DE102010025983A1 - Solarzelle mit dielektrischer Rückseitenverspiegelung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Dr. Schlosser Reinhold
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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (70), bei welchem auf einer Rückseite eines Solarzellensubstrats (72) ein Schichtstapel (74, 76) dielektrischer Schichten (74, 76) aufgebracht wird (14, 16; 54, 56), der Schichtstapel (74, 75) erhitzt und während eines Zeitraums von wenigstens 5 Minuten auf Temperaturen von mindestens 700°C gehalten wird (20) sowie Solarzelle (70).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Solarzelle mit einer dielektrischen Rückseitenverspiegelung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Auf dem Gebiet der Photovoltaik ist man bestrebt, den Aufwand für die Stromerzeugung zu reduzieren. Dies kann zum einen durch eine Erhöhung des Wirkungsgrads gefertigter Solarzellen erreicht werden, zum anderen durch eine Reduktion des für die Herstellung von Solarzellen erforderlichen Aufwands. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades setzt voraus, dass ein größerer Anteil eingestrahlter Lichtquanten Elektron-Loch-Paare erzeugt und/oder ein größerer Anteil erzeugter Elektron-Loch-Paare vor deren Rekombination abgeführt wird. Die sogenannte Quantenausbeute oder Quanteneffizienz ist demzufolge zu verbessern.
  • Insbesondere im roten Spektralbereich besteht aufgrund vergleichsweise großer Absorptionslängen der langwelligen, roten Lichtanteile Verbesserungspotential. Da in der industriellen Solarzellenfertigung immer dünnere Solarzellensubstrate, beispielsweise Siliziumscheiben, verwendet werden, gewinnt der rote Spektralbereich zusätzlich an Bedeutung. Zur Verbesserung der Quantenausbeute wird daher auf. der Rückseite des Solarzellensubstrats, also auf einer dem einfallenden Licht abgewandten Seite des Solarzellensubstrats, eine Metallschicht als optischer Spiegel aufgebracht. Infolgedessen wird auf einer Vorderseite des Solarzellensubstrats einfallendes, langwelliges Licht an der Rückseite des Solarzellensubstrats reflektiert. Hierdurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit für eine Absorption im Volumen des Solarzellensubstrats und damit die Wahrscheinlichkeit für die Generation eines Elektron-Loch-Paares. Ohne optischen Spiegel an der Rückseite das Solarzellensubstrat würde hingegen ein größerer Lichtanteil das Solarzellensubstrat durchlaufen ohne absorbiert zu werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass derartige metallische optische Spiegel mit einer hohen Ladungsträgerrekombinationsrate an der Grenzfläche des Metalls zu dem Solarzellensubstrats einhergehen. Dies lässt sich umgehen, indem statt metallischer Rückseitenspiegel eine dielektrische Verspiegelung der Rückseite des Solarzellensubstrats vorgesehen wird. Hierzu werden eine oder mehrere dielektrische Schichten auf die Rückseite des Solarzellensubstrats aufgebracht. Diese werden derart ausgebildet, dass auf die dielektrischen Schichten treffende Lichtquanten durch den Effekt der Totalreflexion reflektiert werden. Dieser Effekt ersetzt die im Falle der metallischen Rückseitenspiegel vorliegende Reflexion der Lichtquanten am optisch dichteren Medium.
  • Mit derartigen dielektrischen Rückseitenspiegeln kann die Rekombinationsgeschwindigkeit der Ladungsträger an der Rückseite deutlich verringert werden. Es können Rekombinationsgeschwindigkeiten von weniger als 500 cm/s erreicht werden. Ein bislang üblicher, ganzflächiger Aluminiumrückkontakt mit ausgebildetem Rückseitenfeld (häufig als back surface field bezeichnet) erreicht hingegen nur Rekombinationsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 1000 cm/s. Ein ohmscher und als Rückseitenspiegel verwendeter metallischer Rückseitenkontakt ohne Rückseitenfeld weist sogar Rekombinationsgeschwindigkeiten über 106 cm/s auf.
  • Zur Abfuhr des generierten elektrischen Stromes ist eine elektrische Kontaktierung der Rückseite des Solarzellensubstrats erforderlich ist. Mittels dielektrischer Schichten ist dies jedoch nicht realisierbar. Es müssen daher zusätzlich zu der dielektrischen Rückseitenverspiegelung metallische Kontakte vorgesehen werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem die dielektrischen Schichten lokal geöffnet und in den erzeugten Öffnungen Metallkontakte ausgebildet werden. Beispielsweise können die dielektrischen Schichten mittels Laserstrahlverdampfung lokal geöffnet werden und Metallkontakte aufgedampft werden. Diese Art der Ausbildung der Rückkontakte ist jedoch aufwändig verglichen mit den beider industriellen Solarzellenfertigung üblicherweise eingesetzten Druckverfahren, wie beispielsweise Siebdruck- oder Spritzendruckverfahren. Doch können die bei der industriellen Fertigung verwendeten Druckverfahren nicht ohne weiteres in Verbindung mit dielektrischen Schichten zur Rückseitenkontaktierung von Solarzellensubstraten verwendet werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die bei diesen Druckverfahren verwendeten Pasten Glasanteile, sogenannte Glasfritte, enthalten. Diese bewirken, dass die Pasten bei einem für die Kontaktausbildung erforderlichen Feuerprozess durch die dielektrischen Schichten hindurch feuern und sie damit zerstören. Die Verwendung von Pasten, welche keine Glasanteile enthalten, hat sich ebenfalls als problematisch erwiesen, da mit solchen Pasten erzeugte Kontakte nur unzureichend auf dem Solarzellensubstrat haften.
  • Um ein Durchfeuern von glasfrittehaltigen Pasten durch die dielektrischen Schichten zu verhindern, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, die dielektrischen Schichten derart dick auszuführen, dass dies vermieden wird. Dies ist jedoch mit einem erheblichen Fertigungsmehraufwand verbunden.
  • Die durch die Verwendung einer dielektrischen Rückseitenverspiegelung erzielte Wirkungsgradverbesserung wird somit derzeit durch den mit der dielektrischen Rückseitenverspiegelung einhergehenden Fertigungsmehraufwand überkompensiert.
  • Vor dem geschilderten Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches eine aufwandsgünstige dielektrische Verspiegelung und Kontaktierung einer Solarzellenrückseite ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine aufwandsgünstig herstellbare Solarzelle mit dielektrisch verspiegelter Rückseite zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand abhängiger Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass auf eine Rückseite eines Solarzellensubstrats ein Schichtstapel dielektrischer Schichten aufgebracht wird. Dieser Schichtstapel wird erhitzt und während eines Zeitraums von wenigstens 5 Minuten auf Temperaturen von mindest 700°C gehalten. Durch ein Verfahren, welches diese Merkmale aufweist, wird die erstgenannte Aufgabe bereits gelöst.
  • Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch das beschriebene Erhitzen und Haltendes Schichtstapels auf Temperaturen von mindestens 700°C die Widerstandsfähigkeit einer oder mehrerer dielektrische Schichten des Schichtstapels gegen ein Durchfeuern von Glasanteile enthaltenden Pasten verstärkt werden kann. Eine solche Verstärkung der Widerstandsfähigkeit wird vorliegend kurz als Verdichten bezeichnet. Bislang ist nicht geklärt, welche Vorgänge in einer oder mehreren dielektrischen Schichten während des Erhitzens und Haltens auf Temperaturen von mindestens 700°C ablaufen und zu einem Verdichten einer oder mehrerer dielektrischer Schichten führen.
  • Vorzugsweise wird der Schichtstapel während eines Zeitraums von wenigstens 10 Minuten auf Temperaturen von mindestens 700°C gehalten.
  • Der Zeitraum, während welchem der Schichtstapel auf Temperaturen von mindestens 700°C gehalten wird, kann grundsätzlich von Phasen unterbrochen sein, in welchen der Schichtstapel Temperaturen von weniger als 700°C aufweist. Es können also mehrere Zeitabschnitte vorgesehen werden, in welchen der Schichtstapel auf Temperaturen von mindestens 700°C gehalten wird. Kumuliert erstrecken sich diese Zeitabschnitte über wenigstens 5 Minuten, vorzugsweise über wenigstens 10 Minuten.
  • Als Solarzellensubstrat wird bevorzugt ein Siliziumsolarzellensubstrat verwendet.
  • Vorteilhafterweise wird ein Schichtstapel aufgebracht, welcher eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von weniger als 100 nm aufweist. Insbesondere bei einer Verwendung von Siliziumsolarzellensubstraten ermöglicht dies eine gute Passivierung oberflächlicher Defektzustände. Die Dicke der Siliziumoxidschicht beträgt vorzugsweise zwischen 5 nm und 100 nm, besonders bevorzugt zwischen 10 nm und 100 nm. Die besagte Siliziumoxidschicht kann grundsätzlich auf jede an sich bekannte Art aufgebracht werden. Beispielsweise kann die Siliziumoxidschicht durch chemische Abscheidung aus einer Dampfphase aufgebracht werden. Wird ein Siliziumsolarzellensubstrat verwendet, kann die Siliziumoxidschicht durch thermische Oxidation des Siliziumsolarzellensubstrats ausgebildet werden.
  • In der Praxis bewährt hat sich ein Schichtstapel, welcher eine Siliziumnitridschicht mit einer Dicke von weniger als 200 nm aufweist. Die Siliziumnitridschicht kann beispielsweise mittels chemischer Abscheidung aus der Dampfphase aufgebracht werden. Hierbei können insbesondere plasmagetriebene Abscheideverfahren (PECVD) oder Niederdruckabscheideverfahren (LPCVD) Verwendung finden. Siliziumnitridschichten mit einer Dicke von weniger als 200 nm können aufwandsgünstig aufgebracht werden. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Siliziumnitridschicht zwischen 50 nm und 200 nm, besonders bevorzugt zwischen 70 nm und 150 nm.
  • Es hat sich gezeigt, dass Siliziumnitridschichten durch Erhitzen und Halten auf Temperaturen von mindestens 700°C während eines Zeitraums von wenigstens 5 Minuten verdichtet werden können. Neben Siliziumnitridschichten können auf diese Weise auch Schichten aus Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Titanoxid oder Tantalnitrid verdichtet werden.
  • Vorteilhafterweise wird ein Schichtstapel aufgebracht, welcher eine Siliziumoxidschicht und eine Siliziumnitridschicht aufweist. Dabei wird vorzugsweise zunächst die Siliziumoxidschicht auf die Rückseite des Solarzellensubstrats und nachfolgend die Siliziumnitridschicht auf die Siliziumoxidschicht aufgebracht. Besonders bevorzugt wird die Siliziumoxidschicht direkt auf das Solarzellensubstrat aufgebracht und die Siliziumnitridschicht wird direkt auf die Siliziumoxidschicht aufgebracht. Dies ermöglicht eine weitgehende dielektrische Passivierung der Rückseite des Solarzellensubstrats, sodass an der Rückseite des Solarzellensubstrats eine sehr kleine Ladungsträgerrekombinationsgeschwindigkeiten realisiert werden können. Gleichzeitig weist der Schichtstapel aufgrund der verdichteten Siliziumnitridschicht eine verstärkte Widerstandsfähigkeit gegen ein Durchfeuern von Glasanteile enthaltenden Pasten auf.
  • Vorteilhafterweise wird nach dem Aufbringen des Schichtstapels auf die Rückseite des Solarzellensubstrats in einem Diffusionsschritt Dotierstoff in das Solarzellensubstrat eindiffundiert und während dieses Diffusionsschritts der Schichtstapel während des Zeitraums von wenigstens 5 Minuten auf Temperaturen von mindestens 700°C gehalten. Auf diese Weise kann das Verdichten zumindest einer dielektrischen Schicht aufwandsgünstig in den Solarzellenfertigungsprozess integriert werden, da die zumindest eine dielektrische Schicht während des ohnehin erforderlichen Diffusionsschrittes verdichtet werden kann.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei dem Diffusionsschritt um einen Emitterdiffusionsschritt. Dieser kann grundsätzlich in jeder an sich bekannten Weise ausgestaltet sein. Beispielsweise kann es sich um eine Emitterdiffusion aus der Gasphase, zum Beispiel eine POCl3-Diffusion, oder um eine Eindiffusion von Dotierstoff aus Vorgängerschichten (sogenannten Precursor-Diffusionen) handeln. Je nach verwendetem Solarzellensubstrat kann der Diffusionsschritt als n- oder p-Diffusionsschritt ausgestaltet werden.
  • Während des Diffusionsschritts kann der Schichtstapel als Diffusionsmaske für die Rückseite des Solarzellensubstrats verwendet werden. Auf diese Weise kann aufwandsgünstig eine einseitige Emitterdiffusion realisiert werden. Dies wirkt sich insbesondere bei den häufig eingesetzten Gasphasendiffusionen, beispielsweise der genannten POCl3-Diffusion, vorteilhaft aus. Denn infolge der einseitigen Emitterdiffusion kann eine bei ganzflächigen Emitterdiffusionen erforderliche Kantenisolation entfallen, wodurch der Herstellungsaufwand reduziert wird.
  • Zweckmäßigerweise werden in dem Schichtstapel lokale Öffnungen ausgebildet. Dies kann beispielsweise mittels Laserstrahlverdampfung erfolgen. Alternativ kann eine geeignete Ätzpaste lokal auf den Schichtstapel aufgebracht und dieser durch Ätzen lokal geöffnet werden.
  • Werden die lokalen Öffnungen mittels Laserstrahlverdampfung ausgebildet, so hat es sich bewährt, die lokalen Öffnungen als lokale Linienöffnungen auszubilden. Gegenüber einer Vielzahl lokaler, gleichsam punktförmiger Öffnungen ist dies von Vorteil. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei dem Laserstrahlverdampfen die Oberfläche des Solarzellensubstrats beschädigt wird. Die Schädigungen sind im Randbereich des Laserstrahls schwerwiegender. Infolgedessen ergibt sich bei einer Vielzahl, gleichsam punktförmiger Öffnungen ein ungünstigeres Verhältnis problematischer Randbereiche zu guten Mittelbereichen als bei linienförmigen Öffnungen. Zudem trägt eine in die linienförmigen Öffnungen eingebrachte Metallisierung zur Erhöhung der rückseitigen Querleitfähigkeit bei, was sich vorteilhaft auf Füllfaktoren der gefertigten Solarzellen auswirkt. Optional können zur Reduktion der durch das Laserstrahlverdampfen erzeugten Schädigungen die Öffnungen überätzt werden, beispielsweise mit einer alkalischen Ätzlösung oder einer Flusssäure enthaltenden Ätzlösung.
  • Werden die lokalen Öffnungen mittels lokal aufgebrachter Ätzpaste ausgebildet, ist es hingegen von Vorteil, die Öffnungen als gleichsam punktförmige Öffnungen auszubilden.
  • Alternativ können die lokalen Öffnungen ausgebildet werden, indem eine metallhaltige Paste mit sehr hohem Glasanteil lokal auf den Schichtstapel aufgebracht und durch diesen durchgefeuert wird. Da der Schichtstapel zumindest eine verdichtete dielektrische Schicht aufweist, ist der hohe Glasanteil sowie eine Anpassung des Durchfeuerprozesses erforderlich. Bei dieser Ausgestaltungsvariante sind die lokalen Öffnungen bereits mit metallhaltiger Paste gefüllt. Zur elektrisch leitenden Verbindung der in den lokalen Öffnungen angeordneten Kontakte kann der Schichtstapel flächig mit einer gewöhnlichen metallhaltigen Paste bedruckt werden. Da diese einen geringeren Glasanteil aufweist, wird ein Durchfeuern der flächig aufgebrachten Paste durch den Schichtstapel hindurch von der zumindest einen verdichteten dielektrische Schicht verhindert.
  • Vorzugsweise wird auf den Schichtstapel großflächig ein metallhaltiges Medium aufgebracht und dabei ein Teil des metallhaltigen Mediums in die lokalen Öffnungen eingebracht. Dies kann beispielsweise mittels an sich bekannten Druckverfahren, beispielsweise einem Siebdruckverfahren, erfolgen. Ein großflächiges Aufbringen liegt vor, wenn die rückseitige Fläche des Solarzellensubstrats zu mindestens 80% von dem metallhaltigen Medium bedeckt ist. Zum Zwecke der Ausbildung ohmscher Kontakte in den lokalen Öffnungen wird das Solarzellensubstrat gefeuert. Während des Feuerns wird ein Durchfeuern von auf dem Schichtstapel befindlichen Anteilen des metallhaltigen Mediums durch den Schichtstapel hindurch vermieden. Die Feuerparameter wie Temperatur und Zeit sind entsprechend zu wählen. Als metallhaltiges Medium können beispielsweise metallhaltige Pasten beziehungsweise Druckpasten Verwendung finden oder ein metallhaltiges Fluid. Vorzugsweise werden aluminiumhaltige Pasten oder Fluide verwendet, da auf diese Weise in Bereichen der lokalen Öffnungen ein lokales Rückseitenfeld ausgebildet werden kann. Dieses wird häufig als lokales back surface field bezeichnet und reduziert die Ladungsträgerrekombination in den Bereichen der lokalen Öffnungen beziehungsweise Kontakte. Bei großflächig ausgebildeten rückseitigen Kontakten tritt häufig eine Verbiegung des Solarzellensubstrats auf. Dies wird bei der beschriebenen Ausgestaltungsvariante vermieden oder die Verbiegung zumindest verringert, da nur in den lokalen Öffnungen Kontakte ausgebildet werden und somit nur dort das metallhaltige Medium mit dem Solarzellensubstrat in direkten Kontakt kommt.
  • Vorteilhafterweise wird die Rückseite des Solarzellensubstrats vor dem Aufbringen des Schichtstapels mittels einer Glattätzlösung oder einer Politurätzlösung geätzt. Auf diese Weise kann eine glatte Oberfläche der Rückseite des Solarzellensubstrats bereitgestellt werden, welches sich vorteilhaft auf das Reflexionsverhalten der Rückseite des Solarzellensubstrats auswirkt. Unter einer Glattätzlösung ist dabei eine Ätzlösung zu verstehen, mittels welcher die Oberfläche des Solarzellensubstrats derart geätzt werden kann, dass einfallendes Licht mit einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 1000 nm zu mindestens 15% und zu weniger als 25% reflektiert wird. Unter einer Politurätzlösung ist eine Ätzlösung zu verstehen, mittels welcher die Oberfläche des Solarzellensubstrats derart geätzt werden kann, dass einfallendes Licht mit einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 1000 nm zu mindestens 25% reflektiert wird.
  • Vorzugsweise wird die Vorderseite des Solarzellensubstrats texturiert. Dies kann mittels eines Ätzmediums erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt dies mittels einer Texturätzlösung. Infolge der Texturierung wird einfallendes Licht vermehrt schräg in das Solarzellensubstrat eingekoppelt, sodass ein vermehrter Lichtanteil an der Rückseite des Solarzellensubstrats total reflektiert werden kann. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der gefertigten Solarzelle verbessert werden.
  • Vorteilhafterweise wird die Vorderseite des Solarzellensubstrats nachdem Aufbringen des Schichtstapels texturiert. Der Schichtstapel wird während des Texturierens als Ätzmaskierung für die Rückseite des Solarzellensubstrats verwendet. Auf diese Weise kann aufwandsgünstig eine einseitige Texturierung des Solarzellensubstrats realisiert werden.
  • Nachdem der Schichtstapel während eines Zeitraums von wenigstens 5 Minuten auf Temperaturen von mindestens 700°C gehalten worden ist, wird vorzugsweise eine wasserstoffhaltige Siliziumnitridschicht auf der Vorderseite des Solarzellensubstrats abgeschieden. Die wasserstoffhaltige Siliziumnitridschicht wird also nach dem Verdichten zumindest einer dielektrischen Schicht auf der Vorderseite des Solarzellensubstrats abgeschieden. Dies kann beispielsweise mittels an sich bekannter chemischer Abscheideverfahren aus der Dampfphase erfolgen. Mittels der wasserstoffhaltigen Siliziumnitridschicht kann eine Defektpassivierung im Volumen des Solarzellensubstrats erfolgen, wodurch der Wirkungsgrad gefertigter Solarzellen verbessert werden kann. Anstelle einer Passivierung mittels einer wasserstoffhaltigen Siliziumnitridschicht kann grundsätzlich auch eine andere Art der Wasserstoffpassivierung gewählt werden, beispielsweise eine Defektpassivierung mittels eines Wasserstoffplasmas.
  • Die erfindungsgemäße Solarzelle weist einen auf der Rückseite der Solarzelle angeordneten Schichtstapel aus dielektrischen Schichten auf. Zumindest eine dielektrische Schicht dieses Schichtstapels ist verdichtet.
  • Unter einer verdichteten dielektrischen Schicht im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine dielektrische Schicht zu verstehen, deren Widerstandsfähigkeit gegen ein Durchfeuern von Pasten mit Glasanteilen gegenüber ihrer Widerstandsfähigkeit zu einem Zeitpunkt unmittelbar nach ihrer Abscheidung verstärkt ist.
  • Eine verdichtete Schicht ist erhältlich durch Erhitzen des Schichtstapels und Halten des Schichtstapels auf Temperaturen von mindestens 700°C während eines Zeitraums von mindestens 5 Minuten.
  • Bewährt hat sich ein Schichtstapel, welcher eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von weniger als 100 nm aufweist. Vorzugsweise beträgt deren Dicke zwischen 5 nm und 100 nm, besonders bevorzugt zwischen 10 nm und 100 nm.
  • Vorteilhafterweise weist der Schichtstapel eine Siliziumnitridschicht mit einer Dicke von weniger als 200 nm auf. Vorzugsweise beträgt die Dicke zwischen 50 nm und 200 nm, besonders bevorzugt zwischen 70 nm und 150 nm.
  • Siliziumoxidschichten und Siliziumnitridschichten in den genannten Dicken können aufwandsgünstig mittels an sich bekannter Verfahren, beispielsweise chemischer Abscheideverfahren aus der Dampfphase, abgeschieden werden. Im Falle eines Siliziumsolarzellensubstrats kann die Siliziumoxidschicht durch thermische Oxidation des Solarzellensubstrats ausgebildet werden.
  • Vorteilhafterweise weist der Schichtstapel eine Siliziumoxidschicht und eine Siliziumnitridschicht auf. Dabei ist die Siliziumnitridschicht vorzugsweise auf der Siliziumoxidschicht angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Siliziumoxidschicht direkt auf dem Solarzellensubstrat angeordnet und die Siliziumnitridschicht ist direkt auf der Siliziumoxidschicht angeordnet.
  • Vorteilhafterweise ist auf dem Schichtstapel ein flächiger Rückkontakt angeordnet, welcher lokal durch den Schichtstapel hindurchreicht und die Rückseite eines Solarzellensubstrats kontaktiert. Zu diesem Zweck können mehrere lokale Öffnungen in dem Schichtstapel vorgesehen sein, durch welche der flächige Rückkontakt durch den Schichtstapel hindurchreicht.
  • Vorzugsweise ist der Rückkontakt aus einer metallhaltigen Paste gebildet, vorteilhafterweise aus einer aluminiumhaltigen Paste. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Siebdruckkontakt handeln, welcher vorzugsweise einstückig ausgeführt ist, also in einem einzigen Siebdruckvorgang aufgebracht wurde.
  • Vorteilhafterweise weist der Rückkontakt Glasanteile auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um in Siebdruckpasten übliche Glasfritten handeln. Diese Glasanteile ermöglichen eine zuverlässige Haftung des Rückkontakts auf dem Schichtstapel.
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Soweit zweckdienlich, sind hierin gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
  • 1 Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
  • 2 Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
  • 3 Prinzipdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
  • 4 Schemadarstellung einer erfindungsgemäßen Solarzelle
  • 5 Rückansicht der Solarzelle aus 4 in einer schematischen Darstellung
  • 1 illustriert ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß diesem wird das Solarzellensubstrat zunächst mittels einer Texturätzlösung texturiert 10. Im Weiteren wird die Rückseite des Solarzellensubstrats in einer Politurätzlösung geätzt 12 und in an sich bekannter Weise gereinigt 12. Im Weiteren wird eine Siliziumoxidschicht auf die Rückseite des Solarzellensubstrats aufgebracht 14. Dies kann beispielsweise durch eine chemische Abscheidung aus der Dampfphase erfolgen. Bevorzugt wird jedoch ein Siliziumsolarzellensubstrat verwendet und die Siliziumoxidschicht thermisch aufgewachsen oder im Plasma abgeschieden.
  • Im Weiteren wird eine Siliziumnitridschicht auf die Siliziumoxidschicht aufgebracht 16. Die Siliziumoxidschicht bildet zusammen mit der Siliziumnitridschicht einen Schichtstapel, der eine dielektrische Verspiegelung der Rückseite des Solarzellensubstrats bewirkt. Zusammen mit der auf der Vorderseite des Solarzellensubstrats vorhandenen Texturierung bewirkt dieser Schichtstapel, wie oben beschrieben, eine effektive Reflexion von eingestrahltem Licht an der Rückseite des Solarzellensubstrats.
  • Im weiteren Verfahrensverlauf werden die Solarzellensubstrate in an sich bekannter Weise gereinigt 18, beispielsweise in Salzsäure und/oder Flusssäure aufweisenden Reinigungslösungen. Nachfolgend erfolgt eine Emitterdiffusion 20, bei welcher der aus Siliziumoxidschicht und Siliziumnitridschicht gebildete Schichtstapel erhitzt und während eines Zeitraums von wenigstens 5 Minuten auf Temperaturen von mindestens 700°C gehalten wird, sodass die Siliziumnitridschicht verdichtet wird 20. Die Emitterdiffusion 20 kann als Phosphordiffusion ausgeführt sein, sofern das verwendete Solarzellensubstrat eine p-Volumendotierung aufweist. In diesem wie in allen anderen Ausführungsbeispielen können jedoch auch n-dotierte Solarzellensubstrate Verwendung finden. Die Emitterdiffusion wäre sodann als p-Emitterdiffusion, beispielweise als Bordiffusion, auszuführen.
  • Im Weiteren wird von einer Phosphor-Emitterdiffusion in einem p-dotierten Siliziumsolarzellensubstrat ausgegangen. Diese Phosphordiffusion kann beispielsweise als POCl3-Diffusion ausgestaltet sein. Das Ausführungsbeispiel der 1 ist jedoch auch für Precursor-Diffusionen geeignet und sowohl mit Durchlaufdiffusionsverfahren wie auch mit im Stapelbetrieb durchgeführten Diffusionen kompatibel.
  • Während der Emitterdiffusion 20 dient der Schichtstapel aus Siliziumoxidschicht und Siliziumnitridschicht als Diffusionsmaske für die Rückseite des Solarzellensubstrats. Während der Emitterdiffusion 20 wird demzufolge auf der Rückseite des Solarzellensubstrats kein Dotierstoff eindiffundiert. Damit entfällt das Erfordernis einer Kantenisolation.
  • Im Anschluss an die Emitterdiffusion 20 kann optional eine Laserdiffusion 32 auf der Vorderseite des Solarzellensubstrats erfolgen. Hierbei wird ein Laserstrahl über die Kontaktstruktur der Vorderseite geführt. Die Kontaktstruktur wird gebildet aus denjenigen Bereichen, in welchen zu einem späteren Zeitpunkt die Vorderseitenkontakte angeordnet werden. Indem der Laserstrahl über diese Kontaktstruktur geführt wird, erfolgt in diesen Bereichen eine verstärkte Eindiffusion von Dotierstoff aus einem während der Emitterdiffusion 20 auf der Oberfläche des verwendeten Siliziumsolarzellensubstrats ausgebildeten Silikatglas. Wurde die Emitterdiffusion 20 als Phosphordiffusion ausgeführt, so handelt es sich beispielsweise um ein Phosphorsilikatglas, aus welchem zusätzlicher Dotierstoff lokal in die Vorderseite des Siliziumsolarzellensubstrats eindiffundiert wird. Die Laserdiffusion 32 auf der Vorderseite ermöglicht somit die Ausbildung einer selektiven Emitterstruktur.
  • Im Weiteren werden lokale Öffnungen in dem Schichtstapel ausgebildet 22. Wie bereits oben dargelegt wurde, kann dies beispielsweise mittels Laserstrahlverdampfung oder unter Verwendung einer lokal aufgebrachten Ätzpaste erfolgen.
  • Im Weiteren wird das während der Emitterdiffusion 20 gebildete Silikatglas geätzt 24 und damit entfernt. Im Falle einer Phosphor-Emitterdiffusion handelt es sich hierbei um ein Phosphorsilikatglas.
  • Nachfolgend wird eine wasserstoffhaltige Siliziumnitridschicht auf der Vorderseite des Solarzellensubstrats abgeschieden 26. Diese ermöglicht, wie bereits oben dargelegt wurde, eine Passivierung von Defektzuständen in dem Volumen des Solarzellensubstrats.
  • Im Weiteren werden die Vorder- und Rückseite des Solarzellensubstrats metallisiert 28. Vorzugsweise erfolgt dies mittels Siebdruckverfahren. Grundsätzlich können jedoch auch andere Verfahren, insbesondere andere Druckverfahren, Verwendung finden. Bei der Metallisierung der Rückseite wird vorzugsweise großflächig eine metallhaltige Paste auf die Rückseite des Solarzellensubstrats aufgebracht und ein Teil der metallhaltigen Paste in die lokalen Öffnungen eingebracht.
  • Die bei dem Metallisieren 28 aufgebrachten metallhaltigen Pasten enthalten Glasanteile. Bei einem nachfolgenden Kofeuern 30 wird die auf der Vorderseite angeordnete metallhaltige Paste durch die Siliziumnitridschicht der Vorderseite hindurchgefeuert und in das Solarzellensubstrat eingesintert, sodass ein ohmscher Vorderseitenkontakt ausgebildet wird. Die Glasanteile enthaltende und auf der Rückseite aufgebrachte metallhaltige Paste wird während des Kofeuerns 30 nicht durch die rückseitige Siliziumnitridschicht hindurchgefeuert, da diese verdichtet wurde 20 und somit widerstandfähiger gegen ein Durchfeuern ist. Aufgrund der Glasanteile haftet die gefeuerte Paste stattdessen zuverlässig auf dem Schichtstapel. Lediglich in Bereichen der lokalen Öffnungen, in welche die lokalhaltige Paste eingebracht wurde, kommt es zu einem Einsintern der metallhaltigen Paste in die Rückseite des Solarzellensubstrats und zur Ausbildung ohmscher Kontakte. Vorzugsweise wird eine aluminiumhaltige Paste als metallhaltige Paste für die Rückseite verwendet, sodass während des Kofeuerns 30 ein lokales Rückseitenfeld in Bereichen der lokalen Öffnungen ausgebildet wird.
  • Das Ausführungsbeispiel der 1 stellt somit ein aufwandsgünstiges Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit einer dielektrischen Rückseitenpassivierung sowie lokalen Rückseitenfeld dar. Das Ausführungsbeispiel der 1 hat sich insbesondere bei der Herstellung von Solarzellen aus multi- oder monokristallinen Siliziumscheiben bewährt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 wird wiederum ein Siliziumsolarzellensubstrat verwendet. Zu Beginn wird dieses in einer Glattätzlösung geätzt 40 und dabei ein etwaiger auf den Solarzellensubstraten vorhandener Sägeschaden entfernt. Im Ergebnis liegt sodann ein auf der Vorderseite wie auf der Rückseite glatt geätztes Solarzellensubstrat vor.
  • Im Weiteren wird wie im Ausführungsbeispiel der 1 eine Siliziumoxidschicht direkt auf die Rückseite des Solarzellensubstrats aufgebracht 14 und eine Siliziumnitridschicht auf die Siliziumoxidschicht aufgebracht 16.
  • Hieran schließt sich ein Texturieren 42 mittels einer Textur ätzlösung an. Der auf der Rückseite des Solarzellensubstrats ausgebildete Schichtstapel aus der Siliziumoxidschicht und der Siliziumnitridschicht dient dabei als Ätzmaskierung, sodass nur die Vorderseite des Solarzellensubstrats texturiert wird 42.
  • Die weiteren Verfahrensschritte entsprechen denjenigen des Ausführungsbeispiels der 1.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 wird somit der Schichtstapel aus Siliziumnitridschicht und Siliziumoxidschicht nicht nur als Diffusionsmaskierung während der Emitterdiffusion 20 verwendet, sondern auch als Ätzmaskierung während des Texturierens 42. Der Aufwand für das Glatt- beziehungsweise Politurätzen der Rückseite des Solarzellensubstrats kann hierdurch in vorteilhafterweise reduziert werden. Das Ausführungsbeispiel der 2 hat sich insbesondere bei der Verwendung monokristalliner Siliziumscheiben als Solarzellensubstrate für die Solarzellenherstellung bewährt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 wird ein Siliziumsolarzellensubstrat zunächst mittels einer Texturätzlösung texturiert 10. Hieran schließt sich das bereits aus 1 bekannte Ätzen der Rückseite in einer Politurätzlösung und Reinigen 12 an.
  • Im Weiteren wird das Solarzellensubstrat, welches vorliegend als Siliziumsolarzellensubstrat ausgeführt ist, thermisch oxidiert 52. Die gesamte Oberfläche des Solarzellensubstrats ist somit von einer Siliziumoxidschicht bedeckt. Im Weiteren wird eine Siliziumnitridschicht auf die Rückseite und damit auf die dort vorhandene Siliziumoxidschicht aufgebracht 54.
  • Im Weiteren werden in der bereits im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Weise lokale Öffnungen in dem Schichtstapel aus Siliziumnitridschicht und Siliziumoxidschicht ausgebildet.
  • Weiterhin werden lokale Kontaktöffnungen in der Siliziumoxid-Schicht auf der Vorderseite des Solarzellensubstrats ausgebildet 56. In den Bereichen dieser Kontaktöffnungen werden nachfolgend die metallischen Vorderseitenkontakte ausgebildet. Die lokalen Kontaktöffnungen können beispielsweise mittels Laserstrahlverdampfung ausgebildet werden. Alternativ besteht die Möglichkeit lokal Ätzpaste oder ein anderes Ätzmedium aufzubringen.
  • Werden die lokalen Kontaktöffnungen der Vorderseite und/oder die lokalen Öffnungen in dem Schichtstapel mittels Laserstrahlverdampfung ausgebildet, so kann es von Vorteil sein, den dabei entstandenen Laserschaden durch Ätzen zu entfernen, wie dies der optionale Verfahrensschritt 59 vorsieht. Hierbei kann eine alkalische Ätzlösung, beispielsweise eine KOH-Lösung, Verwendung finden.
  • Während eines nachfolgenden Reinigens 58 des Solarzellensubstrats wird die Siliziumoxidschicht beibehalten. Bei dem Reinigen 58 wird daher auf den Einsatz von Flusssäure verzichtet. Die Reinigung 58 erfolgt stattdessen unter Verwendung von Salzsäure.
  • Im Weiteren erfolgt eine Dotierstoffdiffusion 60, bei welcher die Solarzellensubstrate erhitzt und während eines Zeitraums von wenigstens 5 Minuten auf Temperaturen von mindestens 700°C gehalten werden, sodass die Siliziumnitridschicht verdichtet wird. Bei dieser Dotierstoffdiffusion 60 kann es sich wie im Fall der Emitterdiffusion der 1 und 2 um eine p- oder n-Diffusion handeln. Sie kann zudem als Durchlaufdiffusion oder als Diffusion im Stapelbetrieb ausgeführt sein. Bei der Diffusion 60 dient der Schichtstapel aus Siliziumnitridschicht und Siliziumoxidschicht auf der Rückseite des Solarzellensubstrats wiederum als Diffusionsmaskierung. Auf der Vorderseite des Solarzellensubstrats kann der Dotierstoff durch die lokalen Kontaktöffnungen ungehindert in das Solarzellensubstrat eindringen und dort eine lokale Dotierung der Vorderseite bewirken. Werden Solarzellensubstrate verwendet, welche auf der Vorderseite bereits eine flächige Emitterdiffusion aufweisen, so kann mittels der Dotierstoffdiffusion 60 komfortabel ein selektiver Emitter mit stark dotierten Bereichen in den Regionen der lokalen Kontaktöffnungen realisiert werden.
  • Alternativ besteht die Möglichkeit, die Siliziumoxidschicht sehr dünn auszubilden und als diffusionshemmende Schicht zu verwenden, sodass während der Dotierstoffdiffusion 60 in reduziertem Umfang Dotierstoff durch die vorderseitige Siliziumoxidschicht hindurch in das Solarzellensubstrat gelangen und dort eine schwache Emitterdotierung ausbilden kann. In den Regionen der lokalen Kontaktöffnungen kann der Dotierstoff hingegen ungehindert in das Solarzellensubstrat eindringen und bildet dort starke Dotierungen aus. Am Ende ergibt sich so eine selektive Emitterstruktur, welche mit einer einzigen Dotierstoffdiffusion 60 realisiert werden kann.
  • Die weiteren Verfahrensschritte entsprechen denen der 1.
  • 4 illustriert in einer Schnittdarstellung schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle 70, welche ein Solarzellensubstrat 72 aufweist, welches vorderseitig mit einer Texturierung 73 versehen ist. Auf einer Rückseite der Solarzelle 70 ist eine Siliziumoxidschicht 74 vorgesehen, welche direkt auf dem Solarzellensubstrat 72 angeordnet ist. Auf der Siliziumoxidschicht 74 ist direkt eine verdichtete Siliziumnitridschicht 76 angeordnet. Die Siliziumoxidschicht 74 und die Siliziumnitridschicht bilden zusammen einen Schichtstapel, welcher lokale Öffnungen 78 aufweist, durch welche ein großflächiger Rückkontakt 80 hindurchreicht und die Rückseite des Solarzellensubstrats 72 kontaktiert. Auf der Vorderseite des Solarzellensubstrats 72 ist eine weitere Siliziumnitridschicht 82 als Antireflexionsbeschichtung vorgesehen. Durch diese Siliziumnitridschicht 82 hindurch reichen Vorderseitenkontakte 84.
  • 5 zeigt schematisch eine Rückansicht der Solarzelle aus 4. Hierin ist der großflächige Rückkontakt 80 dargestellt. Dieser überdeckt teilweise eine Sammelleitung 88, welche üblicherweise Silber aufweist und als Lötkontakt für die Solarzelle 70 dient.
  • Wie in 5 erkennbar ist, sind die lokalen Öffnungen 78 als linienförmige Öffnungen ausgeführt, sodass in den Öffnungen 78 Metallisierungslinien 86 vorliegen, welche sich senkrecht zu der Sammelleitung 88 erstrecken. Der großflächige Rückkontakt 80 ist aus einer metallhaltigen Paste gebildet und weist Glasfritte auf. Aufgrund dieses Glasfritteanteils haftet der flächige Rückkontakt 80 zuverlässig auf der Siliziumnitridschicht 76. Die Sammelleitung kann in einer speziellen Ausgestaltungsvariante stellenweise unterbrochen sein, sodass sich einzelne Sammelabschnitte ergeben, welche als Lötkontakt dienen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Texturierung mittels Texturätzlösung
    12
    Ätzen Rückseite in Politurätzlösung und Reinigen
    14
    Aufbringen Siliziumoxidschicht auf Rückseite
    16
    Aufbringen Siliziumnitridschicht auf Siliziumoxidschicht
    18
    Reinigen
    20
    Emitterdiffusion und Verdichten Siliziumnitridschicht
    22
    Ausbilden lokale Öffnungen in Schichtstapel
    24
    Ätzen Silikatglas
    26
    Abscheiden wasserstoffhaltige Siliziumnitridschicht auf Vorderseite
    28
    Metallisieren Vorder- und Rückseite
    30
    Kofeuern
    32
    Laserdiffusion Kontaktstruktur auf Vorderseite
    40
    Ätzen Sägeschaden in Glattätzlösung
    42
    Texturieren Vorderseite mittels Texturätzlösung
    52
    Thermische Oxidation des Solarzellensubstrats
    54
    Aufbringen Siliziumnitridschicht auf Rückseite
    56
    Ausbilden lokale Kontaktöffnungen in Siliziumoxidschicht auf der Vorderseite
    58
    Reinigen unter Beibehaltung Siliziumoxidschicht
    59
    Laserschaden ätzen
    60
    Dotierstoffdiffusion und Verdichten Siliziumnitridschicht
    70
    Solarzelle
    72
    Solarzellensubstrat
    73
    Texturierung
    74
    Siliziumoxidschicht
    76
    Verdichtete Siliziumnitridschicht
    78
    Öffnung
    80
    Rückkontakt
    82
    Siliziumnitridschicht
    84
    Vorderseitenkontakt
    86
    Metallisierungslinie
    88
    Sammelleitung

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (70), bei welchem – auf eine Rückseite eines Solarzellensubstrats (72) ein Schichtstapel (74, 76) dielektrischer Schichten (74, 76) aufgebracht wird (14, 16; 54, 56), – in dem Schichtstapel (74, 76) lokale Öffnungen (78) ausgebildet werden (22), – auf den Schichtstapel (74, 76) großflächig ein metallhaltiges Medium aufgebracht und dabei das metallhaltige Medium teilweise in die lokalen Öffnungen (78) eingebracht wird (28), – zum Zwecke der Ausbildung ohmscher Kontakte in den lokalen Öffnungen (78) das Solarzellensubstrat (72) gefeuert wird (30), dadurch gekennzeichnet, dass – der Schichtstapel (74, 75) vor dem Aufbringen (28) des metallhaltigen Mediums auf den Schichtstapel (74, 76) erhitzt und während eines Zeitraums von wenigstens 5 Minuten auf Temperaturen von mindestens 700°C gehalten wird (20), und – während des Feuerns (30) ein Durchfeuern von auf dem Schichtstapel (74, 76) befindlichen Anteilen des metallhaltigen Mediums durch den Schichtstapel (74, 76) hindurch vermieden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtstapel (74, 76) aufgebracht wird (14, 16; 54, 56), welcher eine Siliziumoxidschicht (74) mit einer Dicke von weniger als 100 nm, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 5 nm und 100 nm und besonders bevorzugt mit einer Dicke zwischen 10 nm und 100 nm, aufweist.
  3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtstapel (74, 76) aufgebracht wird (14, 16; 54, 56), welcher eine Siliziumnitridschicht (76) mit einer Dicke von weniger als 200 nm, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 50 nm und 200 nm und besonders bevorzugt mit einer Dicke zwischen 70 nm und 150 nm, aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangene Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtstapel (74, 76) aufgebracht wird, welcher eine Siliziumoxidschicht (74) und eine Siliziumnitridschicht (76) aufweist, wobei vorzugsweise zunächst die Siliziumoxidschicht (74) auf die Rückseite des Solarzellensubstrats (72) und nachfolgend die Siliziumnitridschicht (76) auf die Siliziumoxidschicht (74) aufgebracht wird (14, 16; 54, 56).
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen (14, 16; 54, 56) des Schichtstapels auf die Rückseite des Solarzellensubstrats (72) in eifern Diffusionsschritt Dotierstoff in das Solarzellensubstrat (72) eindiffundiert (20) und während dieses Diffusionsschritts der Schichtstapel (74, 76) während des Zeitraums von wenigstens 5 Minuten auf Temperaturen von mindestens 700°C gehalten wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Rückseite des Solarzellensubstrats (72) vor dem Aufbringen (14, 16; 54, 56) des Schichtstapels (74, 76) mittels einer Glattätzlösung oder einer Politurätzlösung geätzt wird (12; 40).
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite des Solarzellensubstrats (72) mittels eines Ätzmediums texturiert wird (10; 42), vorzugsweise mittels einer Texturätzlösung.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite des Solarzellensubstrats (72) nach dem Aufbringen (14, 16) des Schichtstapels (74, 76) texturiert wird (42) und der Schichtstapel (74, 76) während des Texturierens (42) als Ätzmaskierung für die Rückseite des Solarzellensubstrats (72) verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem der Schichtstapel (74, 76) während eines Zeitraums von wenigstens 5 Minuten auf Temperaturen von mindestens 700°C gehalten worden ist (20), eine wasserstoffhaltige Siliziumnitridschicht (82) auf der Vorderseite des Solarzellensubstrats (72) abgeschieden wird (26).
  10. Solarzelle (70) aufweisend einen auf einer Rückseite der Solarzelle (70) angeordneten Schichtstapel (74, 76) dielektrischer Schichten (74, 76), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine dielektrische Schicht (76) des Schichtstapels (74, 76) verdichtet ist.
  11. Solarzelle (70) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (74, 76) eine Siliziumoxidschicht (74) mit einer Dicke von weniger als 100 nm, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 5 nm und 100 nm und besonders bevorzugt mit einer Dicke zwischen 10 nm und 100 nm, aufweist.
  12. Solarzelle (70) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (74, 76) eine Siliziumnitridschicht (76) mit einer Dicke von weniger als 200 nm, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 50 nm und 200 nm und besonders bevorzugt mit einer Dicke zwischen 70 nm und 150 nm, aufweist.
  13. Solarzelle (70) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (74, 76) eine Siliziumoxidschicht (74) und eine Siliziumnitridschicht (76) aufweist, wobei vorzugsweise die Siliziumnitridschicht (76) auf der Siliziumoxidschicht (74) angeordnet ist.
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