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WO2013120633A1 - Leitpaste und verfahren zur herstellung einer halbleitereinrichtung - Google Patents

Leitpaste und verfahren zur herstellung einer halbleitereinrichtung Download PDF

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WO2013120633A1
WO2013120633A1 PCT/EP2013/050043 EP2013050043W WO2013120633A1 WO 2013120633 A1 WO2013120633 A1 WO 2013120633A1 EP 2013050043 W EP2013050043 W EP 2013050043W WO 2013120633 A1 WO2013120633 A1 WO 2013120633A1
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paste
conductive paste
additive
substrate
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Petra Kuschel
Thomas Wagner
Robert Roelver
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
    • H01B1/22—Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to conductive or screen printing pastes, as they are used for the production of electrical contacts on semiconductor devices, such as solar cells. It further relates to a method of manufacturing a semiconductor device, in particular, a crystalline type solar cell having an Si substrate, wherein by coating a surface of the Si substrate with an AI-based screen printing paste and a sintering step, the diffusion of Al from causes the screen printing paste in the Si substrate, p + -doped areas are formed in the surface.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective sectional view of the essential parts / regions of a solar cell 1 formed according to this concept with an n-type silicon oxide.
  • FSF front-surface-field
  • p + -AI-back emitter 7 On the one (back in use) substrate surface, an Al-contact (back contact) 9 is formed over the entire surface while the other (front surface in use) of the Si substrate 3 is provided with a SiN antireflection coating 11 comprising randomly arranged pyramids IIa for improving the energy yield of the incident sunlight.
  • Ag contact fingers 13 are formed on an aerosol seed layer (not shown) on the front side.
  • the solar cell emitter is generated by sintering an aluminum (AI) screen printing paste applied over the entire surface of the back of the cell. In this case, the aluminum diffuses into the n-type silicon wafer and forms a high
  • Al-doped p-emitter layer Al-doped p-emitter layer.
  • the front side contact 13 can be produced by screen-printed silver pastes. Solar cells of this type achieve efficiencies of more than 18%, which represents an increase in efficiency of 1% compared with 17% of the p-type solar cell produced in an identical process sequence.
  • Substrate material to control in a suitable manner cf. US 2006/0289005 AI.
  • the invention has for its object to provide a conductive paste, which can be printed directly on the Al back contact of the AARE cell and received after sintering a mechanically stable connection to both the AI contact and the subsequently brazed copper ribbon. It is further intended to provide a process for producing a solar cell of that type.
  • an Ag-based conductive paste used to form contact areas on a substrate surface previously coated with an Al-containing screen printing paste for doping purposes has an adhesion promoter additive to improve adhesion to the Al-containing one Underlay.
  • a proportion of the adhesion promoter additive between 5 and 20 wt .-%, in particular between 9 and 15 wt .-%, has proven to be useful.
  • Si-powder is well suited as adhesion promoter, but the invention is not limited to this choice of material.
  • the adhesion promoter (especially Si powder) increases the mechanical stability of the Al-Ag interface region.
  • This paste makes it possible to retain the previous process sequence used for p-type solar cells for the production of solar cells without additional process steps. Furthermore, no changes to the previous process for module interconnection are necessary. The direct soldering of copper ribbon with the silver stripes on the back is still possible.
  • an AI-based screen printing paste is provided with a strength-enhancing powdery additive for improving its structural integrity. It has proven expedient to admix this additive in a proportion of between 3 and 15% by weight, in particular between 6 and 10% by weight. Both aspects of the invention have in common that according to current knowledge expediently the adhesion promoter additive or strength-increasing additive a powder having a particle size between 1 and 20 ⁇ , in particular between 3 and 10 ⁇ having.
  • the coating with the screen printing paste and the conductive paste are carried out before a single, common sintering step, which is carried out in particular at 700 to 850 ° C.
  • the Al screen printing paste proposed according to the second aspect of the invention can also be used for p-doping the substrate surface in this process.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a solar cell according to the
  • FIG. 2 schematically shows, in the manner of a cross-sectional illustration, a rear side section of a solar cell which extends through a lower subarea of an n-Si substrate 3, an Al-doped p + emitter region 7, an Al screen-printing paste layer 9 'and Ag Leitpastenstsammlung 15 'is formed, before the completion of the back-side doping and contact structure.
  • This is formed by sintering the Al screen printing paste and the Ag Leitpastenstsammlung, preferably in a common sintering step in the range between 700 and 850 ° C.
  • the back emitter region 7 already shown in the figure and metallic Ag contact strips are formed.
  • FIG. 2A shows, in a detailed view, the element structure of the boundary layer region between Al screen printing paste and Ag conductive paste, with Al atoms 17, Ag atoms 19 and Si atoms 21, which are admixed with the Ag conductive paste as adhesion promoter.
  • An exemplary composition of the Ag conductive paste is the following:
  • Binder 10 wt.%
  • Al screen printing paste 9 - 15 wt.% Particle size: 3 - 10 ⁇
  • An exemplary composition of the Al screen printing paste is the following:
  • Si powder 6 - 10 vol.%
  • Particle size 3 - 10 ⁇

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Description

Beschreibung Titel Leitpaste und Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtunq
Die Erfindung betrifft Leit- bzw. Siebdruckpasten, wie sie zur Herstellung von elektrischen Kontakten auf Halbleiterbauelementen, beispielsweise Solarzellen, benutzt werden. Sie betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, insbesondere einer Solarzelle vom kristallinen Typ, mit einem Si-Substrat, wobei durch Belegen einer Oberfläche des Si-Substrats mit einer Siebdruckpaste auf AI-Basis und einen Sinterschritt, der ein Eindiffundieren von AI aus der Siebdruckpaste in das Si-Substrat bewirkt, p+-dotierte Bereiche in der Oberfläche gebildet werden.
Stand der Technik
Zur Zeit werden 90 % aller kristallinen Solarzellen aus Bor(B)-dotiertem p-Typ- Silizium gefertigt. Diese Solarzellen haben das Problem, dass Sie aufgrund der im Silizium typischerweise vorhandenen Eisen(Fe)-Kontaminationen unter Lichteinfall degradieren. Hierbei bildet das Fe mit dem Dotierstoff B einen rekombinationsaktiven Fe-B-Komplex, welcher die Effizienz der Solarzelle negativ beeinflusst, vgl. J. Schmidt, Progress in Photovoltaics, Vol. 13, p. 325 (2005). Aus diesem Grund gibt es Bestrebungen, langfristig auf mit Phosphor n-dotierte Siliziumwafer als Grundmaterial in der Solarzellenfertigung überzugehen. Ein mögliches Solarzellenkonzept für n-Typ-Solarzellen ist das so genannte Aluminium-Alloyed Rear- Emitter(AARE)-Konzept; vgl. C. Schmiga, M. Hörteis, M. Rauer, K. Meyer, J.
Lossen, H. J. Krokoszinski, M. Hermle, S. W. Glunz, Proc. of the 24th PVSEC, Hamburg (Germany), p. 1167, 2009.
Fig. 1 zeigt als schematische perspektivische Schnittansicht die wesentlichen Teile/Bereiche einer nach diesem Konzept gebildeten Solarzelle 1 mit einem n-Si- Substrat 3, einem n+-P-Front-Surface-Field (FSF) 5 und einem p+-AI-Rückseiten- emitter 7. Auf der einen (im Gebrauch rückseitigen) Substratoberfläche ist ein AI-Kontakt (Rückseitenkontakt) 9 vollflächig ausgebildet, während die andere (im Gebrauch vorderseitige) Oberfläche des Si-Substrats 3 mit einer SiN-Antireflex- beschichtung 11 versehen ist, welche regellos angeordnete Pyramiden IIa zur Verbesserung der Energieausbeute des einfallenden Sonnenlichts umfasst. Zur frontseitigen Kontaktierung der Solarzelle 1 sind auf der Vorderseite Ag-Kontakt- finger 13 auf einer Aerosol-Keimschicht (nicht dargestellt) gebildet. Hier wird der Solarzellenemitter über das Sintern einer auf der Rückseite der Zelle ganzflächig aufgebrachten Aluminium-(AI) Siebdruckpaste erzeugt. Hierbei diffundiert das Aluminium in den n-Typ-Siliziumwafer und bildet eine hoch
AI-dotierte p-Emitterschicht. Der Vorderseitenkontakt 13 kann mittels siebgedruckter Silberpasten erzeugt werden. Solarzellen dieser Art erreichen Wirkungs- grade von über 18 %, was einer Effizienzsteigerung von 1 % gegenüber der in einem identischen Prozessablauf hergestellten p-Typ-Solarzelle mit 17 %
Wirkungsgrad entspricht.
Ein Hindernis für die kommerzielle Markteinführung dieser Zellen stellt die
Modulverschaltung dar. Um die Rückseite der Zelle im Solarzellenmodul zu kontaktieren, wird bei p-Typ-Solarzellen auf der Rückseite ein Streifen mit Silber(Ag)-Paste direkt auf das Silizium gedruckt, gesintert und anschließend in einem Lötprozess mit einem Kupferbändchen kontaktiert. Dieser Prozessablauf ist mit der AARE Solarzelle nicht mehr möglich, da das Aluminium bei diesem Zelltyp ganzflächig aufgebracht werden muss und so keine Fläche für zusätzliche, direkt auf den Silizium Wafer gedruckte Ag-Kontakte verbleibt, mit denen die Cu-Bänd- chen verlötet werden könnten.
Lösungen zum direkten Löten von Cu-Bändchen auf AI-Rückseitenkontakte von Solarzellen sind zur Zeit noch nicht bekannt. Es gibt aber bereits Untersuchungen zum Laserschweißen von Cu auf AI; vgl. I. Mys., M. Schmidt, Proc. Of the SPIE, USA, vol. 6107, p. 610703 (2006). Für ein solches Alternativverfahren wäre aber eine Umrüstung der bisherigen Modulproduktionsanlagen notwendig. Eine Alternative ist das Drucken von Ag-Bahnen auf den Aluminium-Rückseitenkontakt. Hier hat sich aber gezeigt, dass direkt auf das AI gedruckte Ag Paste nicht haftet und keine mechanisch stabile Verbindung mit dem AI-Kontakt eingeht. Im Zusammenhang mit dem seit langem bewährten und praktizierten Ein- satz von Leitpasten (Siebdruckpasten) auf Ag- oder AI-Basis ist es auch bekannt geworden, solchen Pasten Si-Pulver beizumengen, um speziell das Reaktionsvermögen der Metallkomponente der jeweiligen Paste mit Silizium, also dem
Substratmaterial, in geeigneter Weise zu steuern, vgl. US 2006/0289005 AI. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitpaste bereitzustellen, welche direkt auf den Al-Rückkontakt der AARE-Zelle gedruckt werden kann und nach dem Sintern eine mechanisch stabile Verbindung sowohl zum AI-Kontakt als auch zum darauffolgend aufgelöteten Kupferbändchen eingeht. Es soll des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle jenes Typs bereitgestellt werden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in ihrem Produktaspekt durch eine Leitpaste mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in ihrem Verfahrensaspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Des Weiteren wird eine Siebdruckpaste mit den Merkmalen des Anspruchs 3 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Ag-basierte Leitpaste, die zur Erzeugung von Kontaktbereichen auf einer Substratoberfläche genutzt wird, die vorher zu Dotierungszwecken mit einer Al-haltigen Siebdruckpaste beschichtet wurde, einen Haftvermittler-Zusatz zur Verbesserung der Haftung auf der Al-haltigen Unterlage auf. Hierbei hat sich ein Anteil des Haftvermittler-Zusatzes zwischen 5 und 20 Gew.-%, insbesondere zwischen 9 und 15 Gew.-%, als zweckmäßig erwiesen. Aus derzeitiger Sicht ist als Haftvermittler Si-Pulver gut geeignet, die Erfindung ist aber nicht auf diese Materialwahl beschränkt. Der Haftvermittler (speziell Si-Pulver) erhöht die mechanische Stabilität des Al-Ag-Grenzschichtbereichs. Diese Paste ermöglicht die Beibehaltung des bisherigen, für p-Typ-Solarzellen eingesetzten Prozessablaufs zur Herstellung von Solarzellen ohne zusätzliche Prozessschritte. Des Weiteren sind auch keine Änderungen des bisherigen Prozesses zur Modulverschaltung notwendig. Das direkte verlöten von Cu-Bändchen mit den Silberstreifen auf der Rückseite ist weiterhin möglich.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Siebdruckpaste auf AI-Basis mit einem festigkeitserhöhenden pulverförmigen Zusatz zur Verbesserung ihrer strukturellen Integrität versehen. Es hat sich dabei als zweckmäßig erwiesen, diesen Zusatz in einem Anteil zwischen 3 und 15 Gew.-%, insbesondere zwischen 6 und 10 Gew.-%, beizumischen. Beiden Aspekten der Erfindung ist gemeinsam, dass nach derzeitigem Kenntnisstand zweckmäßigerweise der Haftvermittler- Zusatz oder festigkeitserhöhende Zusatz ein Pulver mit einer Teilchengröße zwischen 1 und 20 μιτι, insbesondere zwischen 3 und 10 μιτι, aufweist.
In einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Verfahrensführung werden das Belegen mit der Siebdruckpaste und der Leitpaste vor einem einzelnen, gemein- samen Sinterschritt, der insbesondere bei 700 bis 850 °C durchgeführt wird, vorgenommen. Neben der gemäß im ersten Aspekt der Erfindung bereitgestellten speziellen Ag-Leitpaste kann bei diesem Verfahren auch die gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgeschlagene Al-Siebdruckpaste zur p-Dotierung der Substratoberfläche eingesetzt werden.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nach- folgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Solarzelle gemäß dem
AARE-Konzept und
Fig. 2 und 2A eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 2 zeigt schematisch in Art einer Querschnittsdarstellung einen Rückseiten- abschnitt einer Solarzelle , der durch einen unteren Teilbereich eines n-Si- Substrats 3, einen AI-dotierten p+-Emitterbereich 7, eine Al-Siebdruckpasten- schicht 9' und Ag-Leitpastenstreifen 15' gebildet ist, vor der Fertigstellung der rückseitigen Dotierungs- und Kontaktstruktur. Diese wird durch Sintern der Al- Siebdruckpaste und der Ag-Leitpastenstreifen, bevorzugt in einem gemeinsamen Sinterschritt im Bereich zwischen 700 und 850 °C, ausgebildet. Hierbei bilden sich der in der Figur bereits gezeigte rückseitige Emitterbereich 7 sowie metallische Ag-Kontaktstreifen aus.
Fig. 2A zeigt in einer Detailansicht schematisch die Elementstruktur des Grenz- Schichtbereiches zwischen Al-Siebdruckpaste und Ag-Leitpaste, mit AI-Atomen 17, Ag-Atomen 19 und Si-Atomen 21, die der Ag-Leitpaste als Haftvermittler beigemischt sind.
Eine beispielhafte Zusammensetzung der Ag-Leitpaste ist die folgende:
Ag-Pulver: 75 wt. % Partikelgröße: 3 - 10 μιτι
Binder: 10 wt.%
Glas-Fritte: 0-3 wt. %
Additive: 0-3 wt. %
Si-Pulver: 9 - 15 wt. % Partikelgröße: 3 - 10 μιτι Eine beispielhafte Zusammensetzung der Al-Siebdruckpaste ist die folgende:
AI-Pulver: 27 Vol. % Partikelgröße: 3 - 10 μιτι
Binder: 5 Vol. %
Glas-Fritte: 0 - 3 Vol. %
Lösemittel: 30 - 40 Vol. %
Si-Pulver: 6 - 10 Vol. % Partikelgröße: 3 - 10 μιτι
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens.

Claims

Ansprüche
1. Leitpaste (15') auf Ag-Basis, mit einem Haftvermittler-Zusatz zur
Verbesserung der Haftung auf einer Al-haltigen Unterlage,
wobei der Haftvermittler-Zusatz, bezogen auf 100 Gew.-% gebrauchsfertige Paste, in einem Anteil zwischen 5 und 20 Gew.-%, insbesondere zwischen 9 und 15 Gew.-%, enthalten ist.
2. Leitpaste nach Anspruch 1,
wobei der Haftvermittler-Zusatz Si-Pulver aufweist.
3. Siebdruckpaste (9') auf AI-Basis, mit einem pulverförmigen festigkeitserhö- henden Zusatz zur Verbesserung ihrer strukturellen Integrität,
wobei der festigkeitserhöhende Zusatz, bezogen auf 100 Gew.-%
gebrauchsfertige Leitpaste, in einem Anteil zwischen 3 und 15 Gew.-%, insbesondere zwischen 6 und 10 Gew.-%, enthalten ist.
4. Siebdruckpaste nach Anspruch 3,
wobei der festigkeitserhöhende Zusatz Si-Pulver aufweist.
5. Leitpaste nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei der Haftvermittler-Zusatz oder festigkeitserhöhende Zusatz ein Pulver mit einer Teilchengröße zwischen 1 und 20 μιτι, insbesondere zwischen 3 und 10 μιτι, aufweist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, insbesondere einer Solarzelle ( ) vom kristallinen Typ, mit einem Si-Substrat (3), wobei durch Belegen einer Oberfläche des Si-Substrats mit einer Siebdruckpaste (9') auf AI-Basis und einen Sinterschritt, der ein Eindiffundieren von AI aus der Siebdruckpaste in das Si-Substrat bewirkt, p+-dotierte Bereiche (7) in der Oberfläche gebildet werden,
wobei durch zusätzliches Belegen von Abschnitten der gleichen Oberfläche mit einer Leitpaste (15') nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7 und einen diesem Belegen nachgeordneten Sinterschritt Ag-Kontaktierungsbe- reiche auf der Oberfläche erzeugt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei das Belegen mit der Siebdruckpaste (9') und der Leitpaste (15') vor einem einzelnen, gemeinsamen Sinterschritt, der insbesondere bei 700 bis 850 °C durchgeführt wird, vorgenommen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
wobei eine Siebdruckpaste (9') nach einem der Ansprüche 4 bis 7 eingesetzt wird.
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