WO2009135819A2 - Verfahren zur herstellung einer monokristallinen solarzelle - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a monocrystalline solar cell with a passivated back and a
  • Such a backside metallization usually consists of large-area printed, aluminum-based thick-film paste, which is alloyed with the sintering above 800 ° by forming the low-melting AISi eutectic and recrystallization to the semiconductor surface and thereby the existing n-doping due to a previously made phosphorus diffusion to p + -Dot réelle overcompensated.
  • solder-bonding contacts on the back are necessary for module integration of cells, it is necessary to previously apply silver-based paste printing, which typically reproduces the number and location of front-side busbars on the back side.
  • silver-based paste printing typically reproduces the number and location of front-side busbars on the back side.
  • FIG. 1 Such a cell of the prior art is shown in the schematic diagram of FIG. 1 shown.
  • the backside bus bars are printed in strip-shaped areas below the front side bus bars before the final alumino paste pressure fills the remaining areas on the side of the busbars, with aluminum and silver slightly overlapping along the edges of each silver strip.
  • the back contact structure formed in this case is found in many variants
  • LFC contacts laser fired contacts
  • a major disadvantage of the method of laser-driven contacting is that the large number of necessary local contacts must be made sequentially and therefore in the highest possible number per second and high light intensity.
  • damage to the silicon surface often occurs under the local contacts, which manifests itself in particular in an increased surface recombination speed and thus a reduced passivation effect.
  • the object of the invention is achieved by teaching according to the sequence of steps according to claim 1. Accordingly, the method according to the invention relates to a process step sequence for the production of local contacts of a metal layer through a full-area passivation layer of a cell backside on the semiconductor surface, wherein inventive thin film production is combined with the production of a thick film by screen printing or stencil printing.
  • inventive thin film production is combined with the production of a thick film by screen printing or stencil printing.
  • PERC structure Passivated Emitter and Rear Cell
  • the passivation layer which at the same time constitutes electrical insulation, can be formed from a material which is most suitable in each case and with the respectively most suitable technology. Likewise, this passivation layer can be opened locally with such a technology, which has the least interaction with the other components.
  • the passivation layer in turn, is covered with a most suitable technology, in particular thin-film technology, with a most suitable metallization, in particular aluminum, while at the same time covering the local contact areas on the semiconductor surface with the large isolated areas.
  • the preparation of the local BSF areas of recrystallizing AISi in the local contact areas is combined with the sintering of a thick-film paste, in particular a silver paste, which is applied in advance to the local contacts and the external contact areas by printing.
  • a thick-film paste in particular a silver paste
  • the melting of the AISi eutectic is used, via its reaction with the conductive paste, in particular silver paste, which leads to the formation of intermetallic phases of the Ag-Al system, a permanent low-resistance connection of the thin-layer metallization on the passivation layer with the localized BSF Layer in the semiconductor.
  • the cell back side is homogeneously coated, to form an unstructured, thin metal layer, which in the passivation layer-free areas of the surface of the substrate material, d. H. touches the semiconductor surface.
  • the thick-film is then sintered at a temperature above a predetermined eutectic temperature and the formation of a eutectic, low-resistance compound of the thin metal layer with the surface of the substrate material and with the conductive particles of the thick-film paste.
  • the aforementioned passivation layer may be made of a silicon oxide, alumina or the like material.
  • the thin film is preferably produced by sputtering or vapor deposition of an aluminum material.
  • the necessary on the front strip conductors and busbars can be produced by thick-film screen printing or stencil printing.
  • Both thick films, d. H. the thick layer on the front and thick layers on the back can be sintered during a common heat treatment.
  • pastes are selected which are preferably in a temperature range above the Al-Si eutectic of 577 ° C, but below the aluminum melting point of 660 0 C, so preferably between 580 0 C and 620 0 C are sinterable.
  • Fig. IA is a plan view of a three-busbar standard cell
  • FIG. 1B shows a cross section through a standard cell according to FIG. IA
  • Fig. IA and IB show the top view and a cross-sectional view of a three-busbar standard cell of a p-type silicon wafer 1 with busbars on the front side 4 and backside busbars 3 and an aluminum paste pressure filling the remaining areas 2 on the side of the busbars, with aluminum and silver along the Slightly overlap edges of each silver strip (see cross section of Fig. IB).
  • a deposition of a dielectric passivation layer 8 for.
  • a dielectric passivation layer 8 for.
  • silica on the back by z.
  • thermal oxidation LPCVD, PECVD, sputtering or the like made.
  • the front side has a front side texture 5 and an antireflection layer 7.
  • the starting material 1 is a p-type silicon wafer with n + + emitter 6.
  • a thermal oxidation took place in the first step for producing the passivation layer, additional care must be taken to etch the oxide on the front side.
  • a local removal of the passivation layer 8 takes place on the rear side in the region of the busbars and at all local via-points or via-points 9, e.g. By laser ablation, etching paste printing or plasma etching.
  • a homogeneous coating of the rear side with a conductive material, in particular an aluminum-containing thin layer 10, is carried out by vapor deposition or sputtering.
  • step according to FIG. 2D is a screen printing of the tracks and busbars on the front z. B. with the aid of a conductive paste, in particular with silver paste 11th
  • screen printing also involves the application of via points 12 and of the busbars 13 on the back side of the cell, specifically using silver paste material.
  • a last process step according to FIG. 2E is carried out sintering of all the screen printing pastes, ie formed paths on the front side and the via dots 12 and bus bars 13 on the rear side in the temperature range between 580 0 C and 620 0 C. This is due to the sintering temperature above the eutectic temperature of 577 ° C, a low melting AISi eutectic 14 in the contact surfaces between the silicon and the aluminum layer. At the same time, the silver particles of the silver paste alloy with the liquid aluminum-silicon eutectic, because the aluminum-silver eutectic temperature of 566 ° C. is also exceeded during sintering.
  • MWT cells metal wrap-through
  • emitter fingers are arranged on the front side and emitter busbars are located on the rear side, as well as emitter fingers and emitter busbars via metallized, laser or similarly drilled holes are in electrical connection

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Solarzelle mit einer passivierten Rückseite und einer Rückseitenkontaktstruktur mit folgenden Schritten: ganzflächiges Aufbringen einer passivierenden, dielektrischen Schicht auf der Zellenrückseite; lokales Entfernen der passivierenden Schicht im Bereich von Busbars und lokalen Kontaktstellen; homogenes Beschichten der Zellenrückseite zur Ausbildung einer unstrukturierten, dünnen Metallschicht, welche in den von der Passivierungsschicht freien Bereichen die Oberfläche des Substratmaterials berührt; Erzeugen einer Dickschicht aus einer leitfähigen Paste im Bereich der Busbars und lokalen Kontaktstellen; und Sintern der Dickschicht bei einer Temperatur oberhalb einer vorgegebenen Eutektikumstemperatur und Bildung einer eutektischen, niederohmigen Verbindung der dünnen Metallschicht mit der Oberfläche des Substratmaterials sowie mit den leitfähigen Partikeln der Dickschicht-Paste.

Description

Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Solarzelle
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Solarzelle mit einer passivierten Rückseite und einer
Rückseitenkontaktstruktur sowie eine derartige verfahrensgemäß hergestellte Zelle.
Es ist bekannt, Silizium-Solarzellen mit einer passivierenden Antireflexschicht auf der vorderseitigen n-Emitterschicht rückseitig mit einer ganzflächigen Metallisierung des Basisbereichs zur Verspiegelung und zur Bandverbiegung (Back Surface Field - BSF) auf der Rückseite zu versehen.
Eine solche Rückseitenmetallisierung besteht üblicherweise aus großflächig aufgedruckter, Aluminium-basierter Dickschichtpaste, die sich beim Sintern oberhalb von 800° durch Bildung des niederschmelzenden AISi-Eutektikums und Rekristallisation an die Halbleiteroberfläche anlegiert und dabei die vorhandene n-Dotierung aufgrund einer vorher erfolgten Phosphordiffusion zur p+-Dotierung überkompensiert.
Da für die Modulintegration von Zellen auch lötfähige Kontakte auf der Rückseite notwendig sind, ist es erforderlich, vorher einen Druck mit Silberbasierter Paste aufzubringen, wobei der Druck üblicherweise die Zahl und die Position vorhandener Busbars der Vorderseite auf der Rückseite reproduziert. Eine derartige Zelle des Standes der Technik ist in der Prinzipdarstellung nach Fig . 1 gezeigt. Die Rückseitenbusbars werden in streifenförmige Bereiche unterhalb der Vorderseitenbusbars gedruckt, bevor der abschließende Alumiumpastendruck die verbleibenden Flächen seitlich der Busbars füllt, wobei sich Aluminium und Silber entlang der Kanten jedes Silberstreifens leicht überlappen.
Es wurde weiterhin vorgeschlagen, die Dickschichtmetallisierung durch eine dielektrische, meist oxidische Passivierungsschicht zu ersetzen, wobei die elektrische Anbindung der großflächigen Rückseitenmetallisierung an die Halbleiteroberfläche durch kleine, meist regelmäßig in Matrixpositionen angeordnete Punktkontakte (Local Back Surface Field - Local BSF) erreicht wird .
Die dabei gebildete Rückseitenkontaktstruktur findet in vielfältigen Varianten
Anwendung . Zum vorgenannten Stand der Technik sei auf nachstehende
Literaturstellen aufmerksam gemacht:
A.W. Blakers et al, Appl . Phys. Lett , 55 (1989), Seiten 1363 bis 1365;
G. Agostinelli et al, 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference
(2005), Barcelona, Spanien, Seite 647; und
P. Choulat et al, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference
(2007), Milano, Italien.
Die am weitesten verbreiteten lokalen BSF-Kontakte sind sogenannte „Laser Fired Contacts" (LFC-Kontakte), bei denen durch Laserbeschuss die vorher aufgebrachte Metallschicht, meist als Dünnfilm-Aluminium ausgebildet, durch die Oxidschicht hindurch mit der Halbleiteroberfläche verschmolzen wird .
Ein wesentlicher Nachteil des Verfahrens der Laser-getriebenen Kontaktierung besteht darin, daß die Vielzahl der notwendigen lokalen Kontakte sequentiell und deshalb in möglichst hoher Zahl pro Sekunde und hoher Lichtintensität hergestellt werden muss. Beim hier entstehenden hochenergetischen, punktuellen Verschmelzen des Aluminiums durch die Oxidschicht hindurch findet oft eine Schädigung der Silizium-Oberfläche unter den lokalen Kontakten statt, die sich insbesondere in einer erhöhten Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und damit einer reduzierten Passivierungswirkung äußert.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Solarzelle mit einer passivierten Rückseite und einer Rückseitenkontaktstruktur anzugeben, welches eine schonende und zeitsparende Methode für die Herstellung einer Schichtkombination mit unterschiedlichen Funktionalitäten für die lokale Kontaktierung einer Solarzellenrückseite angibt.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Lehre gemäß der Verfahrensabfolge nach Patentanspruch 1. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft demnach eine Prozessschrittfolge für die Herstellung von lokalen Kontakten einer Metallschicht durch eine ganzflächige Passivierungsschicht einer Zellenrückseite hindurch auf die Halbleiteroberfläche, wobei in erfinderischer Weise eine Dünnschichterzeugung mit der Erzeugung einer Dickschicht durch Siebdruck oder Schablonendruck kombiniert wird. Dabei entsteht durch die erfindungsgemäße Verfahrensabfolge eine sogenannte PERC-Struktur (Passivated Emitter and Rear Cell), wobei gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile bestehen.
Diese Vorteile zeigen sich darin, daß die Passivierungsschicht, welche gleichzeitig eine elektrische Isolation darstellt, aus einem jeweils am besten geeigneten Material und mit der jeweils geeignetsten Technologie ausgebildet werden kann. Ebenso kann diese Passivierungsschicht mit einer solchen Technologie lokal geöffnet werden, die geringste Wechselwirkungen mit den übrigen Komponenten zur Folge hat. Die Passivierungsschicht wiederum wird mit einer schonenden Technologie, insbesondere der Dünnschicht-Technologie, mit einer am besten geeigneten Metallisierung, insbesondere Aluminium bedeckt, wobei gleichzeitig mit den großen isolierten Flächen auch die lokalen Kontaktflächen auf der Halbleiteroberfläche abgedeckt werden.
Die Herstellung der lokalen BSF-Flächen aus rekristallisierendem AISi in den lokalen Kontaktflächen wird mit dem Sintern einer Dickschichtpaste, insbesondere einer Silberpaste kombiniert, die vorab auf die lokalen Kontakte und die Außenkontaktflächen durch Drucken aufgebracht wird. Dabei wird das Schmelzen des AISi-Eutektikums genutzt, um über dessen Reaktion mit der leitfähigen Paste, insbesondere Silberpaste, die zur Bildung von intermetallischen Phasen des Ag-Al-Systems führt, eine dauerhafte niederohmige Verbindung der Dünnschichtmetallisierung auf der Passivierungsschicht mit der lokal begrenzten BSF-Schicht im Halbleiter sicherzustellen.
Die wesentlichsten verfahrensseitigen Schritte lassen sich wie folgt zusammenfassen. Auf ein üblicherweise vorprozessiertes Zellenmaterial erfolgt ein ganzflächiges Aufbringen einer passivierenden, dielektrischen Schicht mindestens auf der Zellenrückseite. Anschließend wird ein lokales Entfernen der passivierenden Schicht im Bereich von Busbars und Durchkontaktierungsstellen auf der Rückseite vorgenommen.
Hiernach wird die Zellenrückseite homogen beschichtet, und zwar zur Ausbildung einer unstrukturierten, dünnen Metallschicht, welche in den von der Passivierungsschicht freien Bereichen die Oberfläche des Substratmaterials, d . h. die Halbleiteroberfläche berührt.
Im Anschluss wird ein Erzeugen einer Dickschicht aus einer leitfähigen Paste im Bereich der Busbars und Durchkontaktierungsstellen vorgenommen.
Es erfolgt dann ein Sintern der Dickschicht bei einer Temperatur oberhalb einer vorgegebenen Eutektikumstemperatur und die Bildung einer eutektischen, niederohmigen Verbindung der dünnen Metallschicht mit der Oberfläche des Substratmaterials sowie mit den leitfähigen Partikeln der Dickschicht-Paste.
Die vorerwähnte Passivierungsschicht kann aus einem Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder dergleichen Material bestehen.
Die Dünnschicht wird bevorzugt durch Sputtern oder Aufdampfen eines Aluminiummaterials erzeugt.
Auch die auf der Vorderseite notwendigen Leiterbahnen und Busbars können durch Dickschicht-Siebdruck oder Schablonendruck erzeugt werden.
Beide Dickschichten, d . h. die Dickschicht auf der Vorder- und die Dickschicht auf der Rückseite können während einer gemeinsamen Temperaturbehandlung gesintert werden.
Es werden für die Dickschichtrealisierung Pasten gewählt, die bevorzugt in einem Temperaturbereich oberhalb des Al-Si-Eutektikums von 577°C, aber unterhalb des Aluminium-Schmelzpunkts von 6600C, also bevorzugt zwischen 5800C und 6200C sinterfähig sind.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen :
Fig. IA eine Draufsicht einer Drei-Busbar-Standardzelle;
Fig. I B einen Querschnitt durch eine Standardzelle gemäß Fig . IA
(Stand der Technik) und
Fig. 2A bis E Schnittdarstellungen zur Illustration der erfindungsgemäßen Verfahrensabfolge zur Herstellung der neuartigen Solarzelle mit Rückseitenkontaktstruktur (passivierte Rückseite mit lokalen Kontakten PERC).
Die Fig . IA und I B zeigen die Draufsicht bzw. eine Querschnittsdarstellung einer Drei-Busbar-Standardzelle aus einem p-Siliziumwafer 1 mit Busbars auf der Vorderseite 4 sowie Rückseitenbusbars 3 sowie einem die restlichen Flächen 2 seitlich der Busbars füllenden Aluminiumpastendruck, wobei sich Aluminium und Silber entlang der Kanten jedes Silberstreifens leicht überlappen (siehe Querschnitt nach Fig . I B).
Bei dem Verfahren gemäß der Abfolge nach den Fig . 2A bis E wird in einem ersten Prozessschritt ein Abscheiden einer dielektrischen Passivierungsschicht 8, z. B. Siliziumoxid, auf der Rückseite durch z. B. thermische Oxidation, LPCVD, PECVD, Sputtern oder dergleichen vorgenommen. Die Vorderseite weist eine Vorderseitentextur 5 sowie eine Antireflexionsschicht 7 auf. Das Ausgangsmaterial 1 ist ein p-Siliziumwafer mit n + + -Emitter 6.
Wenn im ersten Schritt zur Erzeugung der Passivierungsschicht eine thermische Oxidation erfolgte, ist zusätzlich für ein Abätzen des Oxids auf der Vorderseite Sorge zu tragen. Im Prozessschritt gemäß Fig. 2B erfolgt ein lokales Entfernen der Passivie- rungsschicht 8 auf der Rückseite im Bereich der Busbars und an allen lokalen Durchkontaktierungsstellen oder Durchkontaktierungspunkten 9, z. B. durch Laserablation, Drucken von Ätzpaste oder durch Plasmaätzen.
Gemäß der Darstellung nach Fig. 2C wird ein homogenes Beschichten der Rückseite mit einem leitfähigen Material, insbesondere eine Aluminium- haltige Dünnschicht 10, durch Aufdampfen oder Sputtern ausgeführt.
Im Prozessschritt nach Fig . 2D erfolgt ein Siebdruck der Leiterbahnen und Busbars auf der Vorderseite z. B. mit Hilfe einer leitfähigen Paste, insbesondere mit Silberpaste 11.
Gemäß der Darstellung nach Fig. 2E erfolgt ebenfalls im Siebdruck das Auftragen von Durchkontaktierungspunkten 12 und der Busbars 13 auf der Rückseite der Zelle, und zwar unter Rückgriff auf Silberpastenmaterial .
In einem letzten Prozessschritt gemäß Fig . 2E erfolgt ein Sintern aller Siebdruckpasten, d. h. der ausgebildeten Bahnen auf der Vorderseite und der Durchkontaktierungspunkte 12 und Busbars 13 auf der Rückseite im Temperaturbereich zwischen 5800C und 6200C. Hierbei bildet sich aufgrund der Sintertemperatur oberhalb der Eutektikumstemperatur von 577°C ein niedrigschmelzendes AISi-Eutektikum 14 in den Kontaktflächen zwischen dem Silizium und der Aluminiumschicht. Gleichzeitig legieren auch die Silberpartikel der Silberpaste mit dem flüssigen Aluminium-Silizium- Eutektikum, weil beim Sintern auch die Aluminium-Silber- Eutektikumstemperatur von 566°C überschritten wird .
Es wird darauf hingewiesen, dass sich die vorliegende mit ihren Verfahrensmerkmalen darstellende Erfindung auch auf sogenannte MWT-Zellen (Metal Wrap Through) erstreckt, bei denen auf der Vorderseite Emitterfinger angeordnet sind und sich Emitterbusbars auf der Rückseite befinden sowie hierbei Emitterfinger und Emitterbusbars über metallisierte, laser- oder ähnlich gebohrte Löcher in elektrischer Verbindung stehen
SEITE ABSICHTLICH LEER GELASSEN

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Solarzelle mit einer passivierten Rückseite und einer Rückseitenkontaktstruktur, umfassend folgende Schritte:
- ganzflächiges Aufbringen einer passivierenden, dielektrischen Schicht auf der Zellenrückseite;
- lokales Entfernen der passivierenden Schicht im Bereich von Busbars und lokalen Kontaktstellen;
- homogenes Beschichten der Zellenrückseite zur Ausbildung einer unstrukturierten, dünnen Metallschicht, welche in den von der Passivie- rungsschicht freien Bereichen die Oberfläche des Substratmaterials berührt;
Erzeugen einer Dickschicht aus einer leitfähigen Paste im Bereich der Busbars und lokalen Kontaktstellen und
- Sintern der Dickschicht bei einer Temperatur oberhalb einer vorgegebenen Eutektikumstemperatur und Bildung einer eutektischen, niederohmigen Verbindung der dünnen Metallschicht mit der Oberfläche des Substratmaterials sowie mit den leitfähigen Partikeln der Dickschicht-Paste.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Siliziumoxid-Siliziumnitrid-Schichtsequenzen, amorphes Silizium und Siliziumnitrid oder hinsichtlich ihrer Eigenschaften vergleichbare Materialien besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschicht durch Sputtern oder Aufdampfen insbesondere eines Aluminium-haltigen Materials gebildet wird .
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Vorderseite Leiterbahnen und Busbars durch Dickschicht-Siebdruck oder Schablonendruck erzeugt werden. 2
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickschicht im Bereich der Busbars und der lokalen Kontaktstellen auf der Rückseite durch Siebdruck oder Schablonendruck erzeugt wird .
6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickschichten in einem gemeinsamen Temperaturbehandlungsschritt gesintert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern in einem Temperaturbereich oberhalb von 5800C, jedoch unterhalb von 6600C, vorzugsweise zwischen 5800C und 6200C durchgeführt wird .
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Paste Silber-haltig ist.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern der Dickschicht bei einer Temperatur oberhalb der Aluminium- Silizium-Eutektikumstemperatur von 577°C, aber unterhalb der Aluminium- Schmelztemperatur von 6600C erfolgt.
10. Solarzelle, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche.
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