DE102009053776A1

DE102009053776A1 - Emitterbildung mit einem Laser

Info

Publication number: DE102009053776A1
Application number: DE102009053776A
Authority: DE
Original assignee: SYSTAIC CELLS GmbH
Current assignee: SYSTAIC CELLS GmbH
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-06-01
Also published as: WO2011060764A3; WO2011060764A2

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Rückkontakt-Solarzelle 4 und ein Verfahren zur Herstellung einer Rückkontakt-Solarzelle 4, bei dem in einem zusätzlichen Prozessschritt ein durchsichtiges Substrat mit der Rückseite eines Siliziumwafers in Kontakt gebracht wird, durch Bestrahlung mit einem Laser lokal ein Dotierstoff eingebracht wird und dann mit Hilfe einer mit Metall beschichteten Folie und einem weiteren Laserprozess die Basis des n-Typ-Siliziums kontaktiert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Rückkontakt-Solarzelle sowie ein Verfahren zur Emitterbildung mit einem Laser, insbesondere zur Herstellung einer Rückkontakt-Solarzelle, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie des Anspruchs 6.
Konventionelle Solarzellen haben einen vorderseitigen Kontakt, das heißt einen Kontakt, der auf einer dem Licht zugewandten Oberfläche der Solarzelle angeordnet ist, und einen rückseitigen Kontakt an einer dem Licht abgewandten Oberfläche der Solarzelle. In konventionellen Solarzellen ist der größte Volumenanteil eines das Licht absorbierenden Halbleitersubstrats von eben dem Halbleitertyp, z. B. p-Typ, der vom rückseitigen Kontakt kontaktiert wird. Dieser Volumenanteil wird üblicherweise als Basis bezeichnet. Im Bereich der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats befindet sich eine dünne Schicht vom entgegengesetzten Halbleitertyp, z. B. n-Typ. Diese Schicht wird üblicherweise als Emitter bezeichnet und die sie kontaktierenden Kontakte als Emitterkontakte.
Die an der Vorderseite der Solarzelle angeordneten Emitterkontakte führen jedoch aufgrund der mit ihnen verbundenen teilweisen Abschattung der Vorderseite zu einem Wirkungsgradverlust. Um den Wirkungsgrad der Solarzelle zu steigern, ist es grundsätzlich vorteilhaft, sowohl die Basiskontakte als auch die Emitterkontakte an der Rückseite der Solarzelle anzuordnen. Zu diesem Zweck müssen an der Rückseite der Solarzelle entsprechende Emitterbereiche ausgebildet werden. Eine Solarzelle, bei der sich an der im Einsatz lichtabgewandten Seite sowohl Emitterbereiche als auch Basisbereiche befinden und bei der sowohl die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte an der Rückseite ausgebildet sind, wird als Rückkontakt-Solarzelle bezeichnet.
Zur Erzeugung dieser Emitterbereiche, also von dotierten Bereichen in Festkörpern, insbesondere in Solarzellen aus einkristallinem oder multikristallinem Silizium, wird üblicherweise ein Hochtemperaturschritt eingesetzt. Die Diffusion des Dotierstoffes, im Allgemeinen Phosphor, erfolgt üblicherweise in einem Diffusionsofen.
Ebenfalls bekannt zur Dotierung von Festkörpern sind anstelle von Diffusionsprozessen beispielsweise Ionen-Implantationen, Aufbringen und Strukturieren von Halbleiterschichten mittels verschiedener Beschichtungsverfahren wie Expitaxie, Hetero-Epitaxie o. ä.
Bekannt ist eine „Laserdotierung von Festkörpern mit einem linienfokussierten Laserstrahl und darauf basierende Herstellung von Solarzellen-Emittern” ( EP 1 738 402 B1 ), bei dem ein Dotierstoff in Kontakt mit einer Oberfläche einer Solarzelle gebracht wird, anschließend durch Bestrahlung mit einem Laser ein Bereich der Oberfläche der Solarzelle aufgeschmolzen wird, wobei der Dotierstoff dort hinein diffundiert und während des Abkühlens dann der aufgeschmolzene Bereich rekristallisiert. Dabei wird der Laserstrahl in einem Linienfokus auf den Festkörper fokussiert.
Ebenfalls bekannt ist ein „Verfahren zur Metallisierung von Solarzellen und dessen Verwendung” ( DE 10 2006 044 936 B4 ), bei dem eine Aluminiumfolie mit zusätzlichen metallischen Strukturen zur Verschaltung in weiteren Halbleiterbauelementen mindestens partiell in direkten Kontakt, beispielsweise durch Andrücken, Anblasen und/oder Ansaugen, mit der Oberfläche einer Solarzelle gebracht wird und anschließend durch Lasereinwirkung ein mindestens partielles Verbinden durch zumindest teilweises Aufschmelzen des Aluminiums mit der Oberfläche des Halbleiterbauelements durchgeführt wird. Dabei ist ein direkter Kontakt des Aluminiums mit dem Substrat kraft- und/oder formschlüssig vonnöten. Diese Metallisierung kann als Rückseitenkontakt auf die Solarzelle aufgebracht werden.
Zur kostengünstigen Herstellung von Solarzellen sind einfache und schnelle Einzel-Prozessschritte, die sich in einen kontinuierlichen Fertigungsprozess integrieren lassen, erforderlich. Vor allem die Fertigung von rückseitig kontaktierbaren Solarzellen benötigt jedoch einen wesentlich höheren Anteil an Prozessschritten als der von Standardsolarzellen. Dies liegt insbesondere an der Schwierigkeit, einen lokalen pn-Übergang herzustellen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Rückkontakt-Solarzelle sowie ein Verfahren zur Herstellung von Rückkontakt-Solarzellen bereitzustellen, mit dem durch die Einfügung einzelner vereinfachender Prozessschritte die Gesamtausbeute der Produktion erhöht werden kann und eine rückseitig kontaktierbare Solarzelle einfacher herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 6 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Die Erfindung gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass in ein gängiges Verfahren ein weiterer Prozessschritt eingeführt wird, in dem ein durchsichtiges, mit einem Dotierstoff (z. B. Aluminium oder Bor) beschichtetes Substrat, vorzugsweise eine beschichtete Kunststofffolie, mit der Rückseite eines Siliziumwafers in Kontakt gebracht wird und durch Bestrahlung mit einem Laser dadurch lokal ein Dotierstoff eingebracht wird, der einen pn-Übergang bildet. Anschließend wird erfindungsgemäß in einem anschließenden Prozessschritt mit Hilfe einer mit Metall beschichteten Folie und einem gleichartigen Laserprozess die Basis des Siliziums, z. B. eines n-Typ-Siliziums, kontaktiert.
Dabei wird ein Laser verwendet, der vorzugsweise gepulst oder mit einer Linienoptik versehen ist, damit das Silizium nicht nachhaltig geschädigt wird.
Die Reihenfolge der Prozessschritte kann also beispielhaft so aussehen:

– Ätzen eines Rohwafers aus mono- oder multikristallinem Silizium als Substrat, das vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise mit einer n-Typ-Dotierung versehen ist. Der alkalische oder saure Ätzprozess nimmt den Sägeschaden vom Rohwafer ab und führt zu einer texturierten Oberfläche mit verminderter Reflexion.
– Eindiffundieren einer Schicht Phosphor in das n-Typ-Silizium. Dies erfolgt beispielsweise in einem Rohrofen. Im p-Typ-Substrat bedeutet dieser Schritt die Ausbildung eines pn-Übergangs, im n-Typ-Substrat führt es zu einem n+, n Frontsurfacefield.
– Abätzen des bei der Diffusion entstandenen Phosphorglases.
– Rückätzung einer Seite des Wafers ungefähr um die Tiefe der diffundierten Schicht. Dadurch wird die Rückseite der zukünftigen Rückseitenkontakt-Solarzelle definiert.
– Abscheidung einer Antireflexschicht auf die Vorderseite des Wafers, die gleichzeitig eine elektrisch passivierende Wirkung hat, aber nicht notwendig aus SiN ist;
– oder Aufbringung einer passivierenden Schicht und einer Antireflexschicht nacheinander.
– Aufbringung einer Passivierschicht auf die Rückseite des Wafers, beispielsweise dielektrische Schichten.

Es kann notwendig sein, dass zur anschließenden Einbringung des Dotierstoffes und/oder der Metallisierung die Passivierschicht lokal geöffnet werden muss. Dies erfolgt mit Hilfe von Lasern oder lokalem Ätzen mittels Siebdruck oder Ink-Jet-Verfahren.

– Einbringung eines Dotierstoffes dadurch, dass ein durchsichtiges Substrat, vorzugsweise eine Kunststofffolie, die beschichtet ist, beispielsweise, aber nicht notwendigerweise, mit einem Metall wie Aluminium, Bor, Gallium oder Indium, eingesetzt wird. Diese Folie wird mit der beschichteten Seite mit der Rückseite des Siliziumwafers in Kontakt gebracht. Ein Laser bestrahlt die bedampfte Schicht durch die Folie.
– a) Dabei kann ein an sich bekanntes Verfahren, beispielsweise das sogenannte LIFT-Verfahren (Laser Induced Forward Transfer), eingesetzt werden. Hierbei wird vor einem zu beschichtenden Substrat ein optisch durchsichtiges Trägermaterial mit einer dünnen Schicht des aufzutragenden Materials platziert. Mit Hilfe eines Laserstrahls wird das aufzutragende Material durch die optisch transparente Trägerschicht hindurch lokal so stark aufgeheizt, das es sich von dem Trägermaterial löst und auf dem unmittelbar benachbarten Substrat niederschlägt. Bei höheren Lastintensitäten, insbesondere bei Verwendung eines gepulsten Lasers, heizt sich das Material so stark auf, dass es den Verdampfungspunkt erreicht und dass der Übertragungsvorgang auf die Substratoberfläche durch den Metalldampfdruck unterstützt und getrieben wird.
– b) In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird alternativ zum beschriebenen LIFT-Verfahren eine mit Metall beschichtete Folie in Kontakt mit der Siliziumwaferoberfläche gebracht und dann mit einem Laser von hinten durch die Folie derart beschossen, dass das Metall dadurch von der Folie abgesprengt wird und so als Dotierschicht und nicht als Metallisierung in das Silizium eingetrieben wird.
– c) In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Folie nicht direkt mit dem Siliziumwafer in Kontakt gebracht, sondern einige μm entfernt platziert. Dadurch wird nach Beschuss mit dem Laser die Dotierung des Siliziumwafers mit den abgesprengten Metallpartikeln erzielt.
– Durch jedes der beschriebenen Verfahren a), b), c) wird erreicht, dass lokal ein Dotierstoff eingebracht wird und ein pn-Übergang gebildet wird.
– Basiskontaktierung des n-Typ-Siliziumwafers durch einen gleichartigen Laserprozess mit Hilfe einer mit Metall beschichteten Folie. Das Metall der Beschichtung kann Silber sein oder aber eine Abfolge unterschiedlicher Metalle, also beispielsweise Titan, Palladium, Silber oder andere Metalle.

Nach diesen erfindungsgemäßen zusätzlichen Schritten könnten sich einige aus der Herstellung von Silizium-Solarzellen aus dem Stand der Technik bekannte Siebdruckschritte anschließen. Dabei sollen die n-Typ- und p-Typ-Bereiche getrennt kontaktiert werden. Die Reihenfolge der Kontaktierung ist im Folgenden beispielhaft dargestellt:

– Kontaktierung des p-Bereichs mit Aluminium-Siebdrucklinien in einem ersten Schritt.
– Kontaktierung der p-Kontakte mit Silbersiebdruck in einem zweiten Schritt.
– Löten der Kontakte dadurch, dass am Rand über den Aluminium-Siebdruck eine Aluminium-Silberpaste gedruckt wird, die ein Löten der Kontakte ermöglicht.

Nach jedem Siebdruckschritt sind Ofenprozesse zum Trocknen bzw. Sintern der Kontakte vorzusehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden beispielsweise überall unter den Siebdruckemittern und/oder unter der Siebdruckmetallisierung vollständig oder zumindest großflächig Emitterbereiche oder Metallisierungen mittels Lasertechnik aufgebracht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Rückseitenpassivierung vor dem Laserprozess lokal geöffnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Layout zur Optimierung des Serienwiderstandes derart geändert, dass der Abstand der Siebdrucklinien, die Anzahl und die Lage der lötbaren Bereiche; die Breite, Länge, der Abstand und die Form der Emitter- und Kontaktlinien variabel und den entsprechenden Erfordernissen anpassbar sind.
Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung können eine oder beide mit dem Laser erzeugten Strukturen galvanisch oder stromlos verstärkt werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnungen
1 zeigt die Rückseite des Wafers nach der Emitterbildung.
In 2 ist die Rückseite des Wafers nach der Metallisierung dargestellt.
3 zeigt die Rückkontakt-Solarzelle nach Emitterbildung und Siebdruck.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt die Rückseite des Wafers 1 nach der Emitterbildung. Die D-Linien 2 bestehen aus dem lokal eingetriebenen Dotierstoff, z. B. Aluminium.
In 2 ist die Rückseite des Wafers 1 nach der Metallisierung dargestellt. Die M-Linien 3 stellen das per Laser von der Folie übertragene Metall dar, z. B. Silber.
3 zeigt die Rückkontakt-Solarzelle 4 nach der Emitterbildung und dem Siebdruck. Dabei stellen die D-Linien 2 den Emitter (z. B. Aluminium) dar, die M-Linien 3 die Lasermetallisierung, die durch M-Siebdruckfinger 7 mit dem Kontaktbalken 5 am Rand verbunden sind. Ein Silber/Aluminium-Balken 6 dient der lötbaren Kontaktierung des Emitters, der wiederum durch D-Siebdruckfinger 8 mit den gelaserten Emitterbereichen verbunden ist.
Die einzelnen Rückkontakt-Solarzellen können zu einem String zusammengeschaltet werden.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Wafer
2: D-Linie aus lokal eingetriebenem Dotierstoff, z. B. Aluminium
3: M-Linie aus vom Laser von der Folie übertragenen Metall, z. B. Silber
4: Rückkontakt-Solarzelle
5: Kontaktbalken der Lasermetallisierung
6: Silber/Aluminium-Balken zur lötbaren Kontaktierung des Emitters
7: M-Siebdruckfinger
8: D-Siebdruckfinger

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 1738402 B1 [0006]
DE 102006044936 B4 [0007]

Claims

Rückkontakt-Solarzelle (4) mit Basiskontakten, die in Kontakt mit Basisbereichen und Emitterkontakten, die in Kontakt mit einer Emitterschicht stehen, wobei sowohl die Basiskontakte und die Basisbereiche als auch die Emitterkontakte und die Emitterschicht auf der dem Licht abgewandten Rückseite der Solarzelle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in die Emitterschicht mittels eines Lasers lokal ein Dotierstoff derart eingebracht ist, dass die Emitterschicht einen pn-Übergang bildet.
Rückkontakt-Solarzelle (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Metallisierung aufweist, die durch einen Laser aufbringbar ist und die der Kontaktierung zur Basis des n-Typ-Siliziums dient.
Rückkontakt-Solarzelle (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff Aluminium oder Bor ist.
Rückkontakt-Solarzelle (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung aus Silber oder einer Abfolge von Metallen besteht.
Rückkontakt-Solarzelle (4) nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge von Metallen zumindest einen Bestandteil Titan, Palladium, Nickel oder Silber enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Rückkontakt-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein durchsichtiges Substrat, insbesondere eine Kunststofffolie, das eine Beschichtung, insbesondere aus Metall oder Bor, aufweist, mit der Beschichtungsseite an der Rückseite eines Siliziumwafers angeordnet wird und durch Bestrahlen mit einem Laser die Beschichtung von dem Substrat abgelöst wird und als Dotierstoff in den Werfer lokal eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt mittels eines Lasers eine mit Metall, insbesondere Silber, beschichtete Folie so bestrahlt wird, dass die Basis des n-Typ-Siliziums kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat in Kontakt mit dem Werfer oder mit einem Abstand zum Wafer angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser eine Linienoptik besitzt und/oder gepulst betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte des Einbringens des Dotierstoffes und der Metallisierung zwischen den Verfahrensschritten der Aufbringung einer Passivierungsschicht auf die Rückseite des Werfers und nachfolgenden Siebdruckschritten erfolgen.