WO2014001107A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer solarzelle mit durch laser strukturierter metallschicht - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer solarzelle mit durch laser strukturierter metallschicht Download PDF

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WO2014001107A1
WO2014001107A1 PCT/EP2013/062430 EP2013062430W WO2014001107A1 WO 2014001107 A1 WO2014001107 A1 WO 2014001107A1 EP 2013062430 W EP2013062430 W EP 2013062430W WO 2014001107 A1 WO2014001107 A1 WO 2014001107A1
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cell substrate
laser
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PCT/EP2013/062430
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Barbara Terheiden
Johannes Boneberg
Stephen RIEDEL
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Universität Konstanz
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
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    • H01L21/26—Bombardment with radiation
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a solar cell, in which a metal layer is patterned by irradiation of laser light.
  • the invention further relates to a suitably producible solar cell.
  • the invention relates to an apparatus for producing a metal structure on a solar cell substrate for a solar cell.
  • Solar cells serve as photovoltaic elements to convert light into electricity
  • charge carrier pairs which are generated by absorption of injected light, are spatially separated within a semiconductor substrate by means of a potential difference caused, for example, by a pn junction.
  • Semiconductor substrate usually provided with a metal structure. A portion of this metal structure contacts the base of the semiconductor substrate, whereas another portion of the metal structure contacts the emitter of the semiconductor substrate.
  • the metal contacts are formed such that only a small part of the surface of the semiconductor substrate is covered by metal.
  • the emitter contact is usually formed in the form of a plurality of narrow elongate and mutually parallel contact fingers.
  • the goal is to make the contact fingers as narrow as possible and to arrange them with the greatest possible distance between adjacent contact fingers in order to reduce shading losses.
  • the contact fingers must not be too narrow and the distance between
  • the emitter and base contacts are often arranged in the form of combs in the form of interdigitated contacts (interdigitated contacts) .
  • interdigitated contacts A compromise must also be made in the arrangement of the contacts, in particular losses of series resistance low and at the same time also recombination losses due to the metal-coated
  • Metal structures in solar cells can also be used for other purposes. For example, during the production of the solar cell targeted portions of the surface of the semiconductor substrate may be covered with metal to protect these portions in subsequent steps, for example, as an etching mask against the influence of aggressive etching media.
  • metal structures on solar cell substrates are usually produced either by depositing metal directly onto the surface of the substrate with a predetermined pattern, or by initially applying metal over the entire surface of the substrate surface and then partially removing it locally.
  • a metal structure serving as a metal contact is usually applied by means of screen printing technologies in which a metal-containing paste is passed through a suitably structured sieve on the
  • Substrate surface is printed and then fired.
  • metal may be vapor deposited or sputtered onto the substrate surface through appropriately formed masks. In both methods, however, due to technical
  • Restrictions usually a minimum feature width of about 50 ⁇ are hardly exceeded, so that to prevent excessive Abschattungspoleen the distance between adjacent metal fingers must be chosen sufficiently large, but this can lead to an increase in series resistance losses.
  • metal structures can be created by targeted local removal of parts of a previously over-allotted deposited metal layer.
  • removing parts can be predefined lithographically and then etched away.
  • parts of the metal layer applied over the entire area can be locally evaporated by means of a laser.
  • a serious disadvantage of such processes is that part of the previously deposited and often expensive metal is lost in local removal from the substrate surface.
  • the labor and material costs for lithography processes for predefining areas of the metal layer to be etched away are high. For local evaporation of portions of the metal layer by laser high laser energies must be provided and the vaporized metal must be sucked off and disposed of.
  • a method of manufacturing a solar cell is described.
  • the method may include, but not limited to, others
  • a metal layer is deposited on a surface provided on a provided solar cell substrate on a surface.
  • the metal layer has a thickness of less than 5 ⁇ , preferably less than 0.5 ⁇ and more preferably less than 0.2 ⁇ .
  • parts of the applied metal layer designated as the exposure sub-area are intensively illuminated with light in such a way that substantially no metal evaporates, but the metal layer melts locally in the area of the exposure sub-area for a short time over its entire thickness.
  • Adjacent parts of the metal layer, referred to as the web portion are neither intended to melt nor evaporate.
  • the exposure sub-area should in this case have a width of less than ⁇ , preferably less than 20 ⁇ and for example less than ⁇ and further, for example, less than 0.5 ⁇ .
  • a solar cell is described, as can be produced in particular by the method according to the first aspect of the invention.
  • the solar cell has a solar cell substrate and metal structures on a surface of the solar cell substrate.
  • the coarse metal structures usually produced by screen printing with elongated Metallfmgern or by lithography produced fine metal structures usually in the form of
  • the metal structures of the solar cell according to the invention on a plurality of elongated metallic webs which have a width in the range of between 50nm and ⁇ , preferably between lOOnm and 3 ⁇ , in particular less than 0.5 ⁇ , with a distance between adjacent webs in the range of between 100 nm and 50 ⁇ m, preferably between 200 nm and 20 ⁇ m, in particular less than 1 ⁇ m.
  • the distance between adjacent lands in the range of between 0.5 ⁇ and 50 ⁇ , preferably between ⁇ and 20 ⁇ lie.
  • an apparatus for producing a metal structure on a solar cell substrate for a solar cell has a holding device for holding the solar cell substrate and a laser arrangement with a laser light source for generating at least two mutually coherent ones
  • Solar cell substrates are formed on interference patterns.
  • the laser arrangement is designed in such a way that in light-intensive exposure sub-areas of the interference pattern, the illumination of a metal layer deposited on the solar cell substrate is not so intense that metal of the metal layer evaporates in substantial amounts, but is sufficiently intense that the metal layer in the area of the exposure sub-surfaces briefly over their entire thickness melts locally, whereas at least one adjacent web portion of the metal layer neither melts nor evaporates.
  • the molten metal layer may at least partially retreat from the region of the exposure sub-surface, wherein the associated metal can attach to the laterally adjacent, unmelted web part surface.
  • Exposure sub-area can thus create an area in which the previously covered with metal surface of the solar cell substrate is exposed.
  • Dewetting effects can thus be used to structure the previously deposited metal layer in such a way that at least in parts of the exposure sub-surface then no metal remains, whereas in the adjacent web portions at least partially metal is accumulated with a thickness greater than the thickness of the originally deposited sheet metal layer. This way can be very fine
  • Metal structures with, for example structure widths in the range of a few microns or even in the sub-micron range can be generated, so that on the one hand Abschattungste can be minimized and on the other hand, series resistance losses can be kept low.
  • the metal structure made possible in this way due to its small structural widths, may also be suitable as a texture for the solar cell, in order to better illuminate light radiated with its aid onto the exposed areas of the surface of the solar cell
  • Lead solar cell substrate and there to improve the light coupling e.g. by extension of the optical path due to diffraction at the periodic metal structure or due to plasmonic effects.
  • Metal structure can be used as an etching mask due to their small feature sizes, for example, to locally etch the exposed areas of the solar cell substrate surface and there, for example, to remove a previously generated emitter or reduce its thickness.
  • the solar cell substrate provided for the manufacturing method may be any one of a semiconductor material suitable for solar cell manufacturing such as
  • the solar cell substrate may be a wafer or a thin film substrate.
  • differently doped regions for example p-doped and n-doped regions, may have been produced prior to the deposition of the metal layer, wherein a portion of the metal structures to be produced as electrodes for a first region type, for example an emitter region, and another part of the metal structures to be generated can serve as electrodes for a second region type, for example a base region.
  • the solar cell substrate may also be a carrier substrate of an electrically insulating material such as, for example, glass or plastic, in particular polymer material, wherein after deposition and patterning of the metal layer on the carrier substrate one or more further layers of semiconductor material or nanoparticles can be deposited, in which the emitter regions and base regions of the solar cell are in the form of thin layers.
  • the solar cell substrate may in particular consist of a transparent electrically insulating material, so that the solar cell substrate provided with the structured metal layer can serve as a protective covering layer for the thin-film solar cell formed thereunder in later use.
  • the solar cell substrate may be provided as a thin glass layer having a thickness of less than 5mm, preferably less than 3mm.
  • the solar cell substrate may be provided as a plastic plate or more preferably as a plastic film. Especially such
  • Plastic substrates can be provided very inexpensively.
  • a structured metal layer can be deposited well on such glass or plastic substrates using the method described, in particular since no long-lasting high processing temperatures occur during the deposition and illumination of the metal layer.
  • Deposition temperatures of, for example, less than 400 ° C are deposited so that there is no damage to the previously generated metal structures.
  • Solar cell substrate is damaged.
  • temperature-sensitive solar cell substrates made of plastic can also be coated.
  • the surface of the solar cell substrate may be flat or textured.
  • layers of other semiconductive or insulating materials may be applied and, for example, as antireflection layers or
  • the metal layer to be deposited on the surface of the solar cell substrate can be produced by various deposition methods. For example, a
  • Metal layer vapor-deposited, sputtered or deposited in any other way.
  • the metal layer is deposited in a planar manner so that a surface of the solar cell substrate, such as, for example, its front side surface, is covered in large areas or preferably over its entire surface with metal.
  • the thickness of the metal layer should be less than 5 ⁇ and preferably less than 1 ⁇ . It is believed that the thinner the metal layer, the better the thickness of the dewaxing process that provides for the formation of the ultimately non-metal covered exposed areas of the solar cell substrate
  • Metal layer does not fall below a minimum thickness of, for example 20nm.
  • the thickest possible metal layer in order to increase the thickness of the metal contacts ultimately to be produced and thus their thickness
  • the metal layer may be coated with various metals such as nickel (Ni), copper (Cu), titanium (Ti), palladium (Pd), silver (Ag), aluminum (Al), gold (Au) and / or chromium (Cr ) or a combination of such metals
  • the surface-deposited metal layer is then at least in partial areas, which are referred to as exposure sub-area so intense with light, preferably laser light, lit that it melts locally over its entire thickness, but without significantly evaporating metal. In this case, it should not be ruled out that partial areas away from the exposure area are also illuminated; however, that's enough
  • Exposure intensity in these areas is not sufficient to completely melt the metal layer.
  • no Metal evaporates may be understood as meaning that no metal or at least at most one portion of the metal layer negligible relative to the original thickness of the metal layer evaporates, for example, less than 50%, preferably less than 10% of that originally contained in the metal layer at that location metal.
  • light may be generated as a laser pulse having a pulse duration of less than 100ns, preferably less than 50ns, and more preferably less than 20ns. It has been observed that such short laser pulses can be sufficient to melt the metal layer locally over its entire thickness and to initiate the desired dewetting process. It was observed that the melting and
  • Dewetting process can proceed more reliably, the shorter the laser pulse is selected, within which the energy necessary for melting is introduced locally into the metal layer.
  • the pulse duration should not fall below a lower limit of, for example, 1 ns in order to prevent material from evaporating.
  • a laser light source which is designed to irradiate light with a suitable intensity, wavelength and pulse duration onto the metal layer deposited on the solar cell substrate, so that local melting takes place.
  • Typical laser light sources which can be used for this purpose are Nd: YAG lasers, for example with an injection seed and preferably with a top hat profile.
  • Nd YAG lasers
  • feeding a suitable wavelength causes the laser to oscillate only at this wavelength.
  • a top-hat profile usually becomes one
  • Laser light source may be designed to emit short laser pulses at a repetition rate in the range of 10 Hz to 200 kHz, each of which pulses may have an energy of preferably more than 1 J.
  • the metal layer deposited on the entire surface of the solar cell substrate it can be subdivided into a plurality of exposure sub-areas and the exposure sub-areas illuminated in succession.
  • each of the pulses may have an energy of preferably more than 1 J.
  • exposure sub-areas may be exposed to only a single laser pulse before the solar cell substrate and the laser beams emitted by the laser light source are displaced in a direction transverse to the laser beams relative to one another to sequentially scan the entire metal layer in a sequential manner. It was observed that a single laser pulse can be sufficient to trigger the desired local melting and dewetting process.
  • each of the exposure sub-areas may be consecutive with multiple
  • the successive laser pulses used for a single exposure sub-area can be identical in terms of their nature and intensity. However, it is also possible to use different laser pulses, for example for a first melting and then for supporting the Entnetzungsvorgangs.
  • Illuminating light relative to each other transversely with respect to a direction of illumination to be displaced wherein the displacement during illumination and / or preferably between two temporally successive illumination can take place.
  • the solar cell substrate can be displaced continuously or stepwise along a displacement path by means of a movable holding device.
  • the illumination light can be displaced along the surface of the metal layer by suitable optics, which for example contain a controllably displaceable mirror.
  • a so-called web part surface can be arranged between two adjacent exposure sub-areas, with a width of less than .mu.m, preferably less than .mu.m, and more preferably less than 0.3 .mu.m.
  • the web portions of the metal layer are neither melted nor evaporated during the lighting process, so that at least in these subregions metal remains on the surface of the solar cell substrate.
  • the metal originally present there can displace into edge regions of the web part surfaces, driven by the surface tension of the molten metal, and then solidify on cooling there.
  • the final width of the metal-covered elongate areas of the surface of the solar cell substrate may therefore be wider than the width of the non-remelted web portions.
  • the exposure subfaces may, but need not, be elongated and extend over almost the entire length of the solar cell substrate, such that the post-exposure area of the solar cell substrate extends beyond
  • Entnetzen remaining web portions form elongated fingers.
  • the elongated fingers can form metallic electrodes for the solar cell, which can dissipate current generated in the solar cell with low electrical resistances and which shade the surface of the solar cell only minimally.
  • a plurality of exposure subareas can be exposed in such a way by local illumination, the web subareas remaining between the exposure subareas become net-like Structure with longitudinally extending web part surface portions and with in
  • Such a net-like metal structure can also form an electrode for a solar cell.
  • the reticulated metal structure also has transversely extending web partial areas, it is possible to avoid a significant increase in series resistances occurring in the metal electrode when an interruption of a longitudinal web partial area occurs, as might be the case exclusively in the longitudinal direction extending electrode fingers.
  • the metallic web part surfaces can be cleverly designed with respect to their geometry and arrangement, so that, for example, incident light reflected from the metallic web part surfaces finally reaches the absorber of the solar cell after a return reflection, for example to overlying layers.
  • plasmonic effects can assist in the absorption of light in the solar cell, in particular in the case of very finely formed metallic web partial surfaces with dimensions of a few micrometers or in the sub-micron range.
  • a plurality of exposure sub-areas can be exposed by local illumination in such a way that the web subareas remaining between the exposure subareas are dimensioned in such a way, for example, with feature widths of less than 1 ⁇ that occurring plasmonic effects to increased optical
  • Silicon solar cells important spectral range of 300nm to 1100, through the web parts pass through.
  • the exposure subregions can be predetermined by an interference pattern that can be generated by superposing a plurality of laser beams and that can produce very fine structures.
  • an interference pattern that can be generated by superposing a plurality of laser beams and that can produce very fine structures.
  • judicious choice of a period of the interference pattern and an energy density of a laser pulse, or at multiple exposures of energy density and repetition rate can create periodic metal structures on a surface in combination with a underlying semiconductor layer in certain wavelength ranges to a higher optical transmission through the metallic Grid and thus lead to increased absorption in the semiconductor layer, as would be calculated after an area coverage of the metal.
  • the range of the increased absorption can be adjusted in a targeted manner by varying the period of the interference pattern.
  • absorber layers with multiple or broader absorption maxima by means of more complex interference patterns with several periods in different directions.
  • metallic grid generated in this way can be given an optical functionality.
  • structure periods in the range of light wavelengths should be used
  • This area is next to the visible range. This area is next to the visible range.
  • Metal contacts were specifically dimensioned such that adjust advantageous plasmonic effects.
  • the periods of currently used Siebdruckressmaschineen lie on the other hand, in the size range of millimeters and thus do not allow any induced by plasmonic effect increase in transmission.
  • the metallic webs of the solar cell thus produced in the vicinity of their lateral edges have a greater thickness than in their midst, which should be significantly different from conventional metal contacts this metallic webs.
  • Exposure sub-areas the light intensity sufficiently large to locally melt the metal layer for a short time, but not to evaporate.
  • Laser light intensity alternate with lines of low laser light intensity.
  • Behartungsteil vom it can thus lead to melting and Entnetzungsreaen in, for example, linear areas, so that simultaneously several parallel exposure sub-surfaces of metal are released, whereas in the
  • Each one of the obtrusive sub-areas can have a width of less than ⁇ or even less than Have ⁇ and the web portions may each have a width of less than ⁇ or even less than 0,5 ⁇ .
  • the interference pattern extends over a much larger area and may include a plurality of exposure and web portions, so that a relatively large area of the entire metal layer surface can already be illuminated and thus structured with a single exposure process. For example, when using suitable optics for the overlaid
  • Laser beams and use of suitable strong laser light sources an interference pattern over areas of, for example, several square millimeters or even more
  • This interference pattern can be successively shifted over the entire surface of the metal layer in order to completely structure it. Ideally, even the entire metal layer can be illuminated and patterned simultaneously with a single interference pattern.
  • the metal structures produced by the method described above as contacts for a solar cell, it may be advantageous to specifically thicken the originally thinly applied and subsequently structured metal layer in order to increase its electrical conductivity.
  • the lighting remaining, covered with metal web portions can be thickened by plating on more metal.
  • the remaining after the lighting metallic land areas can as
  • Seed layers are used for printed conductors of the electrical contacts to be generated. These seed layers can, for example, be electrically contacted and then supplemented by galvanic plating with further metal. Alternatively, the
  • Sowing layers are thickened by electroless plating with more metal.
  • an etching step may be carried out in which the
  • Solar cell substrate is brought into contact with a gaseous or liquid etching fluid.
  • the remaining metal-covered web portions can be used as an etching mask for Serving protection of underlying areas of the solar cell substrate against the etching fluid. Since the web portions as described above, for example, using
  • Interference patterns can be generated quickly and with very small feature sizes, this results in a way to easily and quickly finely structured
  • FIG. 1 shows an apparatus for producing a metal structure for a solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows a top view of a solar cell substrate which has been partially processed by a method according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 3 (a) - (c) show sectional views through a solar cell substrate for
  • FIG. 1 schematically shows a device 1 for producing a metal structure on a solar cell substrate 3 according to an embodiment of the present invention.
  • the device 1 has a holding device 5 for holding the solar cell substrate 3 and a laser arrangement 7.
  • the laser arrangement 7 comprises a laser light source 9 which, in the illustrated example, comprises a laser 11 and a semitransparent mirror 13 in order in this way to generate two mutually coherent laser beams 15, 17.
  • a beam coming from the laser 11 is divided into two partial laser beams 15, 17.
  • the laser arrangement 7 further comprises an optical system 19, which in the example illustrated is designed as a mirror 21 in order to direct the two laser beams 15, 17 onto a surface 23 of the solar cell substrate 3 in such a way that an interference pattern forms there.
  • the laser 11 used is an Nd: YAG laser capable of generating nanosecond pulses with pulse durations in the range of 8 to 20 at pulse energies of 500 mJ and a wavelength of 532 nm.
  • the holding device 5 is designed in such a way that, with its aid, the solar cell substrate 3 can be displaced in an xy plane relative to the laser beams 15, 17 originating from the laser arrangement 7, so that the interference pattern is moved successively over the entire surface 23 of the solar cell substrate 3 can and in this way the whole Solar cell substrate 3 can be provided with a structured metal layer.
  • the laser light source 9 and the optics 19 are designed in such a way that, with its aid, the solar cell substrate 3 can be displaced in an xy plane relative to the laser beams 15, 17 originating from the laser arrangement 7, so that the interference pattern is moved successively over the entire surface 23 of the solar cell substrate 3 can and in this way the whole Solar cell substrate 3 can be provided with a structured metal layer.
  • the entire manufacturing process may include further process steps, such as a diffusion process step to produce an emitter, for example
  • Antireflection layers or passivation layers can serve different purposes
  • a metal layer 29 is formed over the whole area by being vapor-deposited, for example, with a constant thickness of 1 ⁇ m.
  • the thus prepared solar cell substrate 3 is then, as shown in Figure 3 (b), partially illuminated with light 31.
  • the light 31 is part of a line-like interference pattern 25 generated by superposition of two laser beams 15, 17, as shown in FIG.
  • This interference pattern 25 comprises light-intensive exposure sub-areas 33 as well as light-poor or light-free web sub-areas 35.
  • the web sub-areas 35 have a considerably smaller width di than a width d 2 of the exposure sub-areas 33 Structure widths di, d 2 can both be substantially smaller than can be achieved with conventional screen printing technologies, for example.
  • the width di of the web portions 35 may be smaller than ⁇ , preferably even smaller than ⁇ .
  • the metal layer 29 is melted in the areas of the exposure sub-surfaces 33 at least for a short time over its entire layer thickness. Due to prevailing surface tensions, a suitable selection of the illumination parameters and suitable choice of the parameters of the metal layer 29 and of the solar cell substrate 27 carrying the metal layer can result in local de-wetting of the metal layer 29 from the surface of the solar cell substrate 27 in the region of the exposure sub-areas 33, so that as shown in FIG. 3 (c), form uncovered, exposed metal sub-surfaces 37 of the solar cell substrate 27. Between these sub-surfaces remain metal webs 39. These metal webs 39 have due to the additional deposition of metal from the adjacent
  • Exposure sub-areas 33 a greater layer thickness, as was the case with the originally deposited metal layer 29.
  • webs 39 in the vicinity of their edges thickened portions 41 which have a greater thickness than a central region 43 of the respective web 39th
  • Entnetzen remaining metal webs 39 are also linear and form part of a finger-like metal electrode.
  • the exposure sub-areas 33 may also be punctiform or at least only over parts of the length of the solar cell substrate 27, so that the metal webs 39 form a net-like structure which has both longitudinally extending and transversely extending subregions. It is believed that the dewetting process described above can be promoted by having a thin layer of oxide or other dielectric between the surface of the solar cell substrate 27 and the metal layer 29. Such an oxide layer can already influence adhesion forces between the metal layer and the solar cell substrate with very small thicknesses of, for example, a few angstroms, as are typical of naturally formed silicon oxides, and thus promote deswelling.
  • a corresponding solar cell and a corresponding production device described a way to produce metal structures with very small feature sizes in the production of a solar cell cost and reliable.
  • the interference patterns which can be used for this purpose allow the generation of structure widths in the range of a few micrometers or even in the sub-micrometer range.
  • the metal layer is locally melted in its exposure parts, but not evaporated, little or no metal is lost during the formation of the metal structures, in contrast to many conventional methods. Instead, the metal contained in the exposure sublimation becomes adjacent through dewetting processes
  • the webs can also be defined as finely

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle sowie eine Vorrichtung zum Herstellen einer Metallstruktur auf einem Solarzellensubstrat sowie eine entsprechend hergestellte Solarzelle beschrieben. Bei dem Verfahren wird auf einem Solarzellensubstrat (27) eine dünne Metallschicht (29) mit einer Dicke von weniger als 5 μm, vorzugsweise weniger als 0,5 μm, abgeschieden. Anschließend werden vorzugsweise mithilfe eines durch Überlagerung von zwei Laserstrahlen erzeugten Interferenzmusters (25) Belichtungsteilflächen (33) der Metallschicht (29) derart intensiv beleuchtet, dass zwar kein Metall verdampft, aber die Metallschicht (29) kurzzeitig lokal über ihre gesamte Dicke aufschmilzt, wohingegen angrenzende Stegteilflächen (35) schwächer oder gar nicht belichtet werden und somit nicht aufschmelzen. In der lokal aufgeschmolzenen Metallschicht kann es durch Oberflächenspannungen zu Entnetzungseffekten kommen, so dass sich das Metall verlagert und freiliegende Oberflächenbereiche (37) an dem Solarzellensubstrat (27) entstehen. Das verlagerte Metall hilft dabei, die Dicke von Stegen (39) zu erhöhen. Diese Stege (39) können sowohl als Metallkontakte oder Saatschichten für solche Metallkontakte als auch als Ätzmaske oder zur feinen reflexionsmindernden Oberflächentexturierung bei der Herstellung der Solarzelle verwendet werden.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM HERSTELLEN EINER SOLARZELLE MIT DURCH LASER STRUKTURIERTER MET ALLSCHICHT
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, bei dem eine Metallschicht durch Einstrahlen von Laserlicht strukturiert wird. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechend herstellbare Solarzelle. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen einer Metallstruktur auf einem Solarzellensubstrat für eine Solarzelle.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Solarzellen dienen als photovoltaische Elemente dazu, Licht in elektrischen Strom
umzuwandeln. Ladungsträgerpaare, welche durch Absorption von eingestrahltem Licht generiert werden, werden hierzu innerhalb eines Halbleitersubstrates mithilfe eines beispielsweise durch einen pn-Übergang bewirkten Potenzialunterschieds räumlich getrennt.
Um die Ladungsträger dann einem äußeren Stromkreis zuführen zu können, ist das
Halbleitersubstrat meist mit einer Metallstruktur versehen. Ein Teil dieser Metallstruktur kontaktiert die Basis des Halbleitersubstrates wohingegen ein anderer Teil der Metallstruktur den Emitter des Halbleitersubstrates kontaktiert. Bei vielen Solarzellenkonzepten sind zumindest einige der Metallkontakte derart ausgebildet, dass nur ein kleiner Teil der Oberfläche des Halbleitersubstrates von Metall bedeckt ist. Beispielsweise wird bei herkömmlichen Solarzellen, bei denen sich der Emitter an einer lichtzugewandten Oberfläche des Halbleitersubstrates befindet, der Emitterkontakt meist in Form einer Vielzahl von schmalen länglichen und zueinander parallelen Kontaktfingern ausgebildet. Hierbei muss ein Kompromiss gefunden werden. Einerseits wird angestrebt, die Kontaktfinger möglichst schmal auszubilden und mit einem möglichst großen Abstand zwischen benachbarten Kontaktfingern anzuordnen, um Abschattungsverluste zu reduzieren. Andererseits dürfen die Kontaktfinger nicht zu schmal und der Abstand zwischen
benachbarten Fingern nicht zu groß sein, um elektrische Serienwiderstandsverluste gering zu halten.
Bei einem anderen Solarzellenkonzept, bei dem beide Kontakttypen an einer selben
Oberfläche des Halbleitersubstrates angeordnet sind, vorzugsweise der Rückseite, werden die Emitter- und Basis-Kontakte häufig kammartig in Form ineinander verschachtelter Kontakte („interdigitated contacts") angeordnet. Auch hier muss ein Kompromiss bei der Anordnung der Kontakte getroffen werden, um insbesondere Serienwiderstands Verluste gering zu halten und gleichzeitig auch Rekombinationsverluste aufgrund der mit Metall beschichteten
Halbleiteroberfiäche gering zu halten.
Neben der Aufgabe, Ladungsträger aus dem Halbleitersubstrat abzuleiten, können
Metallstrukturen bei Solarzellen auch zu anderen Zwecken verwendet werden. Beispielsweise können während der Herstellung der Solarzelle gezielt Teilbereiche der Oberfläche des Halbleitersubstrates mit Metall bedeckt werden, um diese Teilbereiche in nachfolgenden Verfahrensschritten beispielsweise als Ätzmaske gegen den Einfiuss aggressiver Ätzmedien zu schützen. Herkömmlich werden Metallstrukturen auf Solarzellensubstraten meist entweder dadurch erzeugt, dass Metall direkt mit einem vorgegebenen Muster auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht wird oder dadurch, dass Metall zunächst ganzflächig auf die Substratoberfläche aufgebracht wird und dann teilweise lokal wieder entfernt wird.
Beispielsweise wird bei heutigen kommerziell hergestellten Solarzellen eine als Metallkontakt dienende Metallstruktur meist mithilfe von Siebdrucktechnologien aufgebracht, bei denen eine metallhaltige Paste durch ein geeignet strukturiertes Sieb hindurch auf die
Substratoberfläche aufgedruckt und anschließend eingefeuert wird. Alternativ kann Metall durch geeignet ausgebildete Masken hindurch auf die Substratoberfläche aufgedampft oder aufgesputtert werden. Bei beiden Methoden kann jedoch aufgrund technischer
Beschränkungen meist eine minimale Strukturbreite von etwa 50 μιη kaum unterschritten werden, so dass zur Verhinderung von übermäßigen Abschattungsverlusten der Abstand zwischen benachbarten Metallfingern ausreichend groß gewählt werden muss, was jedoch zu einer Erhöhung von Serienwiderstands Verlusten führen kann.
Alternativ können Metallstrukturen durch gezieltes lokales Entfernen von Teilen einer zuvor ganzflächig abgeschiedenen Metallschicht erzeugt werden. Hierbei können die zu
entfernenden Teile beispielsweise lithografisch vordefiniert werden und anschließend weggeätzt werden. Alternativ können Teile der ganzflächig aufgebrachten Metallschicht mittels eines Lasers lokal verdampft werden. Ein gravierender Nachteil solcher Verfahren ist, dass ein Teil des zuvor abgeschiedenen und häufig teuren Metalls beim lokalen Entfernen von der Substratoberfläche verloren geht. Außerdem ist der Arbeits- und Materialaufwand für Lithografieverfahren zum Vordefinieren wegzuätzender Bereiche der Metallschicht hoch. Für ein lokales Verdampfen von Teilbereichen der Metallschicht mittels Laser müssen hohe Laserenergien bereitgestellt werden und das verdampfte Metall muss abgesaugt und entsorgt werden. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es kann ein Bedarf an einem Herstellungsverfahren, einer Herstellungsvorrichtung sowie einer Solarzelle bestehen, bei denen unter anderem die oben dargestellten Unzulänglichkeiten bei der Herstellung von Metallstrukturen auf einem Substrat für eine Solarzelle zumindest reduzieren werden. Insbesondere kann ein Bedarf bestehen, Metallstrukturen mit kleinen Strukturdimensionen mit verhältnismäßig geringem technischem Aufwand und/oder ohne übermäßigen Verlust von Metall herstellen zu können.
Ein solcher Bedarf kann mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche erfüllt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle beschrieben. Das Verfahren umfasst neben möglicherweise weiteren
Prozessschritten, wie sie für die Herstellung von Solarzellen typischerweise verwendet werden, zumindest die nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte. Zunächst wird auf ein bereit gestelltes Solarzellensubstrat auf eine Oberfläche eine Metallschicht flächig abgeschieden. Die Metallschicht weist dabei eine Dicke von weniger als 5μιη, vorzugsweise weniger als 0,5 μιη und stärker bevorzugt weniger als 0,2μιη auf. Anschließend werden als Belichtungsteilfläche bezeichnete Teile der aufgebrachten Metallschicht derart intensiv mit Licht beleuchtet, dass zwar im Wesentlichen kein Metall verdampft, die Metallschicht aber im Bereich der Belichtungsteilfläche kurzzeitig über ihre gesamte Dicke hin lokal aufschmilzt. Angrenzende, als Stegteilfläche bezeichnete Teile der Metallschicht sollen dabei weder aufschmelzen noch verdampfen. Die Belichtungsteilfläche soll hierbei eine Breite von weniger als ΙΟΟμιη, vorzugsweise weniger als 20μιη und beispielsweise weniger als Ιμιη und weiterhin beispielsweise weniger als 0,5 μιη aufweisen. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Solarzelle beschrieben, wie sie insbesondere mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt werden kann. Die Solarzelle weist ein Solarzellensubstrat sowie Metallstrukturen an einer Oberfläche des Solarzellensubstrates auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die meist mithilfe von Siebdruck hergestellte grobe Metallstrukturen mit länglichen Metallfmgern oder mithilfe von Lithografie hergestellte feine Metallstrukturen meist in Form von
Punktkontakten aufweisen, weisen die Metallstrukturen der erfindungsgemäßen Solarzelle eine Vielzahl länglicher metallischer Stege auf, welche eine Breite im Bereich von zwischen 50nm und ΙΟμιη, vorzugsweise zwischen lOOnm und 3μιη, insbesondere kleiner als 0,5μιη, aufweisen, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Stegen im Bereich von zwischen lOOnm und 50μιη, vorzugsweise zwischen 200nm und 20 μιη liegt, insbesondere kleiner als 1 μιη ist. Insbesondere kann der Abstand zwischen benachbarten Stegen im Bereich von zwischen 0,5μιη und 50μιη, vorzugsweise zwischen Ιμιη und 20 μιη, liegen.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen einer Metallstruktur auf einem Solarzellensubstrat für eine Solarzelle beschrieben. Die Vorrichtung weist eine Haltevorrichtung zum Halten des Solarzellensubstrates sowie eine Laseranordnung mit einer Laserlichtquelle zum Erzeugen von wenigstens zwei zueinander kohärenten
Laserstrahlen und einer Optik zum Ausrichten der zwei zueinander kohärenten Laserstrahlen derart, dass an einer Oberfläche eines in der Haltevorrichtung gehaltenen
Solarzellensubstrates Interferenzmuster gebildet werden, auf. Die Laseranordnung ist dabei derart ausgestaltet, dass in lichtintensiven Belichtungsteilflächen des Interferenzmusters die Beleuchtung einer an dem Solarzellensubstrat abgeschiedenen Metallschicht zwar nicht derart intensiv ist, dass Metall der Metallschicht in wesentlichen Mengen verdampft, aber ausreichend intensiv ist, dass die Metallschicht im Bereich der Belichtungsteilflächen kurzzeitig über ihre gesamte Dicke hin lokal aufschmilzt, wohingegen wenigstens eine angrenzende Stegteilfläche der Metallschicht weder aufschmilzt noch verdampft. Ideen zu den zuvor beschriebenen Aspekten der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den folgenden Beobachtungen und Erkenntnissen beruhend angesehen werden: Alternativ zu herkömmlichen Verfahren zur Bildung von strukturierten
Metallschichten mithilfe von Siebdruck oder Lithografie sind zwar bereits seit längerer Zeit Verfahren bekannt, bei denen Teile einer flächig abgeschiedenen Metallschicht mithilfe von Laserstrahlung ablatiert werden. Die hierzu notwendigen Laserenergien sind jedoch hoch und das beim Ablatieren verdampfte Metall geht bei dem Herstellungsprozess verloren. Es wurde nun erkannt, dass gleich mehrere Vorteile dadurch erreicht werden können, dass mithilfe eines Lasers zuvor flächig abgeschiedenes Metall zwar soweit erhitzt wird, dass es aufschmilzt, es jedoch nicht wie bei herkömmlichen Laserablationsverfahren zu einer Sublimation des Metalls und damit zu einem lokalen Verdampfen des Metalls kommt. Es konnte beobachtet werden, dass es in den Bereichen, in denen die Metallschicht lokal aufgeschmolzen wurde, zu Entnetzungseffekten kommen kann, wenn einerseits die Dicke der Metallschicht und die Breite der Belichtungsteilflächen geeignet gewählt sind und andererseits die Intensität und Dauer der Lichteinstrahlung geeignet gewählt werden, dass die Metallschicht lokal über ihre gesamte Dicke hin aufschmilzt. Aufgrund solcher
Entnetzungseffekte kann sich die aufgeschmolzene Metallschicht aus dem Bereich der Belichtungsteilfläche zumindest teilweise zurückziehen, wobei sich das zugehörige Metall an der seitlich angrenzenden, unaufgeschmolzenen Stegteilfläche anlagern kann. In der
Belichtungsteilfläche kann somit ein Bereich entstehen, in dem die zuvor mit Metall bedeckte Oberfläche des Solarzellensubstrates freigelegt ist. Die gezielt lokal induzierten
Entnetzungseffekte können somit dazu genutzt werden, die zuvor flächig abgeschiedene Metallschicht derart zu strukturieren, dass zumindest in Teilen der Belichtungsteilfläche anschließend kein Metall verbleibt, wohingegen in den angrenzenden Stegteilflächen zumindest teilweise Metall mit einer größeren Dicke als die Dicke der ursprünglich flächig abgeschiedenen Metallschicht angehäuft wird. Auf diese Weise können sehr feine
Metallstrukturen mit beispielsweise Strukturbreiten im Bereich weniger Mikrometer oder sogar im Sub-Mikrometer-Bereich erzeugt werden, so dass einerseits Abschattungsverluste minimiert werden können und andererseits auch Serienwiderstandsverluste gering gehalten werden können. Alternativ kann die auf diese Weise ermöglichte Metallstruktur aufgrund ihrer kleinen Strukturbreiten auch als Textur für die Solarzelle geeignet sein, um mit ihrer Hilfe eingestrahltes Licht besser auf die frei liegenden Bereiche der Oberfläche des
Solarzellensubstrates zu leiten und dort die Lichteinkopplung zu verbessern, z.B. durch Verlängerung des optischen Weges aufgrund von Beugung an der periodischen Metallstruktur oder aufgrund plasmonischer Effekte. Als weitere Alternative kann die ermöglichte
Metallstruktur aufgrund ihrer kleinen Strukturbreiten auch als Ätzmaske verwendet werden, um zum Beispiel die frei liegenden Bereiche der Solarzellensubstratoberfläche lokal anzuätzen und dort beispielsweise einen zuvor erzeugten Emitter zu entfernen oder in seiner Dicke zu verringern.
Nachfolgend werden mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der
Erfindung weiter im Detail beschrieben.
Das für das Herstellungsverfahren bereitgestellte Solarzellensubstrat kann ein beliebiges Substrat aus einem für die Solarzellenfertigung geeigneten Halbleitermaterial wie zum
Beispiel Silizium (Si) oder Germanium (Ge) oder einem Verbindungshalbleitermaterial wie zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs), etc. sein. Das Solarzellensubstrat kann ein Wafer oder ein Dünnschichtsubstrat sein. In dem Halbleitersubstrat können vor dem Abscheiden der Metallschicht unterschiedlich dotierte Bereiche, beispielsweise p-dotierte und n-dotierte Bereiche, erzeugt worden sein, wobei ein Teil der zu erzeugenden Metallstrukturen als Elektroden für einen ersten Bereichstyp, beispielsweise einen Emitterbereich, und ein anderer Teil der zu erzeugenden Metallstrukturen als Elektroden für einen zweiten Bereichstyp, beispielsweise einen Basisbereich, dienen kann.
Alternativ kann das Solarzellensubstrat auch ein Trägersubstrat aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise Glas oder Kunststoff, insbesondere Polymermaterial, sein, wobei nach dem Abscheiden und Strukturieren der Metallschicht auf dem Trägersubstrat eine oder mehrere weitere Schichten aus Halbleitermaterial oder Nanopartikeln abgeschieden werden können, in denen die Emitterbereiche und Basisbereiche der Solarzelle in Form dünner Schichten ausgebildet sind. Das Solarzellensubstrat kann insbesondere aus einem transparenten elektrisch isolierenden Material bestehen, so dass das mit der strukturierten Metallschicht versehene Solarzellensubstrat im späteren Einsatz als schützende Deckschicht für die darunter ausgebildete Dünnschichtsolarzelle dienen kann. Beispielsweise kann das Solarzellensubstrat als dünne Glasschicht mit einer Dicke von unter 5mm, vorzugsweise unter 3mm bereitgestellt werden. Alternativ kann das Solarzellensubstrat als Kunststoffplatte oder bevorzugter als Kunststofffolie bereitgestellt werden. Insbesondere solche
Kunststoffsubstrate können sehr kostengünstig zur Verfügung gestellt werden. Dabei kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass einerseits eine strukturierte Metallschicht mit dem beschriebenen Verfahren gut auf solchen Glas- oder Kunststoffsubstraten abgeschieden werden kann, insbesondere da beim Abscheiden und Beleuchten der Metallschicht keine langandauernden hohen Prozessierungstemperaturen auftreten. Andererseits können
Halbleiterdünnschichten mit geeigneten Abscheidungsmethoden bei sehr niedrigen
Abscheidungstemperaturen von beispielsweise weniger als 400°C abgeschieden werden, sodass es zu keiner Schädigung der zuvor erzeugten Metallstrukturen kommt. Durch geeignete Wahl der Abscheidungsmethode kann auch vermieden werden, dass das
Solarzellensubstrat beschädigt wird. Beispielsweise können durch Aufsputtern von halbleitendem Material bei niedrigen Prozesstemperaturen auch temperaturempfindliche Solarzellensubstrate aus Kunststoffbeschichtet werden.
Die Oberfläche des Solarzellensubstrates kann eben oder texturiert sein. An einer Oberfläche des Solarzellensubstrates können Schichten aus anderen halbleitenden oder isolierenden Materialien aufgebracht sein und beispielsweise als Antireflexschichten oder
Passivierungsschichten dienen. Die an der Oberfläche des Solarzellensubstrates abzuscheidende Metallschicht kann mithilfe unterschiedlicher Abscheidungsverfahren erzeugt werden. Beispielsweise kann eine
Metallschicht aufgedampft, aufgesputtert oder in sonstiger Weise abgeschieden werden. Die Metallschicht wird flächig abgeschieden, so dass eine Oberfläche des Solarzellensubstrates wie beispielsweise dessen Frontseitenoberfläche in großen Teilen oder vorzugsweise vollflächig mit Metall bedeckt ist. Die Dicke der Metallschicht soll dabei geringer als 5 μιη und vorzugsweise geringer als 1 μιη sein. Es wird davon ausgegangen, dass der oben beschriebene Entnetzungsprozess, der für die Bildung der letztendlich nicht mit Metall bedeckten, frei liegenden Bereiche des Solarzellensubstrates sorgt, um so besser und zuverlässiger ablaufen dürfte, je dünner die Metallschicht ist, solange die Dicke der
Metallschicht eine minimale Dicke von beispielsweise 20nm nicht unterschreitet.
Andererseits kann es bevorzugt sein, eine möglichst dicke Metallschicht aufzubringen, um die Dicke der letztendlich zu erzeugenden Metallkontakte zu erhöhen und damit deren
Serienwiderstand zu verringern.
Die Metallschicht kann mit verschiedenen Metallen, wie zum Beispiel Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Titan (Ti), Palladium (Pd), Silber (Ag), Aluminium (AI), Gold (Au) und / oder Chrom (Cr) oder einer Kombination solcher Metalle abgeschieden werden
Die flächig abgeschiedene Metallschicht wird anschließend zumindest in Teilbereichen, welche als Belichtungsteilfläche bezeichnet werden, derart intensiv mit Licht, vorzugsweise Laserlicht, beleuchtet, dass sie über ihre gesamte Dicke hin lokal aufschmilzt, ohne dass dabei jedoch signifikant Metall verdampft. Hierbei soll nicht ausgeschlossen sein, dass auch Teilbereiche abseits der Belichtungsteilfläche beleuchtet werden; allerdings reicht die
Belichtungsintensität in diesen Teilbereichen nicht aus, um die Metallschicht vollständig aufzuschmelzen. Insbesondere soll es außerhalb der Belichtungsteilfläche zumindest eine angrenzende sogenannte Stegteilfläche geben, in der die Metallschicht weder aufschmilzt noch verdampft. Das Merkmal, dass in der Belichtungsteilfläche„im Wesentlichen" kein Metall verdampft, kann dahingehend verstanden werden, dass kein Metall oder zumindest höchstens ein im Vergleich zu der ursprünglichen Dicke der Metallschicht vernachlässigbarer Anteil der Metallschicht verdampft, beispielsweise weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 10%, des in der Metallschicht ursprünglich an dieser Stelle enthaltenen Metalls.
Um die Belichtungsteilfläche zu beleuchten, kann Licht als Laserpuls mit einer Pulsdauer von weniger als 100ns, vorzugsweise weniger als 50ns und stärker bevorzugt weniger als 20ns erzeugt werden. Es wurde beobachtet, dass derart kurze Laserpulse ausreichen können, um die Metallschicht lokal über ihre gesamte Dicke hin aufzuschmelzen und den gewünschten Entnetzungsprozess einzuleiten. Dabei wurde beobachtet, dass der Aufschmelz- und
Entnetzungsvorgang umso zuverlässiger ablaufen kann, je kürzer der Laserpuls gewählt wird, innerhalb dessen die zum Aufschmelzen notwendige Energie in die Metallschicht lokal eingebracht wird. Allerdings sollte die Pulsdauer eine untere Grenze von beispielsweise 1 ns nicht unterschreiten, um zu verhindern dass Material verdampft.
Zum Beleuchten der Belichtungsteilfläche kann eine Laserlichtquelle verwendet werden, die dazu ausgelegt ist, Licht mit einer geeigneten Intensität, Wellenlänge und Pulsdauer auf die an dem Solarzellensubstrat abgeschiedene Metallschicht einzustrahlen, so dass es zu einem lokalen Aufschmelzen kommt. Typische hierfür verwendbare Laserlichtquellen sind Nd:YAG Laser, beispielsweise mit einem Injection-Seeder und vorzugsweise mit einem Top-Hat- Profil. Bei einem Injection Seeder wird dabei durch Einspeisen einer geeigneten Wellenlänge bewirkt, dass der Laser nur auf dieser Wellenlänge anschwingt. Dadurch kann eine große Kohärenzlänge bewirkt werden. Unter einem Top-hat-Profil wird üblicherweise ein
Strahlprofil mit konstanter Intensität im zentralen Bereich des Pulses verstanden. Die
Laserlichtquelle kann dazu ausgelegt sein, kurze Laserpulse mit einer Wiederholrate im Bereich von 10 Hz bis 200 kHz auszusenden, wobei jeder der Pulse eine Energie von vorzugsweise mehr als 1J haben kann. Zum Strukturieren der an der gesamten Oberfläche des Solarzellensubstrates abgeschiedenen Metallschicht kann diese in mehrere Belichtungsteilflächen unterteilt werden und die Belichtungsteilflächen nacheinander beleuchtet werden. Dabei kann jede der
Belichtungsteilflächen beispielsweise mit lediglich einem einzigen Laserpuls belichtet werden, bevor das Solarzellensubstrat und die von der Laserlichtquelle ausgesandten Laserstrahlen in einer Richtung quer zu den Laserstrahlen relativ zueinander verlagert werden, um auf diese Weise die gesamte Metallschicht sequenziell rasternd zu belichten. Es wurde dabei beobachtet, dass ein einziger Laserpuls ausreichen kann, um den gewünschten lokalen Aufschmelz- und Entnetzungsprozess auszulösen.
Alternativ kann jede der Belichtungsteilflächen zeitlich nacheinander mit mehreren
Laserpulsen belichtet werden. Es ist vorstellbar, dass ein erster Laserpuls zu einem
Aufschmelzen und groben Entnetzen im Bereich der Belichtungsteilfläche führt, wobei ein oder mehrere nachfolgende Laserpulse das Entnetzungsergebnis möglicherweise verbessern oder zuverlässiger gestalten können. Die für eine einzelne Belichtungsteilfläche verwendeten aufeinander folgenden Laserpulse können dabei hinsichtlich ihrer Art und Intensität identisch sein. Es ist jedoch auch möglich, unterschiedliche Laserpulse beispielsweise für ein erstes Aufschmelzen und anschließend für ein Unterstützen des Entnetzungsvorgangs einzusetzen.
Bei dem oben beschriebenen rasternd abscannenden Beleuchten der gesamten zu
strukturierenden Metallschicht kann das Solarzellensubstrat und das verwendete
Beleuchtungslicht relativ zueinander quer im Bezug auf eine Beleuchtungsrichtung verlagert werden, wobei die Verlagerung während des Beleuchtens und /oder vorzugsweise zwischen zwei zeitlich aufeinander folgenden Beleuchtungen stattfinden kann. Hierzu kann das Solarzellensubstrat mithilfe einer bewegbaren Haltevorrichtung kontinuierlich oder schrittweise entlang eines Verlagerungsweges verlagert werden. Alternativ oder ergänzend kann das Beleuchtungslicht durch eine geeignete Optik, die beispielsweise einen gesteuert verlagerbaren Spiegel enthält, entlang der Oberfläche der Metallschicht verlagert werden. Während bisher eine Grundidee der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf das Aufschmelzen und Entnetzen einer einzelnen Belichtungsteilfläche der Metallschicht beschrieben wurde, kann es für die Herstellung einer Solarzelle und die damit verbunden notwendige Belichtung einer großen Oberfläche nötig sein, mindestens zwei, vorzugsweise eine Vielzahl, paralleler länglicher Belichtungsteilflächen gleichzeitig oder nacheinander ausreichend intensiv zu belichten, um den Aufschmelz- und Entnetzungsprozess auszulösen. Zwischen zwei benachbarten Belichtungsteilflächen kann dabei eine so genannte Stegteilfläche angeordnet sein mit einer Breite von weniger als ΙΟμιη, vorzugsweise weniger als Ιμιη und stärker bevorzugt weniger als 0,3 μιη. Die Stegteilflächen der Metallschicht werden dabei während des Beleuchtungsvorgangs weder aufgeschmolzen noch verdampft, so dass zumindest in diesen Teilbereichen Metall an der Oberfläche des Solarzellensubstrates verbleibt. Während des Aufschmelzens und Entnetzens der dazwischen liegenden Belichtungsteilflächen kann das dort ursprünglich vorhandene Metall sich in Randbereiche der Stegteilflächen verlagern, getrieben durch die Oberflächenspannung des aufgeschmolzenen Metalls, und sich dort anschließend beim Abkühlen verfestigen. Die letztendliche Breite der mit Metall bedeckten länglichen Bereiche der Oberfläche des Solarzellensubstrates kann daher breiter sein als die Breite der nicht bis zum Aufschmelzen beleuchteten Stegteilflächen.
Die Belichtungsteilflächen können, müssen sich aber nicht, länglich sein und sich über beinahe die gesamte Länge des Solarzellensubstrats erstrecken, so dass die nach dem
Entnetzen verbleibenden Stegteilflächen längliche Finger bilden. Die länglichen Finger können für die Solarzelle metallische Elektroden bilden, die in der Solarzelle erzeugten Strom mit geringen elektrischen Widerständen ableiten können und die dabei die Oberfläche der Solarzelle nur minimal abschatten.
Alternativ können durch lokales Beleuchten mehrere Belichtungsteilflächen derart belichtet werden, das zwischen den Belichtungsteilflächen verbleibende Stegteilflächen eine netzartige Struktur mit in Längsrichtung verlaufenden Stegteilflächen-Teilbereichen und mit in
Querrichtung verlaufenden Stegteilflächen-Teilbereichen bilden. Beispielsweise können in einer flächig abgeschiedenen Metallschicht lediglich punktartige Bereiche mit beispielsweise runden oder rechteckigen Querschnitte belichtet werden, so dass sich nach dem Entnetzen eine netzartige Metallstruktur mit punktartigen Öffnungen bildet.
Eine solche netzartige Metallstruktur kann ebenfalls eine Elektrode für eine Solarzelle bilden. Dadurch, dass die netzartige Metallstruktur auch in Querrichtung verlaufende Stegteilflächen- Teilbereiche aufweist, kann vermieden werden, dass es bei einer Unterbrechung eines in Längsrichtung verlaufenden Stegteilflächen-Teilbereichs zu einer signifikanten Erhöhung von in der Metallelektrode auftretenden Serienwiderständen kommt, wie dies der Fall sein könnte bei ausschließlich in Längsrichtung verlaufenden Elektrodenfingern.
Zwar werden durch eine netzartige Metallelektrode größere Teile der Oberfläche der
Solarzelle abgedeckt, als dies bei rein fingerartigen Metallelektroden der Fall ist. Die größere abgedeckte Fläche muss jedoch nicht zwingend mit einer stärkeren Abschattung der
Solarzelle einhergehen. Die metallischen Stegteilflächen können hinsichtlich ihrer Geometrie und Anordnung geschickt ausgebildet sein, sodass beispielsweise von den metallischen Stegteilflächen reflektiertes auftreffendes Licht nach einer Rückref ektion beispielsweise an darüber liegenden Schichten letztendlich doch in den Absorber der Solarzelle gelangt.
Außerdem können insbesondere bei sehr fein ausgebildeten metallischen Stegteilflächen mit Abmessungen von wenigen Mikrometern oder im Sub-Mikrometerbereich plasmonische Effekte eine Absorption von Licht in der Solarzelle unterstützen.
Insbesondere können bei dem vorgeschlagenen Verfahren durch lokales Beleuchten mehrere Belichtungsteilflächen derart belichtet werden, das zwischen den Belichtungsteilflächen verbleibende Stegteilflächen derart dimensioniert sind, beispielsweise mit Strukturbreiten von weniger als 1 μηι, dass auftretende plasmonische Effekte zu einer erhöhten optischen
Transmission von eingestrahltem Sonnenlicht, insbesondere beispielsweise im für
Siliziumsolarzellen wichtigen Spektralbereich von 300nm bis 1100, durch die Stegteilflächen hindurch führen.
Beispielsweise können bei einer weiter unten im Detail beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Belichtungsteilbereiche durch ein Interferenzmuster vorgegeben werden, dass durch Überlagerung mehrerer Laserstrahlen erzeugt werden kann und dass sehr feine Strukturen erzeugen kann. Durch geschickte Wahl einer Periode des Interferenzmusters und einer Energiedichte eines Laserpulses, bzw. bei Mehrfachbelichtungen einer Energiedichte und einer Wiederholrate lassen sich periodische Metallstrukturen auf einer Oberfläche erzeugen, die in Kombination mit einer dahinter liegenden Halbleiterschicht in bestimmten Wellenlängenbereichen zu einer höheren optischen Transmission durch das metallische Gitter und damit zu einer erhöhten Absorption in der Halbleiterschicht führen können, als dies nach einer Flächenbedeckung des Metalls zu errechnen wäre. Dabei kann der Bereich der erhöhten Absorption durch Variation der Periode des Interferenzmusters gezielt eingestellt werden. Auch lassen sich so Absorberschichten mit mehreren oder breiteren Maxima der Absorption durch komplexere Interferenzmuster mit mehreren Perioden in unterschiedlichen Richtungen erzeugen. Dem auf diese Weise generierten metallischen Gitter kann dadurch neben seiner Funktion als elektrischer Kontakt für die Solarzelle noch eine optische Funktionalität gegeben. Um dabei eine maximale Absorption im sichtbaren Bereich zu erhalten, sollten Strukturperioden im Bereich der Lichtwellenlängen
beispielsweise des sichtbaren Bereiches sein. Dieser Bereich ist neben der
Laserinterferenzlithografie nur mit optischer Lithografie oder Elektronenstrahllithografie zu erreichen, die aber beide für flächige Anwendungen viel zu teuer sind und die bisher auch nicht dahingehend angepasst wurden, dass bei der Herstellung von Solarzellen die
Metallkontakte gezielt derart dimensioniert wurden, dass sich vorteilhafte plasmonische Effekte einstellen. Die Perioden von aktuell verwendeten Siebdruckkontaktierungen liegen dagegen im Größenbereich von Millimetern und erlauben somit keinerlei durch plasmonische Effekt begründete Transmissionserhöhung.
Dadurch, dass sich Metall während des Aufschmelzens und Entnetzens aus den
Belichtungsteilflächen hin zu den Stegteilflächen verlagern kann, können die metallischen Stege der hierbei hergestellten Solarzelle in der Nähe ihrer seitlichen Ränder eine größere Dicke aufweisen als in ihrer Mitte, wodurch sich diese metallischen Stege signifikant von herkömmlich hergestellten Metallkontakten unterscheiden dürften.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens werden zum Beleuchten der Metallschicht eine Mehrzahl von
Laserstrahlen derart überlagert, dass sich an der Oberfläche der an dem Solarzellensubstrat abgeschiedenen Metallschicht Interferenzmuster mit lichtintensiven Belichtungsteilflächen und dazwischen liegenden lichtarmen Stegteilflächen bilden. Dabei ist nur in den
Belichtungsteilflächen die Lichtintensität ausreichend groß, um die Metallschicht kurzzeitig lokal aufzuschmelzen, jedoch nicht zu verdampfen.
Mit anderen Worten ist eine Idee, die das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren insbesondere auch für eine sehr schnelle und damit industriell umsetzbare Erzeugung von Metallstrukturen auf einer Solarzellenoberfläche geeignet erscheinen lässt, darin zu sehen, durch gezielte Überlagerung von einzelnen zueinander kohärenten Laserstrahlen
Interferenzmuster derart zu erzeugen, dass sich beispielsweise Linien hoher
Laserlichtintensität mit Linien niedriger Laserlichtintensität abwechseln. In den stark beleuchteten Behchtungsteilflächen kann es somit zu Aufschmelz- und Entnetzungsprozessen in beispielsweise linienförmigen Bereichen kommen, so dass gleichzeitig mehrere zueinander parallele Belichtungsteilflächen von Metall befreit werden, wohingegen in den
beleuchtungsarmen dazwischen liegenden Stegteilflächen Metall verbleibt. Jede einzelne der Behchtungsteilflächen kann dabei eine Breite von weniger als ΙΟΟμιη oder gar weniger als ΙΟμηι aufweisen und die Stegteilflächen können jeweils eine Breite von weniger als ΙΟμηι oder gar weniger als 0,5μηι aufweisen. Das Interferenzmuster erstreckt sich jedoch über eine wesentlich größere Fläche und kann dabei eine Vielzahl von Belichtungs- und Stegteilflächen umfassen, so dass mit einem einzigen Belichtungsvorgang bereits eine verhältnismäßig große Teilfläche der gesamten Metallschichtfläche beleuchtet und damit strukturiert werden kann. Beispielsweise kann bei Verwendung geeigneter Optiken für die zu überlagernden
Laserstrahlen sowie Verwendung geeignet starker Laserlichtquellen ein Interferenzmuster über Flächen von beispielsweise mehreren Quadratmillimetern oder gar mehreren
Quadratzentimetern erzeugt werden. Dieses Interferenzmuster kann sukzessive über die gesamte Fläche der Metallschicht rasternd verlagert werden, um diese vollständig zu strukturieren. Im Idealfall kann sogar die gesamte Metallschicht gleichzeitig mit einem einzigen Interferenzmuster beleuchtet und dabei strukturiert werden.
Um die mit dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellten Metallstrukturen als Kontakte für eine Solarzelle verwenden zu können, kann es vorteilhaft sein, die ursprünglich dünn aufgebrachte und anschließend strukturierte Metallschicht gezielt zu verdicken, um deren elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Hierzu können nach dem Beleuchten verbleibende, mit Metall bedeckte Stegbereiche durch Aufplattieren von weiterem Metall verdickt werden. Die nach dem Beleuchten verbleibenden metallischen Stegbereiche können dabei als
Saatschichten für Leiterbahnen der zu erzeugenden elektrischen Kontakte dienen. Diese Saatschichten können beispielsweise elektrisch kontaktiert werden und dann durch galvanisches Plattieren mit weiterem Metall ergänzt werden. Alternativ können die
Saatschichten durch stromloses Plattieren mit weiterem Metall verdickt werden.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nach dem Beleuchten der Metallschicht ein Ätzschritt durchgeführt werden, bei dem das
Solarzellensubstrat in Kontakt mit einem gasförmigen oder flüssigen Ätzfluid gebracht wird. Die verbleibenden mit Metall bedeckten Stegteilbereiche können dabei als Ätzmaske zum Schutz von darunter liegenden Bereichen des Solarzellensubstrates gegen das Ätzfluid dienen. Da die Stegteilflächen wie oben beschrieben beispielsweise unter Verwendung von
Interferenzmustern schnell und mit sehr kleinen Strukturbreiten erzeugt werden können, ergibt sich auf diese Weise eine Möglichkeit, einfach und schnell fein strukturierte
Ätzmasken zu erzeugen.
Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren, teilweise mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Solarzelle und teilweise mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Herstellungsvorrichtung beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die beschriebenen Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können und insbesondere auch von dem Verfahren auf die Solarzelle beziehungsweise die Herstellungsvorrichtung oder umgekehrt übertragen werden können, um zu weiteren Ausführungsformen und möglicherweise Synergieeffekten zu gelangen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorangehend beschriebenen und weitere mögliche Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung spezifischer
Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen ist, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum Herstellen einer Metallstruktur für eine Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf ein Solarzellensubstrat, das mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung teil-prozessiert wurde. Figuren 3 (a)-(c) zeigen Schnittansichten durch ein Solarzellensubstrat zur
Veranschaulichung von Prozessschritten eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Merkmale in den Figuren.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zum Herstellen einer Metallstruktur auf einem Solarzellensubstrat 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 weist eine Haltevorrichtung 5 zum Halten des Solarzellensubstrats 3 sowie eine Laseranordnung 7 auf. Die Laseranordnung 7 umfasst eine Laserlichtquelle 9, welche in dem dargestellten Beispiel einen Laser 11 sowie einen halbdurchlässigen Spiegel 13 umfasst, um auf diese Weise zwei zueinander kohärente Laserstrahlen 15, 17 zu erzeugen. Ein von dem Laser 11 kommender Strahl wird dabei in zwei Teillaserstrahlen 15, 17 aufgeteilt. Die Laseranordnung 7 umfasst ferner eine Optik 19, die in dem dargestellten Beispiel als Spiegel 21 ausgebildet ist, um die zwei Laserstrahlen 15, 17 derart auf eine Oberfläche 23 des Solarzellensubstrats 3 zu richten, dass sich dort ein Interferenzmuster bildet.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Beispiel wird als Laser 11 ein Nd:YAG-Laser eingesetzt, der in der Lage ist, Nanosekunden-Pulse mit Pulsdauern im Bereich von 8 bis 20 bei Pulsenergien von 500 mJ und einer Wellenlänge von 532 nm zu erzeugen.
Die Haltevorrichtung 5 ist derart ausgestaltet, dass mit ihrer Hilfe das Solarzellensubstrat 3 relativ zu den von der Laseranordnung 7 stammenden Laserstrahlen 15, 17 in einer xy-Ebene verlagert werden kann, so dass das Interferenzmuster sukzessive über die gesamte Oberfläche 23 des Solarzellensubstrates 3 verfahren werden kann und auf diese Weise das gesamte Solarzellensubstrat 3 mit einer strukturierten Metallschicht versehen werden kann. Alternativ oder ergänzend könnte auch die Laser lichtquelle 9 beziehungsweise die Optik 19
entsprechend ausgestaltet werden, um die Laserstrahlen 15, 17 relativ zu dem
Solarzellensubstrat 3 zu verlagern.
Mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 wird nun ein Verfahren zum Herstellen einer
Metallstruktur im Rahmen der Herstellung einer Solarzelle beschrieben. Einem Fachmann ist hierbei offensichtlich, dass zusätzlich zu den beschriebenen Verfahrensschritten weitere Verfahrensschritte nötig sein können, um die Solarzelle vollständig zu fertigen.
Beispielsweise kann das gesamte Herstellungsverfahren weitere Prozessschritte wie beispielsweise einen Diffusionsprozessschritt zur Herstellung eines Emitters, die
Abscheidung unterschiedlicher dielektrischer Schichten, die beispielsweise als
Antireflexschichten oder Passivierungsschichten dienen können, unterschiedliche
Vorprozessierungs- oder Reinigungsprozessschritte, weitere Metallisierungsprozessschritte, etc. umfassen, wobei auf eine detaillierte Beschreibung solcher möglicher weiterer
Prozessschritte verzichtet werden soll.
Wie in Figur 3(a) dargestellt, wird zunächst ein Solarzellensubstrat 27 in Form eines
Halbleiterwafers bereitgestellt. An einer Oberfläche des Solarzellensubstrates 27 wird ganzflächig eine Metallschicht 29 ausgebildet, indem diese beispielsweise mit einer konstanten Dicke von 1 μιη aufgedampft wird.
Das derart vorbereitete Solarzellensubstrat 3 wird anschließend, wie in Figur 3 (b) dargestellt, mit Licht 31 partiell beleuchtet. Das Licht 31 ist dabei Teil eines durch Überlagerung von zwei Laserstrahlen 15, 17 erzeugten linienartigen Interferenzmusters 25, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Dieses Interferenzmuster 25 umfasst lichtintensive Belichtungsteilflächen 33 sowie lichtärmere oder lichtfreie Stegteilflächen 35. Die Stegteilflächen 35 weisen eine erheblich kleinere Breite di auf als eine Breite d2 der Belichtungsteilflächen 33. Die Strukturbreiten di, d2 können dabei beide wesentlich kleiner sein, als dies mit beispielsweise herkömmlichen Siebdrucktechnologien erreichbar ist. Beispielsweise kann die Breite di der Stegteilflächen 35 kleiner als ΙΟμιη, vorzugsweise sogar kleiner als Ιμιη sein.
Durch das lokale Beleuchten mit dem Licht 31 wird die Metallschicht 29 in den Bereichen der Belichtungsteilflächen 33 zumindest kurzzeitig über ihre gesamte Schichtdicke hin aufgeschmolzen. Aufgrund herrschender Oberflächenspannungen kann es dabei bei geeigneter Wahl der Beleuchtungsparameter sowie geeigneter Wahl der Parameter der Metallschicht 29 sowie des die Metallschicht tragenden Solarzellensubstrates 27 zu einer lokalen Entnetzung der Metallschicht 29 von der Oberfläche des Solarzellensubstrates 27 im Bereich der Belichtungsteilflächen 33 kommen, so dass sich, wie in Figur 3 (c) dargestellt, von Metall unbedeckte, frei liegende Teiloberflächen 37 des Solarzellensubstrates 27 bilden. Zwischen diesen Teiloberflächen verbleiben Metallstege 39. Diese Metallstege 39 weisen aufgrund der zusätzlichen Anlagerung von Metall aus den benachbarten
Belichtungsteilflächen 33 eine größere Schichtdicke auf, als dies bei der ursprünglich abgeschiedenen Metallschicht 29 der Fall war. Insbesondere weisen Stege 39 in der Nähe ihrer Ränder verdickte Bereiche 41 auf, die eine höhere Dicke aufweisen als ein mittlerer Bereich 43 des jeweiligen Steges 39.
In Fig. 2 sind linienartige Belichtungsteilflächen 33 dargestellt, so dass die nach dem
Entnetzen verbleibenden Metallstege 39 ebenfalls linienförmig sind und Teil einer fingerartigen Metallelektrode bilden. Alternativ können die Belichtungsteilflächen 33 aber auch punktförmig oder sich zumindest nur über Teile der Länge des Solarzellensubstrates 27 erstreckend ausgebildet sein, so dass die Metallstege 39 eine netzartige Struktur bilden, die sowohl in Längsrichtung verlaufende als auch in Querrichtung verlaufende Teilbereiche aufweist. Es wird vermutet, dass der oben beschriebene Entnetzungsprozess dadurch begünstigt werden kann, dass zwischen der Oberfläche des Solarzellensubstrats 27 und der Metallschicht 29 eine dünne Schicht aus Oxid oder einem anderen Dielektrikum existiert. Eine solche Oxidschicht kann bereits mit sehr geringen Dicken von beispielsweise wenigen Angström, wie sie typisch für natürlich gebildete Siliziumoxide sind, Adhäsionskräfte zwischen der Metallschicht und dem Solarzellensubstrat beeinflussen und damit ein Entnetzen begünstigen.
Es wird außerdem vermutet, dass der Entnetzungsprozess bei mikroskopisch ebenen
Oberflächen zuverlässiger ablaufen dürfte als bei mikroskopisch rauen Oberflächen, was allerdings nicht ausschließt, dass das beschriebene Strukturierungsverfahren vorteilhaft auch auf makroskopisch unebenen Oberflächen ausgeführt werden kann, insbesondere da keine mechanische Bearbeitung des Substrates beziehungsweise der Metallschicht erforderlich ist.
Zusammenfassend wird mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen eines
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, einer entsprechenden Solarzelle sowie einer entsprechenden Herstellungsvorrichtung eine Möglichkeit beschrieben, Metallstrukturen mit sehr kleinen Strukturgrößen im Rahmen der Herstellung einer Solarzelle kostengünstig und zuverlässig zu erzeugen. Die hierfür verwendbaren Interferenzmuster lassen ein Generieren von Strukturbreiten im Bereich weniger Mikrometer oder sogar im Sub-Mikrometer-Bereich zu. Da die Metallschicht in ihren Belichtungsteilfiächen zwar lokal aufgeschmolzen, aber nicht verdampft wird, geht während der Bildung der Metallstrukturen im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Verfahren kein oder kaum Metall verloren. Stattdessen wird das in den Belichtungsteilfiächen enthaltene Metall durch Entnetzungsprozesse in angrenzende
Stegteilflächen verlagert, wo es letztendlich zur Verringerung eines elektrischen Widerstandes in den resultierenden Stegen dienen kann, wenn diese Stege als Metallkontakte für die Solarzelle verwendet werden. Alternativ können die Stege auch als fein definierbare
Ätzmaske oder als refiexionsmindernde Struktur auf der Solarzellenoberfläche eingesetzt werden. Weiterhin können punktförmige Anhäufungen des Metalls zur Erhöhung der optischen Weglänge im aktiven Material durch Beugung beitragen, oder auch als Strukturen zur Erzeugung von Oberflächenplasmonen genutzt werden. Oberflächenplasmonen können das light trapping verbessern, was gerade für Dünnschichtsolarzellen von Wichtigkeit ist.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe„umfassen",„aufweisen" etc. das Vorhandensein weiterer zusätzlicher Elemente nicht ausschließen sollen. Der Begriff„ein" schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Elementen bzw. Gegenständen nicht aus. Ferner können zusätzlich zu den in den Ansprüchen genannten Verfahrensschritten weitere Verfahrensschritte nötig oder vorteilhaft sein, um z.B. eine Solarzelle endgültig fertig zu stellen. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise einschränken.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Herstellungsvorrichtung
3 So larzellensubstrat
5 Haltevorrichtung
7 Laseranordnung
9 Laserlichtquelle
11 Laser
13 teildurchlässiger Spiegel
15 Laserstrahl
17 Laserstrahl
19 Optik
21 Spiegel
23 Solarzellensubstratoberfläche
25 Interferenzmuster
27 Solarzellensubstrat
29 Metallschicht
31 Licht
33 Belichtungsteilfiäche
35 Stegteilfläche
37 freiliegende Substratoberfläche
39 Steg
41 verdickter Bereich des Steges
43 Mittlerer Bereich des Steges

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Solarzellensubstrates (27),
flächiges Abscheiden einer Metallschicht (29) auf eine Oberfläche des
Solarzellensubstrates (27), wobei die Metallschicht (29) mit einer Schichtdicke von weniger als 5μιη, vorzugsweise weniger als 0,5 μιη und stärker bevorzugt weniger als 0,2μιη abgeschieden wird;
Beleuchten wenigstens einer Belichtungsteilfläche (33) der Metallschicht (29) mit Licht (31) derart intensiv, dass im Wesentlichen kein Metall verdampft, aber die Metallschicht (29) im Bereich der Belichtungsteilfläche (33) kurzzeitig über ihre gesamte Schichtdicke hin lokal aufschmilzt, wohingegen wenigstens eine angrenzende Stegteilfläche (35) der Metallschicht (29) weder aufschmilzt noch verdampft, wobei die Belichtungsteilfläche (33) eine Breite (d2) von weniger als ΙΟΟμιη, vorzugsweise weniger als 20μιη und beispielsweise weniger als 1 μιη und weiterhin beispielsweise weniger als 0,5 μιη aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei beim Beleuchten wenigstens zwei zueinander parallele längliche Belichtungsteilflächen (33) intensiv belichtet werden, wobei zwischen zwei benachbarten Belichtungsteilflächen (33) eine Stegteilfläche (35) angeordnet ist mit einer Breite (di) von weniger als ΙΟμιη, vorzugsweise weniger als 1 μιη und stärker bevorzugt weniger als 0,3μιη.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei durch lokales Beleuchten mehrere
Belichtungsteilflächen (33) derart belichtet werden, das zwischen den
Belichtungsteilflächen (33) verbleibende Stegteilflächen (35) eine netzartige Struktur mit in Längsrichtung verlaufenden Stegteilflächen-Teilbereichen und mit in Querrichtung verlaufenden Stegteilflächen-Teilbereichen bilden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch lokales Beleuchten mehrere Belichtungsteilflächen (33) derart belichtet werden, das zwischen den Belichtungsteilflächen (33) verbleibende Stegteilflächen (35) derart dimensioniert sind, dass auftretende plasmonische Effekte zu einer erhöhten optischen Transmission von eingestrahltem Sonnenlicht durch die Stegteilflächen hindurch führen.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zum Beleuchten eine Mehrzahl von Laserstrahlen (15, 17) derart überlagert werden, dass sich an der an dem Solarzellensubstrat (27) abgeschiedenen Metallschicht (29) Interferenzmuster (25) mit lichtintensiven Belichtungsteilflächen (33) und dazwischenliegenden lichtarmen Stegteilflächen (35) bilden, wobei in den lichtintensiven Belichtungsteilflächen (33) eine Lichtintensität ausreichend groß ist, um die Metallschicht (29) kurzzeitig lokal aufzuschmelzen, aber nicht zu verdampfen.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Licht (31) von einem Laserpuls mit einer Pulsdauer von weniger als 100ns, vorzugsweise weniger als 50ns und stärker bevorzugt weniger als 20ns erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Metallschicht (29) mehrere
Belichtungsteilflächen (33) aufweist und wobei jede der Belichtungsteilflächen (33) mit lediglich einem einzigen Laserpuls belichtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Metallschicht (29) mehrere
Belichtungsteilflächen (33) aufweist und wobei jede der Belichtungsteilflächen (33) zeitlich nacheinander mit mehreren Laserpulsen belichtet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Solarzellensubstrat (27) und das Beleuchtungslicht (31) relativ zueinander während des Beleuchtens und/oder zwischen zwei zeitlich aufeinander folgenden Beleuchtungen quer im Bezug auf eine Beleuchtungsrichtung verlagert werden.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht (29) mit Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Titan (Ti), Palladium (Pd), Silber (Ag), Gold (Au), Aluminium (AI) und/oder Chrom (Cr) abgeschieden wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Solarzellensubstrat (27) ein Halbleitersubstrat ist, in dem vor dem Abscheiden der Metallschicht (29) unterschiedlich dotierte Bereiche erzeugt wurden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Solarzellensubstrat (27) ein elektrisch isolierendes Trägersubstrat ist, auf dem nach dem Abscheiden der
Metallschicht (29) eine Halbleiterschicht mit unterschiedlich dotierten Bereichen abgeschieden wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Solarzellensubstrat (27) mit einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Glas und Kunststoff ausgebildet ist.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei nach dem Beleuchten verbleibende mit Metall bedeckte Stegteilflächen (35) durch Aufplattieren von weiterem Metall verdickt werden.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei nach dem Beleuchten ein Ätzschritt durchgeführt wird, bei dem das Solarzellensubstrat (27) in Kontakt mit einem Ätzfluid gebracht wird, wobei verbleibende mit Metall bedeckte Stegteilflächen (35) als Ätzmaske zum Schutz von darunterliegenden Bereichen des
Solarzellensubstrates gegen das Ätzfluid dienen.
16. Solarzelle, aufweisend:
ein Halbleitersubstrat (27);
Metallstrukturen an einer Oberfläche des Halbleitersubstrates (37);
wobei die Metallstrukturen eine Vielzahl länglicher metallischer Stege (39) aufweisen, wobei die Stege (39) eine Breite im Bereich von zwischen 50nm und ΙΟμιη, vorzugsweise zwischen lOOnm und 3μιη, insbesondere kleiner als 0,5 μιη, aufweisen und wobei ein Abstand zwischen benachbarten Stegen (39) im Bereich von zwischen lOOnm und 50μιη, vorzugsweise zwischen 200nm und 20 μιη liegt, insbesondere vorzugsweise kleiner als 1 μιη ist.
17. Solarzelle nach Anspruch 16, wobei die metallischen Stege (39) in der Nähe (41) ihrer seitlichen Rändern eine größere Dicke aufweisen als in ihrer Mitte (43).
18. Vorrichtung (1) zum Herstellen einer Metallstruktur auf einem Solarzellensubstrat (3) für eine Solarzelle, aufweisend:
eine Haltevorrichtung (5) zum Halten des Solarzellensubstrates (3);
eine Laseranordnung (7) mit einer Laserlichtquelle (9) zum Erzeugen von wenigstens zwei zueinander kohärenten Laserstrahlen (15, 17) und einer Optik (19) zum
Ausrichten der zwei zueinander kohärenten Laserstrahlen (15, 17) derart, das an einer Oberfläche (23) eines in der Haltevorrichtung (5) gehaltenen Solarzellensubstrates (3) Interferenzmuster (25) gebildet werden,
wobei die Laseranordnung (7) derart ausgestaltet ist, dass in lichtintensiven
Behchtungsteilflächen (33) des Interferenzmusters (25) die Beleuchtung einer an dem Solarzellensubstrat (3) abgeschiedenen Metallschicht (29) derart intensiv ist, dass im Wesentlichen kein Metall verdampft, aber die Metallschicht (29) im Bereich der Belichtungsteilflächen (33) kurzzeitig über ihre gesamte Schichtdicke hin lokal aufschmilzt, wohingegen wenigstens eine angrenzende Stegteilfläche (35) der Metallschicht (29) weder aufschmilzt noch verdampft.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Haltevorrichtung (5) und/oder die Laseranordnung (7) dazu ausgelegt sind, das Solarzellensubstrat (3) und die Laserstrahlen (15, 17) in einer Richtung quer zu den Laserstrahlen (15, 17) relativ zueinander zu verlagern.
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