers ganzflächig aufgetragen (siehe Skizze von Abb. 10). Zum Ätzen wird der bedruckte Wafer für eine Dauer von etwa 5 Minuten auf eine Temperatur bis zu 150°C erhitzt wodurch die Ätzpaste aktiviert wird. Hierfür wurde ein Bandofen verwendet. Der Ofen ist in vier Heizzonen eingeteilt. Die Zone 1 ist auf 250°C eingestellt, Zone 2 auf 200°C, Zone 3 auf 150°C und Zone 4 auf 150°C. Die Bandgeschwindigkeit beträgt 51cm/min. Der geätzte Wafer wird nun mit einer Inline Reinigungsanlage von Rena gereinigt. Die Reinigung erfolgt in zwei Stufen. In der ersten Stufe wird der Wafer in einem Durchlauf-Ultraschallbad (2 x 500W, 40kHz) behandelt, in der zweiten Stufe beidseitig mit einem
Wasserstrahl gereinigt und anschließend getrocknet (Druckluft).
PSG Glas-Ätzung und nasschemische Oberflächenreinigung wird mit HF, heißem demineralisiertem Wasser und nochmals mit HF durchgeführt. Auf der Rückseite wird eine dünne Schicht von 20nm Dicke von thermischem S1O2 abgeschieden. Danach wird auf der Vorderseite und auf der Rückseite 90nm LPCVD SiNx abgeschieden.
Die beidseitige LPCVD SiNx- Abscheidung erfolgt bei bis 790°C.
Die Prozessdauer zur Abscheidung einer Schichtdicke von 90 nm beträgt etwa 2 Stunden. Als Reaktionsgase zur Si3N4-Abscheidung werden
Dichlorsilan and NH3 verwendet.
Anschließend wird auf die Rückseite des Wafers ein Punktlayout mit ca 90000 Punkten gedruckt (Durchmesser von ca. 100μιτι und 500μηι
Abstand). Der Auftrag der Paste kann mit einer Siebdruckmaschine, erfolgen. Zum Verdrucken der Ätzpasten kann beispielsweise ein Sieb der Firma Koenen mit der Spezifikation 280 mesh/inch und einem Drahtdurchmesser von 25μ/τι eingesetzt werden. Der Bespannungswinkel des Siebes beträgt vorzugsweise 22,4°. Als Siebemulsion wird der Typ Azokol Z130 von Kissel & Wolf verwendet. Die Paste kann sehr gut mit einem Diamant-Rakel und 80 shore Rakelhärte verdruckt werden.
Dabei werden für das Drucken der Paste folgende Parameter eingestellt: Absprung: 1 ,2mm;
Druck: 70 N;
Geschwindigkeit: 150 mm/s.
Zum Ätzen wird der bedruckte Wafer für eine Dauer von etwa 5 Minuten auf eine Temperatur von bis zu 400°C erhitzt, wodurch die Ätzpaste aktiviert wird. Hierfür wird ein Bandofen verwendet. Der Ofen ist in vier Heizzonen eingeteilt. Die Zone 1 ist auf 550°C eingestellt, Zone 2 auf 400°C, Zone 3 auf 400°C und Zone 4 auf 300° C. Die Bandgeschwindigkeit beträgt 51 cm/min. Der geätzte Wafer wird nun mit einer Inline Reinigungsanlage
(beispielsweise von der Firma Rena) gereinigt. Die Reinigung erfolgt in zwei Stufen. In der ersten Stufe wird der Wafer in einem Durchlauf-Ultraschallbad (2 x 500W, 40kHz) behandelt und in der zweiten Stufe beidseitig mit einem Wasserstrahl gereinigt und anschließend getrocknet, beispielsweise mit Druckluft.
Die Herstellung der erforderlichen Rückseitenkontakte kann unter den folgenden Bedingungen durchgeführt werden:
Der Auftrag der Paste kann mit einer Siebdruckmaschine erfolgen Hierbei ist es vorteilhaft, das Druckergebnis kontinuierlich zu kontrollieren. In der für die Versuche eingesetzten Anlage erfolgt die Kontrolle mit vier Kameras.
Standardmäßig wird mit Ag/Al-Paste gearbeitet. Für den beschriebenen Prozess wurde in den Versuchen eine entsprechende Paste der Firma DuPont, PV 502, verwendet. Zum Verdrucken der Paste kann beispielsweise ein Sieb der Firma Koenen mit der Spezifikation 230 mesh/inch und einem Drahtdurchmesser von 36μητι eingesetzt werden. Der Bespannungswinkel des Siebes beträgt vorzugsweise 45°. Als Siebemulsion kann der Typ ISAR von Koenen verwendet werden. Hierbei hat sich herausgestellt, dass die verwendete Paste mit einem Diamant-Rakel und 60 shore Rakelhärte sehr gut verdruckt werden kann.
Für das Drucken der Pasten haben sich folgende Parametereinstellungen als vorteilhaft erwiesen:
Absprung: 1 ,2mm;
Druck: 70 N;
Geschwindigkeit: 150 mm/s.
Mit der Ag/Al Paste werden zwei Busbars mit den Abmessunge von 5 mm x 124mm auf die Rückseite gedruckt. Die gedruckte Pastendicke beträgt ca. 15 μητι. Zum Trocknen wird der bedruckte Wafer für eine Dauer von etwa 3 Minuten auf bis zu 200°C erwärmt. Hierfür kann ein Bandofen verwendet werden.
Aluminum LBSF Kontakt:
Der Auftrag der Paste erfolgt mit einer Siebdruckmaschine, welche unter dem Namen„Baccini printer" (mit vier Kameras) gehandelt wird. Für den beschriebenen Prozess wird die Aluminium Paste Solamet® PV36x
(Leitpasten für Local-Back-Surface-Field-Solarzellen der Firma DuPont) verwendet. Zum Verdrucken der Paste wird ein Sieb der Firma Koenen mit der Spezifikation 330 mesh/inch und einem Drahtdurchmesser von 34pm eingesetzt. Der Bespannungswinkel des Siebes beträgt für diesen Zweck vorzugsweise 45°. Als Siebemulsion wird eine Emulsion des Typs ISAR von Koenen verwendet. Die eingesetzte Paste lässt sich mit einem Diamant- Rakel und 60 shore Rakelhärte sehr gut verdrucken. In diesem Fall haben sich folgende Parametereinstellung als vorteilhaft erwiesen: Absprung:
1 ,2mm; Druck: 70 N; Geschwindigkeit: 150 mm/s. Mit der Standard-AI-Paste wird die gesamte Rückseite bedruckt. Vorzugsweise beträgt die gedruckte Dicke der Pasten ca. 22pm, wobei die aufgetragene Menge an Paste etwa 2,64mg/cm2 beträgt. Zum Trocknen wird der bedruckte Wafer für eine Dauer von etwa 3 Minuten auf bis zu 290°C erwärmt. Dieses erfolgt in einem Bandofen.
Vorderseitenkontakt (Linien):
Der Auftrag der Paste erfolgt mit einer Siebdruckmaschine, welche unter dem Namen„Baccini printer" (mit vier Kameras) gehandelt wird. Für den beschriebenen Prozess wird beispielhaft die Silber Paste PV 145 der Firma DuPont Comp verwendet. Zum Verdrucken der Paste wird ein Sieb der Firma Koenen mit der Spezifikation 280 mesh/inch und einem
Drahtdurchmesser von 25pm eingesetzt. Der Bespannungswinkel des Siebes beträgt 22,5°. Als Siebemulsion wird in diesem Fall der Typ ISAR der Firma Koenen verwendet. Die Paste lässt sich mit einem Diamant-Rakel und 60 shore Rakelhärte sehr gut verdrucken. Für das Drucken der Pasten haben sich unter den getesteten Bedingungen folgende
Parametereinstellungen als geeignet ergeben:
Absprung: 1 ,2mm;
Druck: 70 N;
Geschwindigkeit: 160 mm/s.
Mit der Silber Paste wird das Forderseitenlayout mit 2 Busbars und Finger gedruckt. Die Linienbreite beträgt 80pm und der Abstand zwischen den Fingern liegt bei 1 ,7mm. Die Breite der Hauptbusbars beträgt 2mm. Die gedruckte Pastendicke beträgt etwa 20pm. Zum Trocknen wird der bedruckte Wafer für eine Dauer von etwa 3 Minuten auf eine Temperatur bis zu 290°C erwärmt. Hierfür kann ein Bandofen verwendet werden. Brennbedingungen:
- Die mit Metallpaste bedruckten Siliziumwafer werden durch einen IR- Bandofen transportiert und hierbei maximal bis auf eine Temperatur von 880°C erhitzt und ausgeheizt (gefeuert). Dieser Temperaturschritt dient sowohl zum Ausbrennen der organischen Pastenkomponenten als auch zum Sintern und Aufschmelzen der Metallpartikel und der Glasfritteanteile.
Hierdurch wird ein langzeitstabiler Oberflächenkontakt erzeugt (Stand der Technik: "Co-firing" und "ARC firing through"). Für das Ausbrennen kann im beschriebenen Prozess ein Bandofen mit 7 Zonen verwendet werden, wobei sich folgendes Temperaturprofil als vorteilhaft erwiesen hat: 250-350-400- 480-560-560-880°C bei einer Bandgeschwindigkeit von 1,5 m/min.
Eigenschaften der LBSF Zelle:
Die Charakterisierung der hergestellten Solarzellen wird mittels Sonnenlichtsimulator (Xe Lampe) bei Standard Bedingungen (STC. 1000W/sqm, AM1.5, Temperatur: 25°C) durchgeführt. Dabei haben sich für die modellhaft hergestellte Zelle folgende Messwerte ergeben:
Figure imgf000025_0001
Die Messungen zeigen, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens Solarzellen mit einstufigen selektiven Emittern mit um >0,4% gesteigertem Wirkungsgrad im Vergleich zu Wirkungsgraden von Standardsolarzellen hergestellt werden können.
Beispiele verwendeter Ätzpasten:
Beispiel 1
Zu einem Lösungsmittelgemisch bestehend aus
240 g Glycerin
64g Wasser wird unter starkem Rühren
116 g KOH
0,5g Polyvinylpyrrolidon zugegeben.
Die klare homogene Mischung wird nun mit 22g Ruß versetzt und für 2 Stunden nachgerührt.
Beispiel 2
Zu einem Lösungsmittelgemisch bestehend aus
210 g Polyethylenglycol
54g Wasser
werden unter starkem Rühren
88 g KOH
und
0,3g Carboxymethylcellulose zugegeben.
Die klare homogene Mischung wird nun mit 5g Ceridust (Polyethylenwax) versetzt und für 2 Stunden nachgerührt.
Beispiel 3
Zu einem Lösungsmittelgemisch bestehend aus
210 g 1 ,4- Butandiol
54g Wasser
werden unter starkem Rühren
98 g KOH
und
0,3g Carboxymethylcellulose zugegeben.
Die klare homogene Mischung wird nun mit 5g Ceridust 9202 F versetzt und für 2 Stunden nachgerührt.
Beispiel 4
Alternative Ätzpaste mit KOH
Zu einem Lösungsmittelgemisch bestehend aus 250 g KOH Lösung (60%)
520g Gamma-Butyrolacton
werden unter starkem Rühren
15g Carboxymethylcellulose zugegeben.
Die klare homogene Mischung wird nun mit 70 g Ceridust 9202 F versetzt und für 2 Stunden nachgerührt
Beispiel 5
Zu einem Lösungsmittelgemisch bestehend aus
240 g Glycerin
64g Wasser
werden unter starkem Rühren
70 g KOH,
50g NaOH
und
0,5g Polyvinylpyrrolidon zugegeben.
Die klare homogene Mischung wird nun mit 22g Ruß versetzt und für 2 Stunden nachgerührt.
Die nun gebrauchsfertige Paste kann mit einer Stahlschablone (siehe Abb. 10) oder einem Drucksieb mit Edelstahlgewebe (70mesh/inch und 50um Emulsionsdicke) verdruckt werden. Prinzipiell können auch andere
Siebgewebematerialien verwendet werden.
In Lagerversuchen hat sich die hergestellte Ätzpaste über lange Zeit unter Erhalt der vorteilhaften Ätzeigenschaften als lagerstabil erwiesen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit Local Back Surface Field (LBSF), dadurch gekennzeichnet, dass mit einer aufgedruckten
Ätzpaste eine Phosphor-Silicat-Glas-Schicht (PSG oder PSG-Schicht) und eine darunter liegende Silizium-Schicht in einem Ätzschritt geätzt werden und hierdurch die Rückseitenpolitur und die
Rückseitenkantenisolation mit Hilfe einer alkalischen Ätzpaste in einem Prozeßschritt erfolgen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Rückseitenpolitur und die Rückseitenkantenisolierung mittels einer alkalischen Ätzpaste erfolgt die als Ätzkomponente NaOH, KOH oder Gemische davon enthält, und die eine Phosphor-Silicat-Glas-Schicht (PSG oder PSG-Schicht) und eine darunter liegende Silizium-Schicht in einem Verfahrensschritt ätzt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnt, dass Kontaktfenster in den Rückseitenmultilayer (Passivierungsschicht und SiNx) des Wafers geätzt werden unter Verwendung einer sauren Ätzpaste, die eine besondere Selektivität gegenüber Siliziumschichten aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 , 2 oder 3 umfassend die Verfahrensschritte:
I. Texturierung der Oberfläche
II. Phosphordotierung (~65Q/sq Diffusion von POCI3
III. Ätzen der Rückseite mittels einer alkalischen Ätzpaste, wodurch die Oberfläche poliert wird und gleichzeitig der p-n Übergang getrennt wird, wobei das Drucken der Ätzpaste mit
Schablonendruck auf die Rückseite erfolgt, die Paste im Bandofen bei ca 150°C für 5min ativiert wird und anschließend der Wafer mit VE Wasser gespült wird, IV. Beschichtung der Rückseite mit SiO2 oder AI203
Passivierungsschicht mit einer dicke von 15-30nm und anschließende Beschichtung der Rückseite und Vorderseite mit Siliziumnitrid (70-1 OOnm) mittels„plasma enhanced chemical vapor deposition" (PECVD - SiNx)
V. Aufdrucken der Ätzpaste mit Siebdruck, heizen im Bandofen und spülen mit VE Wasser.
VI. Siebdruck zur Metallisierung der Oberfläche (Frontseite) und der Rückseite mit anschließendem Sintern (Cofiring).
5. Verwendung einer alkalischen Ätzpaste in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste die alkalische Ätzkomponente, ausgewählt aus der Gruppe NaOH, KOH und deren Gemische, in einer Menge von 5 bis 40 Gew.- % enthält.
6. Verwendung einer KOH-haltige Ätzpaste gemäß Anspruch 5,
enthaltend Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe Glycerin, Ethylenglycol, Polyethylenglycol, Octanol, 1 ,3-Propandiol, 1 ,4- Butandiol, Diethylenglykolmonomethylether,
Diethylenglykolmonoethylether, Dimethylsulfoxid und gamma- Butyrolacton, rein oder im Gemisch.
7. Verwendung einer KOH-haltige Ätzpaste gemäß der Ansprüche 5 oder 6, enthaltend mindestens einen nichtpartikulären Verdicker.
8. Verwendung einer KOH-haltige Ätzpaste gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, enthaltend einen nichtpartikulären Verdicker ausgewählt aus der Gruppe Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylate,
Carboxymethylcellulose und Hydroxypropylcellulose rein oder im Gemisch.
9. Verwendung einer KOH-haltige Ätzpaste gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, enthaltend einen partikulären Verdicker ausgewählt aus der Gruppe Ruß, Pyrogene Kieselsäure, Magnesium- Aluminium-Silikate und niedrigschmelzender Wachspartikel rein oder im Gemisch.
10. Verwendung einer KOH-haltige Ätzpaste gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, enthaltend Verdicker in einer Menge von 0,1 - 35 Gew.%.
11. Verwendung einer KOH-haltigen Ätzpaste in einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung von Solarzellen mit LBSF.
12. Verwendung einer Phosphorsäure-haltigen Ätzpaste in einem
Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung von Solarzellen mit LBSF zum Öffnen der
Rückseitenpassivierungsschicht.
PCT/EP2013/001544 2012-06-25 2013-05-24 Verfahren zur herstellung von solarzellen mit local back surface field (lbsf) WO2014000845A1 (de)

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