DE102004061604A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Solarzellen mit lokalen Oberflächenvertiefungen - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strukturierung einer Solarzelle (1) mithilfe von Mikroentladungen. Eine dünne Folie, die sich aus einer Metall-Folie (8) und einer Polymer-Folie (9) zusammensetzt, in die Löcher, Schlitze oder andere Öffnungen lokal eingebracht werden, wird in Kontakt mit der Oberfläche der Solarzelle (1) gebracht, so dass sich das Polymer (9) in direktem Kontakt mit der Solarzellenoberfläche befindet. Die Anordnung befindet sich in einem Vakuum. In die Vakuumkammer wird ein reaktives Gas eingelassen. Zwischen Halbleiteroberfläche der Solarzelle (1) und der Metall-Folie (8) wird mit einer Spannungsquelle (10) eine elektrische Spannung angelegt. An den Öffnungen kommt es zu lokal begrenzten Gasentladungen (11) (Mikroentladungen) und das Solarzellenmaterial unter den Öffnungen wird durch reaktives Plasmaätzen lokal mit hohen Raten abgetragen.
Description
- Technisches Gebiet
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Solarzellen mit lokalen Oberflächenvertiefungen, insbesondere können mit dem Verfahren undiffundierte und/oder diffundierten Gebiete an der Halbleiteroberfläche der Solarzelle lokal entfernt werden sowie dielektrische Schichten, mit denen die Solarzellenoberfläche überzogen ist.
- Es sind unterschiedliche Solarzellentypen auf der Basis von kristallinen Siliziumscheiben mit Vertiefungen und Erhebungen an der Oberfläche bekannt. Ein solches Beispiel ist die sogenannte „Buried Contact"-Solarzelle (US-PAT 4726850). Das charakteristische Merkmal dieses Zelltyps sind die schmalen, tiefen Gräben, die die Position und die Form der Metallisierung vorgeben. Die Gräben werden mittels stromloser Galvanik mit Metall gefüllt. Gegenüber konventionellen Siebdruck-Silizium-Solarzellen konnten so die Abschattungsverluste reduziert werden. Zur Herstellung der Gräben werden relativ zum zu strukturierenden Material bewegte mechanische Strukturierungselemente oder Laserstrahlen eingesetzt.
- Nachteilig ist dabei, dass diese Verfahren eine mehrere μm tiefe Schädigung unterhalb der Siliziumoberfläche hervorrufen, die mit Hilfe von zusätzlichen Ätzschritten entfernt werden muss. Weiterhin wird die Siliziumscheibe mechanisch und/oder thermisch belastet während der Grabenherstellung, was bei der Solarzellenherstellung zu erhöhten Bruchraten führt.
- Aus Patent
DE 197 41 832 ist eine Solarzelle bekannt, die auf der Vorderseite erhabene und/oder abgesenkte Bereiche besitzt. Die Metallkontakte werden im Vakuum unter flachem Winkel auf die Vorderseite maskenlos aufgedampft, wobei das Metall überwiegend an den Flanken abgeschieden wird. Dabei wird der Selbstabschattungseffekt der Erhebungen ausgenutzt. Die dünne Metallschicht auf der Zelloberfläche wird nach der Aufdampfung mit einem kurzen Ätzschritt entfernt. Zur Veranschaulichung sei auf1 verwiesen, die eine solche Solarzellenstruktur1 zeigt, die aus Basis-2 und Emitterbereichen3 besteht. Um die Rekombinationsverluste an der Rückseite der Solarzelle zu minimieren, ist die Rückseite mit einer Passivierschicht4 , z.B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder amorphes Silizium, überzogen. Die Passivierschicht wird lokal mittels Photolithographie und anschließendem Ätzen, mechanischer Bearbeitung oder Laserablation, wie z.B. in PatentDE 199 15 666 beschrieben, entfernt und der Rückseiten-Metallkontakt5 ganzflächig aufgebracht, z.B. durch Vakuumaufdampfung oder Sputtern des Metalls. An den in der Passivierschicht geöffneten Stellen wird ein elektrischer Kontakt des Rückseiten-Metalls zur Basis2 hergestellt. Der Vorderseiten-Metallkontakt6 wird unter Ausnutzung des Selbstabschattungseffektes unter flachem Winkel aufgedampft. Durch den anschließenden kurzen Ätzschritt bleiben nur Metallfinger an den flanken der Gräben in der Zelloberfläche zurück. Eine Antireflexschicht7 auf der Vorderseitenoberfläche der Solarzelle1 minimiert die optischen Verluste aufgrund von Reflexion. Verwendete Materialien sind hier z.B. Titandioxid, Siliziumnitrid und Siliziumdioxid. Gleichzeitig kann die Antireflexschicht7 auch der Verminderung der Oberflächenrekombination auf der Solarzellenvorderseite dienen. - Auch dieser Zelltyp weist gegenüber konventionellen Siebdruck-Solarzellen verminderte Abschattungsverluste auf. Außerdem ist die elektrische Qualität der aufgedampften Metallkontakte den siebgedruckten und den galvanisch hergestellten Metallkontakten überlegen. Die Kanten und flankenartigen Bereiche werden hergestellt durch relativ zum zu strukturierenden Material bewegte mechanische Strukturierungselemente, die Verwendung von Laserstrahlen oder durch Ätztechniken.
- Bezüglich der ersten beiden genannten Strukturierungsverfahren gelten die gleichen Nachteile wie oben bereits erwähnt. Um die Kanten und flankenartigen Bereiche mittels Ätztechnik herzustellen, ist es erforderlich vor der Ätzung eine Maskierungsschicht aufzubringen und diese Schicht in weiteren Prozessschritten (z.B. mit photolithographischen Verfahren oder Laserablation) lokal zu entfernen. Anschließend wird mittels nasschemischem Ätzen oder Plasmaätzen das Silizium an den geöffneten Bereichen der Maskierungsschicht entfernt. Nachteilig ist an diesem Verfahren, dass es aufwendig ist.
- Eine Solarzelle ohne Vorderseitenmetallisierung ist aus (R.M. Swanson, „Point Contact Silicon Solar Cells", Electric Power Research Institute Rep. AP-2859, May 1983) bekannt. Dieses Zellkonzept wurde ständig weiterentwickelt (US-PAT 5053083). Eine vereinfachte Version dieser Punktkontakt-Solarzelle wird von der US-Firma SunPower produziert (K.R. McIntosh et al., Proc. 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conv., 2004, p. 971-974). Zu deren Herstellung werden dabei in mehreren Maskierungsschritten unterschiedlich dotierte Gebiete nebeneinander erzeugt und durch Aufbringen einer teilweise mehrschichtigen Metallstruktur metallisiert bzw. kontaktiert. Nachteilig ist dabei, dass diese Verfahren mehrere justierende Maskenschritte benötigen und dadurch aufwendig sind.
- In Patent
DE 101 42 481 ist ein anderer Solarzellentyp beschrieben mit Basis- und Emitterkontakt auf der Rückseite. Die Vorderseite dieser Solarzelle ist lediglich mit einer dielektrischen Passivierschicht überzogen, was die Abschattungsverluste minimiert. Diese Zelle erfordert das Herstellen eines lokalen Emitters auf der Rückseite, was durch das lokale Aufbringen einer Maskierungsschicht vor der Emitterdiffusion realisiert wird. Dieses Verfahren zur Herstellung eine lokalen Emitters ist technologisch anspruchsvoll. - Eine von diesem Zelltyp abgeleitete vereinfachte Solarzellenstruktur
1 ist zur Veranschaulichung in2 dargestellt. Sie besteht aus der Basis2 und lokal begrenzten Emitterbereichen3 , die sich auf der Rückseite der Solarzelle befinden. Diffundierte Emitterbereiche und undiffundierte Bereiche der Solarzellenrückseite sind mit einer Passivierschicht4 überzogen. Die Passivierschicht4 ist lokal geöffnet, um den Basiskontakt5 und den Emitterkontakt6 herzustellen. Die Metallgitter des Basiskontakts5 und des Emitterkontakts6 sind elektrisch voneinander isoliert. Auf der Solarzellenvorderseite wird eine passivierende Antireflexschicht7 abgeschieden. Die Oberfläche kann zur weiteren Reduzierung von Reflexionsverlusten und zur Verbesserung des „Light Trapping" texturiert werden, was z.B. mit in alkalischer Ätzlösung (z.B. KOH/Isopropanol) geätzten Zufallspyramiden realisiert werden kann. - Aufgabe der Erfindung
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Solarzellen mit lokalen Oberflächenvertiefungen weiterzubilden, dass die vorstehend dargelegten, beim Stand der Technik auftretenden Nachteile umgangen werden können. Insbesondere können mit dem Verfahren undiffundierte und/oder diffundierten Gebiete an der Halbleiteroberfläche der Solarzelle sowie dielektrische Schichten, mit denen die Solarzellenoberfläche überzogen ist, lokal entfernt werden.
- Darstellung der Erfindung
- Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 5 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der die Solarzellen hergestellt werden können. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Solarzellen mit lokalen Oberflächenvertiefungen, insbesondere zur lokalen Entfernung von diffundierten und/oder undiffundierten Gebieten der Solarzelle, dadurch ausgezeichnet, dass eine als Schablone dienende Metall-Polymer-Folie (z.B. Kupfer-Polyimid) mit lokalen Öffnungen in direkten Kontakt mit der diffundierten und/oder undiffundierten Gebieten der Solarzelle gebracht wird, so dass sich die Polymer-Seite in direktem Kontakt mit der Halbleiteroberfläche befindet. Die Anordnung befindet sich in einem Vakuum und in die Vakuumkammer wird ein reaktives Gas (z.B. SF6 oder CF4) oder ein reaktives Gasgemisch (z.B. SF6/O2 oder SF6/Ar) eingelassen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung (typischerweise einige zehn bis einige hundert Volt) zwischen der Metallelektrode der Metall-Polymer-Folie und der Halbleiteroberfläche wird das reaktive Gas in den lokalen Öffnungen zu einer örtlich durch die Ausdehnung der Öffnungen begrenzten Gasentladung angeregt. An den Öffnungen kommt es zu lokalen Mikroentladungen und das Halbleitermaterial wird mit hohen Raten abgetragen durch reaktives Plasmaätzen. Das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung von Solarzellen kann auch zum lokalen Abtrag von auf der Solarzellenoberfläche aufgebrachten Dünnschichten z.B. aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder amorphem Silizium genutzt werden, um einen elektrischen Kontakt eines Metalls zur Basis oder zum Emitter der Solarzelle herzustellen. Außerdem kann das Verfahren zur elektrischen Trennung von auf Trägersubstraten (z.B. Glas) aufgebrachten Dünnschichtsolarzellen eingesetzt werden. Dass das beschriebene Verfahren grundsätzlich geeignet ist, um Silizium lokal zu ätzen, wurde bereits in der Literatur demonstriert (R. M. Sankaran and K. P. Geapis, Applied Physics Letters 79 (2001) 593). Alternativ kann eine Metall-Polymer-Metall-Folie verwendet werden und die elektrische Spannung wird zwischen beiden Metall-Folien angelegt, was den Vorteil hat, dass kein elektrischer Kontakt zum Halbleitermaterial hergestellt werden muss. Die Erzeugung von Mikroentladungen in kreisförmigen Öffnungen (150 μm Durchmesser) in ca. 30 μm dicken Metall-Polymer-Metall-Folien wurde bereits in der Literatur nachgewiesen (S. J. Park et al., Applied Physics Letters 77 (2000) 199).
- Die Vorrichtung, mit der der gezielte lokale Materialabtrag vorgenommen wird, besteht aus einem vakuumdichten Gehäuse, in dessen eine Wand die oben beschriebene Metall-Polymer-Folie oder die Metall-Polymer-Metall-Folie mit lokalen Öffnungen eingesetzt wird. Die Folie wird in Kontakt mit der Halbleiteroberfläche gebracht, indem das Gehäuse dicht auf die zur strukturierende Solarzellenoberfläche gedrückt wird. Anschließend wird im Gehäuse mittels einer Pumpe ein Vakuum erzeugt, wobei das zu evakuierende Gehäusevolumen möglichst klein zu wählen ist, so dass die Abpumpzeiten klein sind. Dann wird das reaktive Gas in die Kammer eingelassen. Durch Anlegen einer Spannung zwischen Metall-Folie und Halbleiter bzw. zwischen den beiden Metall-Folien der Metall-Polymer-Metall-Folie wird das Plasma an den Öffnungen der Folie gezündet und es erfolgt ein lokaler Materialabtrag der darunter liegenden Solarzelle. Ein großer Vorteil dieser Vorrichtung gegenüber konventionellen Plasmaätzanlagen liegt in dem sehr kleinen Volumen, was geringe Evakuierungszeiten und geringe Mengen der reaktiven Gase erforderlich macht. Die in der Halbleitertechnologie eingesetzten reaktiven Gase haben häufig eine stark umweltbelastende Wirkungen, z.B. wirkt SF6 als Treibhausgas. Daher ist die Vorrichtung im Vergleich zu konventionellen Plasmaätzanlagen weniger umweltbelastend.
- Wege zur Ausführung der Erfindung
- Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
-
3 Anordnung mit Metall-Polymer-Folie zur lokalen Materialabtragung mittels Mikroentladungen -
4 Anordnung mit Metall-Polymer-Metall-Folie zur lokalen Materialabtragung mittels Mikroentladungen -
5 Ausführungsform der Vorrichtung zur lokalen Strukturierung von Oberflächen mittels Mikroentladungen - In
3 und4 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der lokalen Oberflächenvertiefungen beispielhaft gezeigt. Die Anordnungen befinden sich in einer Vakuumkammer, in die ein reaktives Gas (z.B. SF6 oder CF4) oder Gasgemisch (z.B. SF6/O2 oder SF6/Ar) eingelassen wird. Es wird eine dünne Folie (ca. 5-500 μm dick) mit lokalen Öffnungen (z.B. Linien oder Punkte mit Breiten zwischen 5-500 μm) in engen Kontakt mit der zu strukturierenden Solarzelle1 gebracht. Die Folie setzt sich zusammen aus einer Metall-Folie8 (z.B. Kupfer-Folie) und einer Polymer-Folie9 . Hergestellt werden kann eine solche Metall-Polymer-Folie beispielsweise durch Spin-Coating einer Polyimid-Schicht (z.B. Dupont 2611) auf eine Kupfer-Folie (S.J. Park et al., Applied Physics Letters 78 (2001) 419). Alternativ kann auch eine Metall-Polymer-Metall-Folie wie in4 gezeigt verwendet werden. Eine Spannungsquelle10 wird zwischen Metall-Folie und Solarzelle (3 ) angeschlossen oder zwischen beiden Metall-Folien (4 ). Nach Anlegen einer Spannung im Bereich von typischerweise einigen zehn bis einigen hundert Volt wird ein Plasma11 in den lokalen Öffnungen der Folie gezündet und Material unterhalb der Öffnungen wird abgetragen. - Eine Ausführungsform der Vorrichtung, mit der der gezielte lokale Materialabtrag der Solarzelle vorgenommen wird, ist in
5 gezeigt. Sie besteht aus einem vakuumdichten Gehäuse12 , das mit einem Gaseinlass13 und einem Gasauslass14 versehen ist. Die Grundfläche kann z.B. quadratisch sein mit einer Kantenlänge von ca. 1-30 cm. Die Höhe wird in der Regel kleiner als die Kantenlänge gewählt (z.B. 0,1-10 mm), so dass das Volumen der Kammer möglichst gering gehalten wird. Eine Wand des Gehäuses wird durch die Metall-Polymer-Folie8 ,9 gebildet, die mit der Solarzelle1 in Kontakt gebracht wird, so dass die Öffnungen in der Metall-Polymer-Folie durch die Solarzelle vakuumdicht verschlossen werden und das Gehäuseinnere über den Gasauslass14 evakuiert werden kann. Über den Gaseinlass13 wird anschließend das reaktive Gas oder Gasgemisch15 in die Kammer eingeleitet und dann mit der Spannungsquelle10 eine elektrische Spannung zwischen Metall-Folie und Solarzelle angelegt, die das Plasma in den lokalen Öffnungen der Metall-Polymer-Folie8 ,9 zündet. Alternativ kann eine Metall-Polymer-Metall-Folie in das Gehäuse eingebaut werden, wobei die Spannung in diesem Fall zwischen beiden Metall-Folien angelegt wird. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass kein elektrischer Kontakt zur Solarzelle hergestellt werden muss. -
- 1
- Solarzelle
- 2
- Basis-Bereich
- 3
- Emitter-Bereich
- 4
- Passivierschicht
- 5
- Basismetallkontakt
- 6
- Emittermetallkontakt
- 7
- Antireflexschicht
- 8
- Metallfolie
- 9
- Polymerfolie
- 10
- Spannungsquelle
- 11
- Plasma
- 12
- Vakuumgehäuse
- 13
- Gaseinlass
- 14
- Gasauslass
- 15
- Reaktives Gas oder Gasgemisch
Claims (8)
- Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit lokalen Oberflächenvertiefungen, insbesondere zur lokalen Entfernung von diffundierten und/oder undiffundierten Gebieten der Solarzelle (
1 ), dadurch gekennzeichnet, dass eine als Schablone dienende Metall-Polymer-Folie (8 ,9 ) mit lokalen Öffnungen in direkten Kontakt mit den diffundierten und/oder undiffundierten Gebieten der Solarzelle gebracht wird, so dass sich die Polymer-Seite (9 ) in direktem Kontakt mit der Solarzellenoberfläche befindet, dass sich die Anordnung in einer Vakuumkammer befindet und in die Vakuumkammer ein reaktives Gas oder Gasgemisch eingelassen wird, dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung mit einer Spannungsquelle (10 ) zwischen der Metallelektrode (8 ) der Metall-Polymer-Folie (8 ,9 ) und der Solarzelle (1 ) ein reaktives Gas oder Gasgemisch in den lokalen Öffnungen zu einer örtlich durch die Ausdehnung der Öffnungen begrenzten Gasentladung (11 ) angeregt wird, und dass an den lokalen Öffnungen durch Ätzen der reaktiven Gasradikale Material der Solarzelle an den Orten der lokalen Öffnungen der Schablone lokal entfernt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schablone aus einer Metall-Polymer-Metall-Folie (
8 ,9 ) aufgebaut ist und die elektrische Spannung mit einer Spannungsquelle (10 ) zwischen beiden Metallelektroden (8 ) angelegt wird. - Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch zu kontaktierende Solarzellenoberfläche aus einem Halbleitersubstrat, vorzugsweise aus einer n- oder p-leitenden Silizium-Scheibe, besteht, auf die eine Schicht (
4 ,7 ) aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder amorphem Silizium aufgebracht sein kann. - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schablone nach dem lokalen Öffnen der Schicht aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder amorphem Silizium als Maske zur lokalen Metallisierung verwendet wird.
- Vorrichtung zur Herstellung von Solarzellen mit lokalen Oberflächenvertiefungen, insbesondere zur lokalen Entfernung von diffundierten und/oder undiffundierten Gebieten der Solarzelle (
1 ), dadurch gekennzeichnet, dass eine Metall-Polymer-Schablone (8 ,9 ) mit lokalen Öffnungen als Seitenwand in ein vakuumdichtes Gehäuse (12 ) eingefügt wird, das mit einem Gaseinlass (13 ) und einem Gasauslass (14 ) versehen ist und dicht mit der Polymer-Folie (9 ) auf die Oberfläche der Solarzelle gebracht wird. - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schablone aus einer Metall-Polymer-Metall-Folie (
8 ,9 ) besteht, wobei eine der Metall-Folien (8 ) dicht in Kontakt mit der Oberfläche der zu strukturierenden Solarzelle (1 ) gebracht wird. - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Spannungsquelle (
10 ) eine elektrische Spannung zwischen der Solarzelle und der Metall-Elektrode (8 ) der Schablone angelegt wird. - Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Spannungsquelle (
10 ) eine elektrische Spannung zwischen den beiden Metall-Elektroden (8 ) der Schablone angelegt wird.
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