DE102009038141A1

DE102009038141A1 - Verfahren zur Herstellung einer Emitter-Elektrode auf eine kristalline Siliziumsolarzelle und entsprechende Siliziumsolarzelle

Info

Publication number: DE102009038141A1
Application number: DE102009038141A
Authority: DE
Inventors: Helge Dr. Haverkamp; Petra Mitzinneck; Kay Kieninger; Jürgen SOLLNER
Original assignee: Gebrueder Schmid GmbH and Co
Current assignee: Gebrueder Schmid GmbH and Co
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2011-02-17
Also published as: WO2011018507A3; JP2013502064A; KR20120047287A; TW201130149A; US20120204946A1; CA2771013A1; SG178373A1; IL218040A0; AU2010283702A1; WO2011018507A2; CN102687280A; EP2465145A2; MX2012001900A

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer frontseitigen Emitter-Elektrode als Frontkontakt für eine Siliziumsolarzelle an einem Siliziumwafer wird in dessen Frontseite eine Vertiefung erzeugt. Dann werden eine vorderseitige n-dotierte Siliziumschicht und eine Antireflexions-Schicht erzeugt. Dann wird eine Paste in die Vertiefung eingebracht, die elektrisch leitfähige Metallpartikel und ätzende Glasfritte enthält, die sich durch kurzzeitiges Erhitzen durch die Antireflexions-Schicht zur n-dotierten Siliziumschicht durchätzt und diese elektrisch kontaktiert. Danach wird in der Vertiefung auf die getemperte Paste elektrisch leitfähiges Frontkontakt-Metall galvanisch angelagert als Frontkontakt.

Description

Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer frontseitigen Emitter-Elektrode als Frontkontakt für eine kristalline Siliziumsolarzelle an einem Siliziumwafer sowie eine mit einem solchen Verfahren hergestellte Siliziumsolarzelle.
Um an einer kristallinen Siliziumsolarzelle einen Frontkontakt herzustellen, wird üblicherweise mit Siebdruck auf eine frontseitige n-dotierte Siliziumschicht mit einer Antireflexions-Schicht darauf eine Leiterbahn aufgedruckt. Diese kann derzeit mit einer Breite von etwa 120 μm bis 150 μm gedruckt werden, so dass der Frontkontakt in etwa diese Breite hat. Mit dieser Breite schirmt er dann auch die Solarzelle ab, was sich bei der üblichen Anzahl von Frontkontakten insgesamt deutlich und negativ auswirkt. Die Erzeugung von schmaleren Leiterbahnen mittels Siebdruck ist derzeit technisch nur sehr schwer möglich, da Siebdruckverfahren eine gewisse begrenzte Auflösung haben und damit nur sehr schwer schmalere Leiterbahnen aufgebracht werden können.
Um die Abschattung der frontseitigen Emitter-Elektrode einer kristallinen Siliziumsolarzelle zu verringern und somit den Wirkungsgrad zu erhöhen, könnte man zwar versuchen, dennoch die Strukturbreite der Leiterbahnen für die Emitter-Elektrode bei den genannten Siebdruck-Verfahren noch weiter zu verringern. Dies hat aber den nachteiligen Effekt, dass bei Verringerung ihrer Breite ohne gleichzeitige Erhöhung der Höhe eine Reduktion der Querschnittfläche einhergeht. Dies hat wiederum eine geringere Leitfähigkeit zur Folge, wodurch die elektrischen Verluste am Serienwiderstand ansteigen.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine damit hergestellte Siliziumsolarzelle zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere möglichst schmale Frontkontakte hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Siliziumsolarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der nachfolgend aufgezählten Merkmale nur für das Verfahren oder nur für die Siliziumsolarzelle genannte. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch für die Siliziumsolarzelle gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Es ist vorgesehen, dass in der Frontseite des Siliziumwafers eine Vertiefung für den Frontkontakt erzeugt wird. Dann wird eine vorderseitige n-dotierte Siliziumschicht auf bekannte Art und Weise erzeugt sowie darauf eine übliche Antireflexions-Schicht aufgebracht. Die Vertiefung kann also die Form haben, die später die Form für den Frontkontakt vorgeben soll, insbesondere also als langgestreckte schmale Linie. Danach wird eine Paste in die Vertiefung eingebracht, welche elektrisch leitfähige Metallpartikel und ätzende Glasfritte enthält. Diese Paste wird dann kurzzeitig erhitzt bzw. getempert, insbesondere einige Sekunden lang, was beispielsweise mit einer Temperatur von etwa 800°C erfolgen kann. Dadurch ätzt sich die Paste, insbesondere durch die Glasfritte, durch die Antireflexions-Schicht durch bis zur n-dotierten Siliziumschicht und kann diese über die Metallpartikel elektrisch kontaktieren. In einem weiteren Schritt wird dann in der Vertiefung auf die getemperte Paste bzw. die von ihr gebildete elektrisch leitfähige Schicht das Frontkontakt-Metall galvanisch angelagert bzw. aufgebracht. Die Dicke des Frontkontakt-Metalls ist dann vorteilhaft deutlich höher als diejenige der getemperten Paste bzw. der von ihr gebildeten elektrisch leitfähigen Schicht, so dass dann dieses Frontkontakt-Metall als Frontkontakt bzw. frontseitige Emitter-Elektrode die eigentliche Aufgabe der elektrischen Leitfähigkeit übernimmt.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass durch die Vertiefung, die vorteilhaft als eine Art Graben ausgebildet ist, bzw. deren Breite die Breite des dann entstehenden Frontkontaktes vorgegeben werden kann. Ist die Vertiefung mit einer Breite zwischen 50 μm und 100 μm, vorteilhaft 60 μm bis 80 μm, erzeugt, so ist dies eben auch die maximale Breite des entstehenden Frontkontaktes. Er kann also unter Umständen halb so breit sein wie bisher. Dadurch wird eben eine erheblich geringere Abschattung erreicht als bisher. Eine Vertiefung kann mit einer Tiefe von beispielsweise 15 μm bis 40 μm erzeugt werden.
Ein Effekt der Vertiefung ist es nämlich auch, dass die Paste, falls sie eher dünnflüssig ist, nicht wie beim Siebdruck auf einer ebenen Fläche beliebig verlaufen kann. Es können dadurch auch sehr dünnflüssige Pasten verwendet werden, was wiederum das Aufbringen der Paste, beispielsweise durch ein Inkjet-Verfahren oder Tintenstrahl-Verfahren, vereinfacht, insbesondere mit relativ großer Genauigkeit bzw. großer Auflösung in die schmalen Vertiefungen hinein.
In der Paste, die an sich eine Art Standard-Paste für eine solche elektrisch leitfähige Kontaktierung sein kann, können als elektrisch leitfähige Partikel Nanopartikel mit Silber enthalten sein. Dies kann beispielsweise mit einem dünnen Überzug versehenes Silber sein. Diese Nanopartikel können etwa 30% bis 70% des Festkörperanteils der Paste ausmachen, vorteilhaft etwa 40% bis 60% bzw. etwa die Hälfte.
Die ätzende Glasfritte in der Paste kann wie üblich ausgebildet sein, beispielsweise mit Blei- und/oder Kadmiumoxid.
Die Vertiefung kann einerseits mechanisch durch Einritzen odgl. erzeugt werden. Als vorteilhaft hat sich jedoch Lasern herausgestellt, welches schnell und präzise arbeitet und Vertiefungen mit den gewünschten Abmessungen ergibt.
Die Vertiefung muss durch das Frontkontakt-Metall nicht vollständig gefüllt sein, insbesondere sollte es sogar vermieden werden, sie ganz zu füllen. Falls dann nämlich quasi über die Vertiefung hinaus doch noch etwas Frontkontakt-Metall angelagert werden sollte, besteht die Gefahr, dass sich dieses mit einer üblichen Anlagerungscharakteristik anlagern würde mit einer Breite über die Vertiefungen hinaus. Dann würde wiederum die Abschattung unerwünscht groß werden. Deswegen wird es auch als ausreichend angesehen, die Vertiefung nur bis etwa zur Hälfte zu füllen, möglicherweise auch etwas mehr. Ein fertiger metallischer Frontkontakt der Siliziumsolarzelle kann dann eine Höhe von etwa 10 μm bis 20 μm aufweisen, was eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit ergibt.
Durch ein vorgenanntes Verfahren zum Einbringen der Paste kann sichergestellt werden, dass sie tatsächlich nur in die Vertiefung eingebracht wird. Auch so können ungewünschte Abschattungen reduziert bzw. vermieden werden.
Beim galvanischen Anlagern bzw. Aufbringen des Frontkontakt-Metalls können mehrere Metalle aufgebracht werden, und zwar in einer bestimmten zeitlichen Abfolge. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, zuerst Nickel als Diffusionssperre aufzubringen, um zu verhindern, dass danach aufgebrachtes Kupfer, welches hauptsächlich die elektrische Leitfähigkeit des späteren Frontkontaktes übernimmt, in das Silizium eindiffundiert. Dies ist sehr wichtig, da ein solches Eindiffundieren von Kupfer das Silizium bzw. dessen Halbleitereigenschaften quasi vergiftet. Abschließend kann Zinn aufgebracht werden, um ein Oxidieren des Kupfers zu verhindern. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Anteil von aufgebrachtem Kupfer erheblich größer ist als derjenige der anderen Metalle. Die genannten drei Schritte des galvanischen Aufbringens von Metallen für den Frontkontakt können in Durchlaufanlagen hintereinander durchgeführt werden. Dabei ist es möglich, diese Aufbringung bzw. das Galvanisieren mit Licht zu unterstützen bzw. die Siliziumwafer dabei zu beleuchten. Dies reduziert die aufzubringende, anzulegende Stromstärke. Hierzu wird auf die EP 542 148 A1 verwiesen, in der diese Technik erläutert wird
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 bis 5 verschiedene Bearbeitungsschritte eines Siliziumwafers zum Erzeugen eines Frontkontaktes.
Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein kristalliner Siliziumwafer 11 im seitlichen Schnitt dargestellt. Er weist eine nach oben zeigende Frontseite 12 auf. Der Wafer soll zu einer Siliziumsolarzelle verarbeitet werden.
Gemäß 2 wird mittels eines Lasers 15 in die Frontseite 12 eine Vertiefung 14 nach Art eines Grabens eingebracht. Die Vertiefung 14 kann eine Breite von 60 μm bis 80 μm und eine Tiefe von 20 μm bis 30 μm haben. Die spezielle Ausbildung der Vertiefung 14 ist zwar nicht immer ganz rechteckig wie hier dargestellt, dies stört aber nicht. Wichtig ist eben, dass sich eine Vertiefung bzw. eine Art Graben ergibt.
In einem weiteren Schritt gemäß 3 wird auf bekannte Art und Weise eine n-dotierte Siliziumschicht 16 an der Frontseite 12 erzeugt. Darauf wird auf bekannte Art und Weise eine übliche Antireflexions-Schicht 17 aufgebracht. Diese beiden Schichten weisen dann eben auch die Vertiefung 14 auf bzw. die Vertiefung 14 ist immer noch vorhanden.
In einem nochmals weiteren Schritt gemäß 4 wird mittels eines Inkjet-Druckers 18 eine vorbeschriebene Paste 19 in die Vertiefung 14 eingebracht. Derartige Inkjet-Drucker 18 sind bekannt und brauchen nicht weiter erläutert zu werden. Die Paste 19 kann nach vorstehend genannten Kriterien zusammengesetzt sein und weist als Festkörperanteil Nanopartikel mit Silber auf, beispielsweise etwa 50 Gew.% des Festkörperanteils. Des weiteren weist die Paste noch ätzende Glasfritte auf, insbesondere Blei oder Kadmiumoxid, was an sich aber auch bekannt ist. Die Menge an aufgebrachter Paste 19 in der Vertiefung 14 kann variieren. Es sollte so viel Paste 19 vorhanden sein, dass sie sich beim nachfolgenden, nicht dargestellten Schritt des Temperns bzw. Sinterns mit oben genannten Parametern mittels der Glasfritte durch die Antireflexions-Schicht 17 durchätzt und die n-dotierte Siliziumschicht kontaktiert bzw. in diese eindringt. Dies kann noch weiter gehen als hier dargestellt. Des weiteren sollte eine metallisch bzw. elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der n-dotierten Schicht 16 und der Oberfläche der getemperten Paste 19 gegeben sein, die sich vorteilhaft über die wesentliche oder die gesamte Breite der Vertiefung 14 ausdehnt, so dass anschließend ein Frontkontakt erzeugt werden kann.
In 5 ist dann dargestellt, wie, vorteilhaft durch Unterstützung durch Beleuchtung auf vorbeschriebene Art und Weise, galvanisch Frontkontakt-Metall 21 aufgebracht worden ist. Dieses Frontkontakt-Metall 21 ist deutlich dicker als die Paste 19 und aufgrund seiner Zusammensetzung auch sehr viel besser elektrisch leitfähig. Es kann sich sehr gut auf der durch die getemperte Paste gebildeten leitfähigen Schicht anlagern. Das Frontkontakt-Metall 21 kann aus den vorbeschriebenen Metallen Nickel, Kupfer und Zinn bestehen bzw. diese aufweisen, die dann nacheinander in drei galvanischen Schritten aufgebracht werden.
Der dadurch insgesamt gebildete Frontkontakt 22 kann die Vertiefung 14 etwa zur Hälfte füllen, möglicherweise aber auch etwas mehr. Es sollte lediglich darauf geachtet werden, dass das Frontkontakt-Metall 21 nicht auf die flächige Frontseite 12 gerät und sich dort ausbreitet. Zum einen könnte wiederum Kupfer in das Silizium gelangen, was aus vorgenannten Gründen zu vermeiden ist. Des weiteren würde dann wiederum eine Abschattung der Frontseite 12 einer aus dem Siliziumwafer 11 gefertigten kristallinen Siliziumsolarzelle ansteigen, da ebne mehr als die Breite der Vertiefung bedeckt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 542148 A1 [0014]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer frontseitigen Emitter-Elektrode als Frontkontakt für eine kristalline Siliziumsolarzelle an einem Siliziumwafer, wobei in der Frontseite des Siliziumwafers eine Vertiefung für den Frontkontakt erzeugt wird und nach Erzeugen einer vorderseitigen n-dotierten Siliziumschicht und Aufbringen einer Antireflexions-Schicht eine Paste in die Vertiefung eingebracht wird, die elektrisch leitfähige Metallpartikel und ätzende Glasfritte enthält, wobei sich die Paste danach nach kurzzeitigem Erhitzen bzw. Tempern durch die Antireflexions-Schicht zur n-dotierten Siliziumschicht durchätzt und diese elektrisch kontaktiert, wobei dann in der Vertiefung auf die getemperte Paste elektrisch leitfähiges Frontkontakt-Metall galvanisch angelagert bzw. aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem galvanischen Anlagern bzw. Aufbringen von Frontkontakt-Metall mehrere Metalle in einer bestimmten Abfolge aufgebracht werden, vorzugsweise zuerst Nickel als Diffusionssperre, um ein Eindiffundieren von danach aufgebrachtem Kupfer in das Silizium zu verhindern, später das Kupfer, und abschließend Zinn zum Verhindern des Oxidierens des Kupfers.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel in der Paste Nanopartikel mit Silber aufweisen, insbesondere mit einem Anteil von 30% bis 70% des Festkörperanteils der Paste, vorzugsweise 40% bis 60%.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung durch das Frontkontakt-Metall mindestens zu 30% gefüllt wird, vorzugsweise zu etwa 50% bis 60%.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung durch Lasern erzeugt wird, vorzugsweise mit einer Breite zwischen 50 μm und 100 μm und mit einer Tiefe von insbesondere 15 μm bis 40 μm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste mittels eines Inkjet-Verfahrens bzw. Tintenstrahl-Verfahrens in die Vertiefung eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste ausschließlich in die Vertiefung eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagern bzw. Aufbringen des Frontkontakts mit dem Frontkontakt-Metall auf die getemperte Paste durch lichtinduzierte Galvanik bzw. lichtunterstützte Galvanik erfolgt.
Siliziumsolarzelle, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung etwa zur Hälfte mit Frontkontakt-Metall gefüllt ist.
Siliziumsolarzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein fertiger metallischer Frontkontakt der Siliziumsolarzelle eine Breite entsprechend der Vertiefung von etwa 60 μm bis 80 μm aufweist und eine Höhe von etwa 10 μm bis 20 μm.