DE102011018374A1

DE102011018374A1 - Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktstruktur einer Halbleiterstruktur mit Durchkontaktierung und photovoltaische Solarzelle

Info

Publication number: DE102011018374A1
Application number: DE102011018374A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Thaidigsmann; Florian Clement; Dr. Wolf Andreas; Dr. Biro Daniel; Elmar Lohmüller; Jonas Bartsch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-10-25
Also published as: EP2700106A1; WO2012143512A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktstruktur einer Halbleiterstruktur mit Durchkontaktierung, folgende Verfahrensschritte umfassend: a. Bereitstellen einer Halbleiterstruktur, welche Halbleiterstruktur eine photovoltaische Solarzelle oder eine Vorstufe im Herstellungsprozess der photovoltaischen Solarzelle ist, b. Erzeugen mindestens einer die Halbleiterstruktur durchdringende Ausnehmung und c. Ausbilden einer Durchkontaktierung mittels galvanischem Abscheiden mindestens einer Metallschicht zumindest in der Ausnehmung. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass vor Verfahrenschritt c auf mindestens eine erste Oberfläche der Halbleiterstruktur eine dielektrische Schicht aufgebracht wird, welche dielektrische Schicht in einem an die Ausnehmung unmittelbar angrenzenden lokalen Zusatzöffnungsbereich der ersten Oberfläche vor Verfahrenschritt c wieder entfernt wird oder welche dielektrische Schicht diesen lokalen Zusatzöffnungsbereich aussparend aufgebracht wird und dass in Verfahrensschritt d zusätzlich zumindest auf dem Zusatzöffnungsbereich eine metallische Schicht galvanisch abgeschieden wird, welche metallische Schicht mit der metallischen Schicht der Durchkontaktierung elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktstruktur einer Halbleiterstruktur mit Durchkontaktierung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine photovoltaische Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 14.
Photovoltaische Solarzellen bestehen typischerweise aus einer Halbleiterstruktur, welche einen Basis- und einen Emitterbereich aufweist, wobei die Halbleiterstruktur typischerweise im Wesentlichen durch ein Halbleitersubstrat, wie beispielsweise ein Siliziumsubstrat, gebildet wird. In die Halbleiterstruktur wird typischerweise über die Vorderseite der Solarzelle Licht eingekoppelt, so dass nach Absorption des eingekoppelten Lichts in der Solarzelle eine Generation von Elektron-Lochpaaren stattfindet. Zwischen Basis und Emitterbereich bildet sich ein pn-Übergang aus, an dem die generierten Ladungsträgerpaare getrennt werden. Weiterhin umfasst eine Solarzelle einen metallischen Emitter- sowie einen metallischen Basiskontakt, die jeweils elektrisch leitend mit dem Emitter bzw. mit der Basis verbunden sind. Über diese metallischen Kontakte können die am pn-Übergang getrennten Ladungsträger abgeführt und somit einem externen Stromkreis bzw. einer benachbarten Solarzelle bei Modulverschaltung zugeführt werden.
Es sind unterschiedliche Solarzellenstrukturen bekannt, wobei sich die vorliegende Erfindung auf die Herstellung solcher Solarzellenstrukturen bezieht, bei denen beide zur externen Verschaltung ausgebildete elektrische Kontakte der Solarzelle auf der Rückseite angeordnet sind, wobei die Basis der Solarzelle über eine rückseitig angeordnete metallische Basiskontaktstruktur und der Emitter der Solarzelle über eine rückseitig angeordnete metallische Rückseitenkontaktstruktur elektrisch kontaktierbar ist. Dies steht im Gegensatz zu Standardsolarzellen, bei denen typischerweise der metallische Emitterkontakt auf der Vorderseite und der metallische Basiskontakt auf der Rückseite der Solarzelle liegt.
Die Erfindung bezieht sich hierbei auf die Herstellung einer speziellen Ausgestaltung einer rückseitig kontaktierbaren Solarzelle, der Metal-Wrap-Through-Solarzelle (MWT-Solarzelle). Diese aus EP 985233 und van Kerschaver et al. „A novel silicon solar cell structure with both external polarity contacts an the back surface", Proceedings of the 2nd World Conference an Photovoltaic Energy Conversion, Vienna, Austria, 1998, bekannte Solarzelle weist eine an der zur Lichteinkopplung ausgebildeten Vorderseite der Solarzelle angeordnete metallische Vorderseitenkontaktstruktur auf, die mit dem Emitterbereich elektrisch leitend verbunden ist. Weiterhin weist die Solarzelle eine Vielzahl sich von der Vorder- zur Rückseite erstreckender Ausnehmungen im Halbleitersubstrat auf, die von metallischen Durchleitungsstrukturen durchdrungen sind und rückseitig mit einer oder mehreren metallischen Rückseitenkontaktstrukturen elektrisch leitend verbunden sind, so dass rückseitig über die Rückseitenkontaktstruktur, die Durchleitungsstruktur und die Vorderseitenkontaktstruktur der Emitterbereich elektrisch kontaktierbar ist. Ebenso ist als Weiterentwicklung einer MWT-Struktur die MWT-PERC-Solarzelle bekannt, welche zusätzlich eine passivierte Rückseite aufweist und beispielsweise in B. Thaidigsmann, A. Wolf, F. Clement et al., „Combining the Advantages of Wrap Through Metallization and Rear Surface Passivation into Industrial MWT-PERC Devices", Proceedings of the 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Spain, 2010, pp. 2227–2230 beschrieben ist.
Die MWT-Struktur weist den Vorteil auf, dass die Abschattung des Halbleitersubstrates durch metallische Kontakte auf der Vorderseite verringert ist, da die externen Kontakte bei dieser Struktur auf der Rückseite platziert sind, was zu einem höheren Lichteinfang führt. Die Ladungsträger aus dem Emitter an der Vorderseite werden über die Vorderseitenkontaktstruktur eingesammelt. Somit entstehen keine ohmschen Verluste durch einen etwaigen Ladungsträgertransport innerhalb des Halbleitersubstrates von der Vorder- zur Rückseite bezüglich des Emitterbereichs. Weiterhin ergibt sich durch die rückseitige Kontaktierbarkeit sowohl des Basis- als auch des Emitterbereichs eine prinzipiell einfachere Verschaltung der MWT-Solarzellen im Modul verglichen mit Standardsolarzellen, da zur Reihenschaltung keine Verbinderelemente von der Rückseite einer Solarzelle zur Vorderseite der nächsten Solarzelle geführt werden müssen.
Zur Metallisierung der Durchkontakte bei MWT-Solarzellen und insbesondere bei der Untergruppe der MWT-PERC-Solarzellen wird gemäß Stand der Technik typischerweise das Siebdruckverfahren verwendet. Hierbei wird eine silberhaltige Paste in die Ausnehmungen eingebracht, die den elektrischen Kontakt zwischen Vorder- und Rückseite in Form eines metallischen Durchkontakts herstellt.
Eine alternative Möglichkeit zur Herstellung eines metallischen Durchkontakts bietet die galvanische Metallabscheidung. Die galvanische Metallisierung mittels zum Beispiel Nickel, Kupfer, Silber oder Zink beruht auf dem Prinzip der Abscheidung (Reduktion) von Metallionen aus einer chemischen Lösung. Dies wird vorzugsweise durch ein Reduktionsmittel auf einer katalytisch aktiven Oberfläche bewerkstelligt (außenstromlose Abscheidung) oder durch Elektronen, die an der Oberfläche eines leitenden oder halbleitenden Substrats zur Verfügung gestellt werden (Electroplating).
Die Anwendung einer galvanischen Metallabscheidung zur Erzeugen des Durchkontakts ist in H. Knauss, B. Terheiden, P. Fath, „Large-area metallisation wrap through solar cells using electroless plating", doi: 10.1016/j.solmat.2006.06.047 beschrieben. Hierbei wird jedoch ein spezielles aufwändiges Verfahren eingesetzt, bei dem zur Ausbildung der Vorderseitenkontaktierungsstrukturen zunächst Gräben gesägt werden, in denen die metallischen Kontaktstrukturen ausgebildet werden. Zur Kontakttrennung von n- und p-Gebiet der auf der Rückseite vollständig galvanisch abgeschiedenen Metallschicht werden ebenfalls Sägegräben eingebracht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Herstellungsprozess einer photovoltaischen Solarzelle die Herstellung einer metallischen Durchkontaktierung mittels galvanischem Abscheiden zu verbessern und/oder zu vereinfachen und damit kostengünstiger zu gestalten, insbesondere, das Risiko fehlerhafter metallischer Durchkontaktierungen zu verringern und/oder den Serienwiderstand der erzeugten metallischen Durchkontaktierung hinsichtlich des Ladungsträgertransportes von einer Seite der Solarzelle zur gegenüberliegenden Seite der Solarzelle zu verringern.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 13; vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Solarzelle finden sich in den Ansprüchen 15 bis 17. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung einer metallischen Kontaktstruktur umfassend eine Durchkontaktierung einer Halbleiterstruktur ausgebildet. Die Halbleiterstruktur ist eine photovoltaische Solarzelle oder eine Vorstufe im Herstellungsprozess der photovoltaische Solarzelle. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Halbleiterstruktur ein Halbleiterwafer, insbesondere ein Siliziumwafer, gegebenenfalls mit zusätzlich aufgebrachten Schichten, ist. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Halbleiterstruktur eine komplexe Struktur darstellt, beispielsweise in dem eine Halbleiterschicht auf ein Trägersubstrat, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung und/oder Zufügung weiterer Schichten aufgebracht ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt a wird die vorgenannte Halbleiterstruktur bereitgestellt. In einem Verfahrensschritt b wird eine dielektrische Schicht auf eine erste Oberfläche der Halbleiterstruktur aufgebracht. Die erste Oberfläche ist typischerweise die bei Betrieb der Solarzelle der einfallenden elektromagnetischen Strahlung zugewandte Vorderseite der Solarzelle. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die erste Oberfläche die Rückseite der Solarzelle ist.
In einem Verfahrensschritt c wird mindestens eine die Halbleiterstruktur durchdringende Ausnehmung erzeugt. In einem Verfahrensschritt d wird in der Ausnehmung eine Durchkontaktierung mittels galvanischen Abscheidens mindestens einer Metallschicht erzeugt.
Der Begriff „galvanisches Abscheiden” bezeichnet hierbei und im Folgenden die chemische und/oder elektrochemische Abscheidung einer metallischen Schicht.
Die dielektrische Schicht wird mit mindestens einem in Richtung der Ausnehmung führenden linienartigen Kontaktierungslinienöffnungsbereich gebildet. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die dielektrische Schicht nach Aufbringen an dem Kontaktierungslinienöffnungsbereich wieder entfernt wird und/oder dass die dielektrische Schicht diesen Kontaktierungsfingeröffnungsbereich aussparend aufgebracht wird.
Solche linienartigen Kontaktierungslinienöffnungsbereiche sind zur Ausbildung metallischer Kontaktierungsstrukturen, insbesondere von so genannten „Kontaktierungsfingern” an sich bekannt, insbesondere, um an sich bekannte Metallisierungsstrukturen wie beispielsweise kamm- oder doppelkammartige Kontaktierungsgitter auszubilden.
Wesentlich ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die dielektrische Schicht in einem an eine Ausnehmungsumfanglinie der Öffnung der Ausnehmung an der ersten Oberfläche angrenzenden oder zumindest in einem Abstand kleiner 30 μm an die Ausnehmungsumfanglinie benachbarten lokalen Zusatzöffnungsbereich wieder entfernt wird und/oder diesen lokalen Zusatzöffnungsbereich aussparend aufgebracht wird.
Die Ausnehmungsumfanglinie stellt somit die Begrenzung der Ausnehmung an der ersten Oberfläche dar. Unmittelbar an dieser angrenzend oder zumindest in einem Abstand kleiner 30 μm benachbart (wobei die Entfernung zur Umfangslinie hier und im folgenden jeweils senkrecht zur Umfangslinie stehend definiert ist) wird im Gegensatz zum vorbekannten Stand der Technik mindestens ein lokaler Zusatzöffnungsbereich wie vorgehend beschrieben ausgebildet.
Der lokale Zusatzöffnungsbereich wird derart ausgebildet, dass er sich über einen größeren Bereich der Ausnehmungsumfangslinie erstreckt, gegenüber der Projektion des linienartigen Kontaktierungslinienöffnungsbereiches auf die Ausnehmungsumfanglinie.
In Verfahrensschritt d wird zusätzlich zumindest auf den Zusatzöffnungsbereich eine metallische Schicht galvanisch abgeschieden, welche metallische Schicht mit der metallischen Schicht der Durchkontaktierung elektrisch leitend verbunden ist.
Im Gegensatz zum vorbekannten Stand der Technik wird somit in Verfahrensschritt d an dem zumindest an die Ausnehmungsumfanglinie benachbarten Zusatzöffnungsbereich eine metallische Schicht galvanisch abgeschieden, wobei dieses metallische Abscheiden sich über einen größeren Teil der Umfangslinie erstreckend erfolgt, verglichen mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Fall, dass sich lediglich der linienartige Kontaktierungslinienöffnungsbereich bis zu der Ausnehmung erstreckt und somit auf der ersten Oberfläche lediglich ein Bereich der Breite des linienartigen Kontaktierungslinienöffnungsbereiches bei der galvanische Abscheidung mit einer metallischen Schicht bedeckt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich somit insbesondere dadurch von den vorbekannten Verfahren, dass vor Ausbilden der Durchkontaktierung eine dielektrische Schicht auf zumindest die erste Oberfläche der Halbleiterstruktur aufgebracht wird, jedoch nicht in dem lokalen Zusatzöffnungsbereich, bzw. diesem aussparend aufgebracht wird, so dass während des galvanischen Abscheidens sowohl eine metallische Schicht in der Ausnehmung als auch auf dem Zusatzöffnungsbereich abgeschieden wird und diese elektrisch leitend verbunden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass bei der industriellen Herstellung von photovoltaischen MWT-Solarzellen die Ausbildung der metallischen Durchkontaktierung einen kritischen Verfahrensschritt darstellt und häufig zu Fehlern führt, welche den Wirkungsgrad der Solarzelle verringern, insbesondere aufgrund erhöhter Serienwiderstände. Versuchsreihen, Tests und Analysen verschiedener MWT-Herstellungsverfahren führten zu der Erkenntnis, dass bei Ausbildung der Durchkontaktierung mittels galvanischem Abscheiden häufig eine unzureichende Metallisierung in der Ausnehmung eine Fehlerursache ist, die insbesondere zu erhöhten Serienwiderständen und damit Wirkungsgradverlusten führt und/oder eine unzureichende elektrische Verbindung zwischen einer auf der ersten Oberfläche der Halbleiterstruktur angebrachten metallischen Kontaktstruktur, wie beispielsweise von Kontaktierungsfingern und der Durchkontaktierung, ebenfalls zu einem erhöhten Serienwiderstand und damit zu Wirkungsgradverlusten führt.
Weiterhin führten die Untersuchungen zu der überraschenden Erkenntnis, dass insbesondere die Metallisierung an der Kante bzw. in einem Abstand kleiner 30 μm zu dieser, an welcher die Ausnehmung an die erste Oberfläche angrenzt, wesentlich für das Metallisierungsverhalten in der Ausnehmung bei galvanischem Abscheiden einer Metallschicht ist.
Bei bisherigen Verfahren zur Herstellung einer MWT-Solarzelle wurde typischerweise ein Siebdruckverfahren zur Metallisierung in der Durchkontaktierung mittels Aufbringen einer Metallpartikel enthaltenden Paste angewandt, da hier aufgrund des mechanischen Eindrückens der Siebdruckpaste in die Ausnehmung eine ausreichende Metallisierung sichergestellt wurde.
Die Vorteile des galvanischen Abscheidens, insbesondere die Kostenvorteile, konnten bisher nicht zur Herstellung der Durchkontaktierung einer MWT-Solarzelle in industrielle Herstellungsprozesse integrierbar ausgebildet werden, es gab lediglich die in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Laborversuche, wobei diese Solarzellen jedoch nicht dielektrische Schichten, die zur Verbesserung der optischen Eigenschaft und/oder zur Verringerung der Oberflächenrekombination für ausreichend hohe Wirkungsgrade notwendig sind, umfassen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun erstmals möglich, eine MWT-Solarzelle umfassend und mit dem an sich bekannten Aufbringen einer dielektrische Schicht herzustellen, wobei in der Durchkontaktierung eine metallische Schicht mittels galvanischem Abscheiden aufgebracht wird und wobei zuverlässig die Ausbildung einer ausreichenden Metallisierung in der Ausnehmung und/oder die zuverlässige elektrische Anbindung ohne fehlerhaft hohe Serienwiderstände der metallischen Durchkontaktierung mit einer auf der ersten Oberfläche angeordneten Kontaktierungsstruktur, wie beispielsweise einem Kontaktierungsfinger oder einem Kontaktierungsgitter, gewährleistet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet somit erstmals den Weg der industriellen Herstellung von MWT-Solarzellen mit galvanischem Abscheiden einer Metallschicht in der Ausnehmung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in Verfahrensschritt d, wie zuvor beschrieben, zusätzlich zumindest auf dem Zusatzöffnungsbereich eine metallische Schicht unmittelbar angrenzend zur Ausnehmung galvanisch abgeschieden. Vorzugsweise wird daher an dem lokalen Zusatzöffnungsbereich eine zur galvanischen Metallabscheidung geeignete Oberfläche ausgebildet, welche vorzugsweise zumindest eine der folgenden Eigenschaften aufweist: Eine hinsichtlich der außenstromlosen Metallabscheidung katalytisch aktive Oberfläche und/oder eine elektrisch leitende Oberfläche und/oder eine Halbleiteroberfläche. Hierdurch ist das Aufbringen einer Metallschicht auf den Zusatzöffnungsbereich mit an sich bekannten galvanischen Methoden möglich.
Vorzugsweise ist der linienartige Kontaktierungslinienöffnungsbereich mittig zu der Öffnung der Ausnehmung an der ersten Oberfläche geführt. Die vorgenannte Projektion erfolgt vorzugsweise parallel zu einer Längserstreckung des linienartigen Kontaktierungslinienöffnungsbereiches. Typischerweise weisen die linienartigen Kontaktierungslinienöffnungsbereiche eine in etwa konstante Breite (senkrecht zur Längserstreckung) auf. Bei linienartigen Kontaktierungslinienöffnungsbereichen mit variierender Breite erfolgt vorzugsweise eine Projektion der mittleren Breite, insbesondere bevorzugt der über die gesamte erst Oberfläche gemittelte Breite der Kontaktierungslinienöffnungsbereiche auf die Ausnehmungsumfangslinie und der Zusatzöffnungsbereich erstreckt sich entsprechend über einen größeren Bereich verglichen mit der Projektion dieser gemittelten Breite entlang der Längserstreckung des Kontaktierungslinienöffnungsbereiche auf die Ausnehmungsumfangslinie. Bei vorgenannter Mittelung der Breite der Kontaktierungslinienöffnungsbereiche werden vorzugsweise nur die den „Kontaktierungsfingern” zugeordneten Kontaktierungslinienöffnungsbereiche berücksichtigt und nicht Öffnungsbereiche, welche „Busbars” zugeordnet sind.
Um eine ausreichende Metallabscheidung in der Ausnehmung und/oder einen ausreichenden elektrischen Kontakt von der ersten Oberfläche zur Ausnehmung zu schaffen, wird der Zusatzöffnungsbereich vorzugsweise zumindest mit einer Breite im Bereich von 1 μm bis 500 μm, bevorzugt 10 μm bis 100 μm, weiter bevorzugt 20 μm bis 80 μm ausgebildet. Die Breite ist hierbei ausgehend von der Kante, welche die Ausnehmung mit der ersten Oberfläche der Halbleiterstruktur bildet, bzw. bei Beabstandung von dem der Ausnehmung zugewandten Rand des Zusatzöffnungsbereiches und in etwa jeweils senkrecht zur Umfangslinie der Öffnung der Ausnehmung an der ersten Oberfläche definiert. Typische Verfahren zur Erzeugung der Ausnehmungen, beispielsweise mittels eines Lasers führen zu in etwa zylindrischen oder etwa kegelstumpfartigen Ausnehmungen, so dass die Öffnung, welche die Ausnehmung mit der ersten Oberfläche der Halbleiterstruktur bildet, in etwa kreisförmig ist. Ebenso liegen beliebige andere Verfahren zur Erzeugung der Ausnehmungen und somit auch beliebige andere Formen und insbesondere Querschnittsformen der Ausnehmung im Rahmen der Erfindung. Beispielsweise kann die Erzeugung der Ausnehmung auch durch nasschemisches oder plasmachemisches Ätzen erfolgen.
Um einen ausreichenden Einfluss des unmittelbar an die Ausnehmung angrenzenden lokalen Oberflächenmetallisierungsbereichs hinsichtlich des galvanischen Abscheidens einer Metallschicht in der Ausnehmung zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, dass der Zusatzöffnungsbereich zumindest an 30%, bevorzugt zumindest an 60%, weiter bevorzugt zumindest an 90% der Ausnehmungsumfangslinie angrenzend oder zumindest in einem Abstand kleiner 30 μm benachbart ausgebildet wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der Zusatzöffnungsbereich die Ausnehmung vollständig umschließt, d. h. dass die Umfangslinie der Öffnung der Ausnehmung an der ersten Oberfläche der Halbleiterstruktur vollständig innerhalb des Zusatzöffnungsbereichs liegt.
Eine konstruktiv einfachere und in der Herstellung kostengünstig realisierbare vorzugsweise Ausführungsform sieht vor, dass der Zusatzöffnungsbereich als Kreisringsegment, vorzugsweise als vollständiger Kreisring ausgebildet ist, vorzugsweise, dass der Zusatzöffnungsbereich in etwa konzentrisch zu der Öffnung der Ausnehmung an der ersten Oberfläche ausgebildet wird. Hierdurch ist gewährleistet, dass auch bei eventuell auftretenden Schwankungen im Herstellungsprozess und gegebenenfalls Verschiebungen oder Dejustierungen möglichst ein vollständiges Umschließen der Ausnehmung durch den Zusatzöffnungsbereich gewährleistet ist. In der vorzugsweisen Ausgestaltung als Kreisringsegment weist diese bevorzugt einen Mittelpunktswinkel größer 30°, weiter, bevorzugt größer 90°, weiter bevorzugt größer 120°, weiter bevorzugt größer 180°, insbesondere größer 270° auf.
Eine kostengünstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, indem die dielektrische Schicht zunächst ganzflächig aufgebracht und nach dem Aufbringen wieder zumindest im Zusatzöffnungsbereich entfernt wird. Hierdurch ist keine Maskierung und entsprechende Anwendung, von Maskierungsschritten bei Aufbringen der dielektrischen Schicht notwendig und es stehen bekannte, direkt einsetzbare Verfahren zum lokalen Entfernen einer dielektrischen Schicht zur Verfügung, insbesondere Laserablation, wie in A. Knorz, M. Peters, A. Grohe et al., „Selective Laser Ablation of SiNx Layers an Textured Surfaces for Low Temperature Front Side Metallizations", Progress in Photovoltaics: Research and Applications 17, 127, 2008 beschrieben. Ebenso ist das Aufbringen einer Maske und anschließendes Abätzen, insbesondere das Aufbringen eines ätzresistenten Schutzlacks, vorzugsweise mittels Inkjet-Drucken und anschließendes Abätzen bereits industriell einsetzbar entwickelt. Ebenso liegt das lokale Entfernen der dielektrischen Schicht zumindest an dem Zusatzöffnungsbereich mittels Laser Chemical Processing (LCP) im Rahmen der Erfindung. Letzteres weist zusätzlich den Vorteil auf, dass im gleichen Verfahrensschritt eine Dotierung dieser Bereiche, beispielsweise zur Ausbildung oder Verstärkung eines Emitters möglich ist. Das LCP-Verfahren ist beispielsweise in Kray, D., et al., „Laser Chemical Processing (LCP)-Versatile Tool for Microstructing", Applications. Applied Physics A, 2008 beschrieben.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform wird bei Verwendung einer Maskierung wie vorgehend beschrieben die Maskierungsschicht erst nach dem galvanischen Abscheiden der metallischen Schicht wieder entfernt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein größeres Aspektverhältnis (Verhältnis Höhe zu Breite der metallischen Struktur) erzielt wird, wodurch Abschattungsverluste und/oder Rekombinationsverluste an der Kontaktfläche zwischen Metall und Halbleiter verringert werden. Diese vorzugsweise Ausführungsform wird in vorzugsweiser Ausgestaltung durch Aufbringen der Maskierungsschicht mittels Inkjet-Drucken realisiert, insbesondere durch Drucken eines Lackes.
Ebenso ist das lokale Entfernen der dielektrischen Schicht durch lokales Aufbringen von ätzenden Medien, oder durch ätzende Medien, die von der Rückseite durch das Loch hindurch der Vorderseite zugeführt werden, so dass sie den Halbleiter nur in einem entsprechenden Zusatzöffnungsbereich freilegen, möglich. Ebenso ist ein rückseitiges Plasmaätzverfahren anwendbar, bei welchem das Plasma durch das Loch hindurch lediglich den Zusatzöffnungsbereich freilegt.
Je nach Ausgestaltung der Solarzellenstruktur können unterschiedliche Ausgestaltungen der dielektrischen Schicht vorteilhaft sein. Insbesondere dielektrische Schichten aus Siliziumnitrid finden häufig Anwendung. Ebenso liegen andere Materialien oder auch Schichtsysteme bestehend aus verschiedenen Materialien im Rahmen der Erfindung, beispielsweise mindestens eines der Materialien Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Siliciumcarbid, Sirion. Typischerweise weist die dielektrische Schicht eine Dicke im Bereich 10 nm bis 1 μm auf, bevorzugt im Bereich 50 nm bis 300 nm.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl zur Herstellung von Solarzellen mit n-dotierter Basis und p-dotiertem Emitter, als auch umgekehrt mit p-dotierter Basis und n-dotiertem Emitter geeignet. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine Solarzelle mit einem Emitter an der bei Betrieb der Strahlung zugewandten Vorderseite oder an der der Strahlung abgewandten Rückseite auszubilden oder sowohl an Vorder- und zumindest teilweise an der Rückseite einen Emitter auszubilden.
Wie zuvor beschrieben, weisen typische MWT-Strukturen auf der ersten Oberfläche, welche typischerweise die bei Betrieb dem Lichteinfall zugewandte Seite ist, eine metallische Kontaktierungsstruktur auf, welche typischerweise linienartige metallische Kontaktstrukturen umfasst, so genannte Kontaktierungsfinger. Diese Kontaktierungsfinger sind mit den metallischen Durchkontaktierungen elektrisch leitend verbunden. Zur Herstellung der metallischen Kontaktierungsstruktur bei galvanischer Metallisierung an der ersten Oberfläche und zur elektrisch leitenden Verbindung derselben mit dem Halbleiter an der ersten Oberfläche der Halbleiterstruktur ist es typischerweise notwendig, die dielektrische Schicht auch in den Bereichen dieser Kontaktierungsstruktur zu öffnen, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Vorzugsweise erfolgt das Abnehmen der dielektrischen Schicht in dem lokalen Zusatzöffnungsbereich daher in einem gemeinsamen Verfahrensschritt mit dem Abnehmen der dielektrischen Schicht in Bereichen zum Aufbringen der metallischen Kontaktstruktur zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterstruktur an der ersten Oberfläche.
Eine Alternative zu dem Entfernen der dielektrischen Schicht zumindest im Zusatzöffnungsbereich stellt das Aufbringen der dielektrischen Schicht derart dar, dass in dem lokalen Zusatzöffnungsbereich durch eine Abdeckschablone oder durch eine Maskierung das Aufbringen der dielektrischen Schicht unterbunden wird. Dies liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung.
Zur Ausbildung metallischer Kontaktstrukturen insbesondere in der Ausnehmung mit einer ausreichenden Dicke und somit ausreichend geringen ohmschen Serienwiderständen ist es vorteilhaft, zumindest ein zweistufiges galvanisches Abscheideverfahren anzuwenden, in dem zunächst eine metallische Saatschicht aufgebracht wird und anschließend eine galvanische Verstärkung dieser metallischen Saatschicht durch eine weitere galvanische Metallabscheidung erfolgt. Hierbei kann auf an sich bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, insbesondere solche, bei denen für Saatschicht und metallische Verstärkung unterschiedliche Metallarten Anwendung finden. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Saatschicht umfassend Nickel auszubilden.
Die galvanische Verstärkung umfasst vorzugsweise das Abscheiden von Silber. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die galvanische Verstärkung mit Kupfer, Zinn oder auch Zink zu realisieren. Eines der vorgenannten Metalle kann dabei auch als dünne Zwischenschicht zur Diffusionshemmung zum Einsatz kommen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwischen galvanischem Abscheiden der Saatschicht und galvanischem Abscheiden der Verstärkungsschicht ein Tempern erfolgt. Das Tempern beinhaltet ein Beaufschlagen der Halbleiterstruktur mit einer Temperatur im Bereich von 100°C bis 600°C für eine Zeitdauer im Bereich von wenigen Sekunden bis einigen Stunden und weist den Vorteil auf, dass dadurch der elektrische Kontakt zwischen Saatschicht und Halbleitersubstrat ausgebildet bzw. verbessert wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist weiterhin gelöst durch eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 13, welche ein Halbleitersubstrat, eine auf einer ersten Seite angeordnete metallische Kontaktierungsstruktur und mindestens eine das Halbleitersubstrat durchdringende Ausnehmung umfasst, in welcher Ausnehmung eine Durchmetallisierung angeordnet ist. Die Durchmetallisierung ist elektrisch leitend mit der Kontaktierungsstruktur verbunden. Wesentlich ist, dass sich die Durchmetallisierung auf der ersten Seite in einen lokalen, an die Ausnehmung angrenzenden Zusatzöffnungsbereich erstreckt, welcher Zusatzöffnungsbereich sich zumindest über 30%, bevorzugt zumindest über 60%, weiter bevorzugt, zumindest über 90% der Umfangslinie der Ausnehmung erstreckt, insbesondere, dass der Zusatzöffnungsbereich die Ausnehmung vollständig umschließt.
Die erfindungsgemäße Solarzelle gewährleistet somit einen im Vergleich zu vorbekannten MWT-Solarzellen niedrigen ohmschen Widerstand zwischen metallischen Kontaktierungsstrukturen auf der ersten Seite des Halbleitersubstrates, der Durchmetallisierung und der auf der zweiten Seite, welche der ersten Seite gegenüberliegt, aufgebrachten Kontaktierungsstrukturen. Die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle ist vorzugsweise mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer vorzugsweisen Ausführungsform hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Solarzelle oder einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet.
Vorzugsweise weist der Zusatzöffnungsbereich der erfindungsgemäßen Solarzelle zumindest eine Breite im Bereich von 1 μm bis 500 μm, bevorzugt 10 μm bis 100 μm, weiter bevorzugt 20 μm bis 80 μm auf.
Insbesondere ist es vorteilhaft, die Solarzelle gemäß der Struktur einer an sich bekannten MWT-Solarzellenstruktur oder einer Weiterentwicklung hiervon, insbesondere einer MWT-PERC-Solarzellenstruktur auszubilden, welche Solarzellenstrukturen in der Beschreibungseinleitung beschrieben und referenziert sind.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandte galvanische Abscheidung einer Metallschicht, vorzugsweise der Abscheidung von Nickel, Kupfer oder Silber beruht auf dem Prinzip der Abscheidung (Reduktion) von Metallionen aus einer chemischen Lösung. Dies kann durch ein Reduktionsmittel auf einer katalytisch aktiven Oberfläche bewerkstelligt werden (außenstromlose Abscheidung) oder durch Elektronen, die an der Oberfläche eines leitenden oder halbleitenden Substrates zur Verfügung gestellt werden (Electroplating).
Zur galvanischen Metallabscheidung auf n-dotierten Halbleiteroberflächen können ebenso lichtinduzierte Abscheidemethoden (Light Induced Plating, LIP) verwendet werden, bei denen während der galvanischen Abscheidung die Halbleiterstruktur mit Licht beleuchtet wird. Aufgrund der Ausgestaltung der Solarzelle wird durch die Beleuchtung die katalytische Eigenschaft der Halbleiteroberfläche unterstützt bzw. es werden Elektronen angeregt, deren Energie für den Abscheideprozess zur Verfügung steht.
Die Metallionen können von einer chemischen Lösung, dem so genannten Elektrolyten bereitgestellt werden. Im stromlosen Fall werden Metallionen und Reduktionsmittel vorzugsweise kontinuierlich nachdosiert. Bei der stromunterstützten Abscheidung ist vorzugsweise eine Grundmenge an gelösten Ionen im Elektrolyt vorhanden, weitere Ionen werden alternativ zu einer Zudosierung vorzugsweise durch Oxidation einer Anode des abzuscheidenden Metalls bereitgestellt. Es ist auch möglich, inerte Anoden zu nutzen, an denen als oxidativer Gegenprozess Wasser zu Sauerstoff oxidiert wird. In diesem Fall muss auch zudosiert werden.
Vorzugsweise wird die Halbleiterstruktur zur galvanischen Abscheidung in dem Elektrolyten eingetaucht und die Halbleiterstruktur muss in den vorgenannten Fällen nicht notwendigerweise elektrisch kontaktiert werden, insbesondere ein n-Kontakt muss nicht kontaktiert werden. In diesem Fall wirkt sich somit der photovoltaische Effekt der Solarzellen vorteilhaft aus: Durch die Beleuchtung bildet sich am n-Kontakt ein negatives Potential. Die positiv geladenen Metallionen des Elektrolyts erfahren nun eine Anziehungskraft in Richtung des n-Kontakts. Sie lagern sich an katalytischen bzw. stromführenden Oberflächen an, an denen die dielektrischen Schichten lokale Öffnungen aufweisen bzw. bereits eine metallische Saatschicht vorhanden ist und werden zu Metallatomen reduziert. Der Prozess der galvanischen Abscheidung ist an sich bekannt und beispielsweise in D. Barucha, „Charakterisierung der chemischen Nickelabscheidung zur Vorderseitenmetallisierung von Silizium-Solarzellen", Diplomarbeit, Hochschule Furtwangen, 2008 beschrieben.
Im Fall des zuvor beschriebenen stromunterstützten LIP-Prozesses wird die Rückseite der Solarzelle, d. h., die der zuvor beschriebenen ersten Oberfläche entgegengesetzte Seite der Halbleiterstruktur elektrisch kontaktiert und eine Anode in den Elektrolyten eingetaucht. Ein extern angelegtes Potential bewirkt einen Stromfluss von Anode zu Kathode (n-Kontakt). Metallionen werden an der Anode oxidiert und anschließend an der Kathode reduziert. Das extern angelegte Potential ermöglicht des Weiteren die Anpassung des Vorderseitenpotentials und verhindert die Oxidation von Bereichen der Metallisierung, die sich auf p-dotiertem Silizium befinden. Auch dieses Verfahren ist an sich bekannt und beispielsweise in J. Bartsch, V. Radtke, C. Savio et al., „Progress in Understanding the Current Paths and Deposition Mechanisms of Light-Induced Plating and Implications for the Process", Proceedings of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, Germany, 2009, pp. 1469–74 beschrieben.
Nachfolgende Tabelle 1 zeigt Messergebnisse für elektrische Durchkontakt-Widerstände, welche für Öffnung der dielektrischen Schicht mittels Laserablation oder maskiertem Rückätzen jeweils mit und ohne zusätzlich geöffnetem lokalen Zusatzöffnungsbereich am Durchkontakt erreicht wurden. Unabhängig von der verwendeten Technologie zur strukturierten Öffnung der dielektrischen Schicht wird nur bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, also der Entfernung bzw. Unterbindung der Abscheidung der elektrischen Schicht an dem Zusatzöffnungsbereich eine zuverlässige Durchkontaktierung mit niedrigen elektrischen Widerstandswerten erreicht. Die zusätzliche Metallisierung am Zusatzöffnungsbereich ermöglicht selbst bei unvollständiger Metallisierung der Innenwand der Ausnehmung eine zuverlässige Durchkontaktierung, da zusätzliche Kontakt-Pfade für den elektrischen Stromfluss abgegriffen werden. Zusätzlich wird die Metallabscheidung an der Innenwand der Ausnehmung durch die Metallabscheidung an dem Zusatzöffnungsbereich verstärkt.
Die vollständige Entfernung einer eventuell vorhandenen parasitären dielektrischen Schicht an den Innenwänden der Ausnehmung ist bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zwingend notwendig, so dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Flexibilität hinsichtlich der Erzeugung der dielektrischen Schicht erhöht ist.

Vorteilhafterweise wird nach Verfahrensschritt d zusätzlich durch die Verwendung von Niedertemperatur-Druckmedien wie beispielsweise Siebdruck, der Durchkontakt zusätzlich metallisch verstärkt. Beispielsweise kann mittels Siebdruck Leitkleber in die Ausnehmungen eingebracht werden. Tabelle 1: Zusammenfassung der elektrischen Durchkontakt-Widerstände gemessen mit und ohne zusätzliche Entfernung der dielektrischen Schicht im Bereich der Ausnehmung. Die Öffnung der dielektrischen Schicht erfolgte mit Laserablation bzw. maskiertem Rückätzen.

Öffnung	Durchkontakt-Widerstand (mΩ)
Öffnung	Minimum	Maximum	Mittelwert
Siebdruck (Referenz)	1,1	2,1	1,7 ± 0,3
a) Laserablation: nur Finger	5190,2	17807,8	11232,3 ± 3417,6
b) Laserablation: Finger und Bereich um Ausnehmung	2,8	5,6	3,9 ± 0,8
c) maskiertes Rückätzen: nur Finger	1,1	3192,6	790,2 ± 913,3
d) maskiertes Rückätzen: Finger und Bereich um Ausnehmung	0,8	4,6	1,8 ± 0,9

Der Anteil der Ausnehmungsumfanglinie, über den sich der Zusatzöffnungsbereich erstreckt oder zumindest mit einem Abstand kleiner 30 μm benachbart ist, wird auch als Kontaktanteil bezeichnet. Der Kontaktanteil bei aus dem Stand der Technik bekannten MWT-Strukturen entspricht der Breite eines an oder über die Ausnehmung geführten Kontaktierungsfingers bzw. bei mehreren zu der Ausnehmung geführten Kontaktierungsfingern der mittlere der gemittelten Breite der Öffnungen in der dielektrischen Schicht der zu der Ausnehmung führenden Kontaktierungsfinger.
Jegliche Öffnung in der dielektrischen Schicht, die diesen Kontaktanteil vergrößert, entspricht somit dem zuvor definierten Zusatzöffnungsbereich.
Typische Breiten von linieartigen Kontaktierungslinienöffnungsbereichen (senkrecht zur linienartigen Erstreckung) liegen bei Werten kleiner 50 μm, bevorzugt kleiner 30 μm, insbesondere bevorzugt kleiner 20 μm.
Die Ausnehmungen weisen bevorzugt einen Öffnungsradius im Bereich 10 μm bis 200 μm, bevorzugt 20 μm bis 100 μm, weiter bevorzugt 20 μm bis 60 μm auf.
Der aus dem Stand der Technik bekannte wie oben definierte Kontaktanteil liegt typischerweise im Bereich 10% bis 20%.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Zusatzöffnungsbereiches erhöht sich der Kontaktanteil. Insbesondere ist ein Kontaktanteil größer 30%, bevorzugt größer 60%, weiter bevorzugt größer 90% vorteilhaft.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Teilausschnitts eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle, welches mit einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde;
2 ein Prozessablaufdiagramm eines ersten und zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Öffnung der dielektrischen Schicht mittels Laserablation (Variante a) oder Inkjet-Maskierung (Variante b);
3 eine Draufsicht von oben auf die Vorderseite der Solarzelle gemäß 1 und
4 eine Draufsicht von oben auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle wurde mittels des in 2 nachfolgend erläuterten Prozesses (Variante a) hergestellt.
Die erfindungsgemäße Solarzelle in 1 umfasst ein p-dotiertes Halbleitersubstrat 1, welches als mono- oder multikristalliner Siliziumwafer mit einem Basiswiderstand von 0,1 Ohm·cm bis 10 Ohm·cm ausgebildet ist. An der in 1 oben dargestellten Vorderseite ist ein vorderseitiger Emitterbereich 2 ausgebildet. Die Vorderseite weist zur Erhöhung der Lichteinkopplung eine Texturierung auf und zusätzlich ist zur Erhöhung der Lichteinkopplung auf der Vorderseite des Halbleitersubstrates 1 eine als Siliziumnitridschicht ausgebildete Antireflexschicht 3, somit eine dielektrische Schicht, mit einer Dicke von ca. 70 nm angeordnet.
1 zeigt lediglich einen Teilausschnitt der erfindungsgemäßen Solarzelle mit lediglich einer Ausnehmung 4. Die Solarzelle setzt sich spiegelbildlich nach rechts und links fort und weist eine Vielzahl von Ausnehmungen auf.
Die Ausnehmung 4 erstreckt sich von der Vorder- zur Rückseite der Solarzelle und ist in zylindrisch oder auch konisch ausgebildet.
An den Wänden der Ausnehmung ist ein sich von der Vorderseite zur Rückseite erstreckender Durchleitungsemitterbereich 5 ausgebildet. Weiterhin ist an der Rückseite über den mit A gekennzeichneten Bereichen jeweils ein Rückseitenemitterbereich 5a und 5b ausgebildet.
Die Rückseite des Halbleitersubstrates 1 ist durch eine als Schichtsystem umfassend eine Siliziumdioxidschicht und eine Siliziumnitridschicht mit einer Gesamtdicke des Schichtsystems von etwa 200 nm ausgebildete Isolierungs- und Passivierungsschicht 6 bedeckt. Die Schicht 6 bedeckt die Rückseite des Halbleitersubstrates ganzflächig und ist wiederum sowohl von einer metallischen Rückseitenkontaktstruktur 7 als auch von mehreren metallischen Basiskontaktstrukturen 8, 8' bedeckt, wobei die Basiskontaktstrukturen 8, 8' lokal an einer Vielzahl von punktartigen Kontaktierungsbereichen die Isolierungsschicht 6 durchdringen, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen den Basiskontaktstrukturen 8, 8' und dem Halbleitersubstrat 1 im Bereich der Basisdotierung besteht.
An der Vorderseite der Solarzelle gemäß 1 ist eine metallische Vorderseitenkontaktstruktur 9 ausgebildet, welche unmittelbar mit dem Emitterbereich 2 elektrisch leitend verbunden ist, d. h. zwischen Vorderseitenkontaktstruktur 9 und Emitterbereich 2 ist keine Antireflexschicht 3 angeordnet.
Weiterhin ist in der Ausnehmung 4 eine metallische Durchleitungsstruktur 10 ausgebildet.
Vorderseitenkontaktstruktur 9, Durchleitungsstruktur 10 und Rückseitenkontaktstruktur 7 sind einstückig ausgebildet und dementsprechend elektrisch leitend miteinander verbunden.
Wesentlich ist, dass an dem mit B gekennzeichneten Zusatzöffnungsbereich die Antireflexschicht 3 während des Herstellungsverfahrens mittels Laserablation entfernt wurde, wobei sich der Zusatzöffnungsbereich B ringförmig um die Öffnung der Ausnehmung 4 an der oben liegenden Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 erstreckt und ausgehend von der Umgrenzungslinie der Öffnung der Ausnehmung an der Oberfläche eine Breite von 50 μm aufweist. Durch die Ausbildung des Zusatzöffnungsbereichs ist bei der galvanischen Abscheidung eine ausreichende Metallisierung in der Ausnehmung 4 und eine ausreichende elektrisch leitende Verbindung mit der Vorderseitenkontaktstruktur 9 sichergestellt.
2 zeigt schematisch zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche sich lediglich hinsichtlich des Öffnens der dielektrischen Schicht nach deren Abscheidung unterscheiden:
In einem Verfahrensschritt a) wird ein Rohwafer zur Verfügung gestellt, in diesem Ausführungsbeispiel ein monokristalliner Siliziumwafer mit einem Basiswiderstand im Bereich 0,1 Ohm·cm bis 10 Ohm·cm.
Die Ausnehmungen werden in einem Verfahrensschritt c) mit einem Lasersystem erzeugt. Die hierbei erzeugten Ausnehmungen weisen beidseitige Lochdurchmesser zwischen 30–50 μm auf. Durch nasschemische Prozesse x1) werden oberflächennahe Schädigungen entfernt und die Oberfläche gereinigt. Auf Grund des Materialabtrags vom Siliziumwafer vergrößern sich die Lochdurchmesser der Ausnehmungen auf 45–70 μm.
Eine nachfolgende thermische Oxidation x2) bildet eine 350 nm dicke thermische Siliziumdioxidschicht auf allen offenliegenden Oberflächen des Siliziumwafers aus.
Mittels Siebdruckverfahren x3) erfolgt die Aufbringung einer strukturierten Maskierungsschicht bestehend aus ätzresistentem Lack auf der Unterseite des Siliziumwafers. Die Aufbringung erfolgt dermaßen, dass die Bereiche, an denen die Siliziumdioxidschicht lokal entfernt werden soll, nicht von der Maskierung bedeckt sind, die Maskierungsschicht dort lokale Öffnungen aufweist.
Die Strukturierung des Oxids x4) erfolgt mittels nasschemischer Prozesse. Zunächst wird das Siliziumdioxid an den in der Maskierung geöffneten Strukturen abgeätzt und die Maskierung entfernt. Die alkalische Textur x5) erzeugt an offenliegenden, also nicht von der Siliziumoxidschicht bedeckten Oberflächen des Siliziumwafers eine Texturierung.
Der Emitter wird durch eine POCl₃-Diffusion x6) erzeugt, auch hier gilt wiederum, dass sich der Emitter nur an offenliegenden Oberflächen des Siliziumwafers ausbildet, die nicht von einer Siliziumdioxidschicht bedeckt sind. Das sich bei der POCl₃-Diffusion x6) bildenden Phosphorsilikatglas (PSG) wird über eine nasschemische PSG-Ätze x7) entfernt. Im selben Prozessschritt wird die gewünschte Endschichtdicke der strukturierten Siliziumdioxidschicht eingestellt.
Die Beschichtung der Ober- und Unterseite des Siliziumwafers mit Siliziumnitrid erfolgt in Verfahrensschritt x8) (entspricht Verfahrensschritt b). Die Abscheidung findet durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) statt. Auf der Oberseite wird eine gut 70 nm dicke Siliziumnitridschicht aufgebracht, auf der Unterseite gut 100 nm.
Hinsichtlich des Verfahrensschrittes x9) unterscheiden sich die in 2 dargestellten Varianten a und b:
Bei Variante a erfolgt ein lokales Öffnen der in Verfahrensschritt x8) abgeschiedenen Siliziumnitridschicht auf der Vorder- und Rückseite mittels Laserablation. Hierbei wird die Siliziumnitridschicht sowohl in jeweils ringförmig um die Löcher (Ausnehmungen) angeordneten Zusatzöffnungsbereichen an der Vorderseite, als auch an den Bereichen, an denen eine Aufbringung einer metallischen Kontaktstruktur auf der Vorderseite und der Rückseite erfolgen soll, lokal geöffnet.
In Variante b wird in einem Verfahrensschritt x9b1) eine Maskierung mittels Inkjet-Druck auf beiden Seiten aufgebracht, wobei die Maskierung aus einem ätzresistenten Lack besteht. Die Maskierung wird derart aufgebracht, dass die Bereiche von der Maskierung ausgespart sind, in denen ein Oberflächenmaterialisierungsbereich ringförmig wie bei Variante a beschrieben, um die Ausnehmungen ausgebildet werden soll und in den Bereichen, in denen wie bei Variante a beschrieben eine metallische Kontaktierungsstruktur auf die Vorderseite und auf die Rückseite der Solarzelle aufgebracht werden soll. In einem Verfahrensschritt x9b2) wird anschließend in einem nasschemischen Ätzprozess an den nicht durch die Maskierung bedeckten Bereichen die Siliziumnitridschicht entfernt.
Zur Erzeugung des unterseitigen metallischen externen Kontakts wird mittels Siebdruckverfahren x10) eine aluminiumhaltige Paste strukturiert aufgebracht. Zur Sinterung dieser Metallschicht erfolgt das Kontaktfeuern x11) bei 800°C–950°C. Hierbei wird kein elektrischer Kontakt zwischen Siliziumbasis und aufgebrachter Metallkontaktstruktur erzeugt, sondern dieser Schritt dient lediglich der Ausbildung einer robusten Metallschicht. Wie zuvor beschrieben, ist die unterseitig aufgebrachte Aluminiumschicht nicht elektrisch leitend mit der Siliziumbasis verbunden. Dies wird durch lokale lasergefeuerte Kontakte (LFC) x12) bewerkstelligt. Ein nachfolgender Temperprozess x13) trägt zur Ausbildung eines gut leitenden elektrischen Kontakts zwischen Substratbasis und der in x10) aufgebrachten aluminiumhaltigen Schicht bei.
Die mittels Laserablation x9a) und Inkjet-Maskierung x9b) geöffneten Strukturen in der Siliziumnitridschicht werden in Verfahrensschritt d1) mit einer galvanisch abgeschiedenen Nickelsaatschicht metallisiert. Zur Ausbildung eines niederohmigen elektrischen Kontakts zwischen Nickelsaatschicht und der darunter liegenden Emitterschicht erfolgt ein weiterer Temperprozess d2). Zur Ausbildung von Kontaktstrukturen mit niedrigen Serienwiderständen erfolgt die Aufdickung und damit Verstärkung der Saatschicht durch galvanische Silberabscheidung d3).
Die Vorderseitenkontaktstruktur ist wie bei vorbekannten MWT-Solarzellen ausgebildet, dargestellt beispielsweise in „Processing and comprehensive characterisation of screen-printed mc-si metal wrap through (mwt) solar cells", Clement et al., Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, 2007.
Die mittels lokaler Aufschmelzung durch einen Laser erzeugten lokalen elektrisch leitenden Verbindungen (LFC) zwischen Halbleitersubstrat 1 und Basiskontaktstruktur 8, 8' sind in etwa gleichmäßig über die Basiskontaktstruktur verteilt, in etwa punktförmig ausgebildet mit einem Abstand im Bereich von 100 μm bis 1 mm, in diesem Fall von etwa 500 μm. Insgesamt sind etwa 92% der Rückseite des Halbleitersubstrates durch die Isolierungsschicht bedeckt, etwa 1,5% durch die elektrisch leitenden, punktförmigen Kontakte. Die Solarzelle weist Ausnehmungen mit einem Durchmesser von etwa 100 μm auf, wobei die Ausnehmungen auf Linien angeordnet sind, durchschnittlich wird 1 Loch je 1 cm² Solarzellenfläche ausgebildet.
3 zeigt eine Draufsicht von oben auf das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle ebenfalls als Teilausschnitt in schematischer Darstellung, wobei zur einfacheren Erläuterung die metallischen Schichten nicht dargestellt sind, sondern jeweils die zugehörigen Öffnungen in der als Antireflexschicht 3 ausgebildeten dielektrischen Schicht.
Von zwei gegenüberliegenden Seiten führen linienartige Kontaktierungslinienöffnungsbereiche 11a und 11b zu der Ausnehmung 4. Die Projektion dieser linienartigen Kontaktierungsöffnungsbereiche auf die Ausnehmungsumfangslinie ist mit 11c und 11d gekennzeichnet.
Wesentlich ist, dass der Zusatzöffnungsbereich B sich in diesem Ausführungsbeispiel um die Umfangslinie der Ausnehmung 4 herum erstreckt, so dass im Herstellungsprozess der Solarzelle bei der galvanischen Abscheidung gewährleistet ist, dass einerseits eine ausreichende Metallisierung in der Ausnehmung erfolgt und darüber hinaus ein ausreichend elektrischer Kontakt zwischen der auf den Bereichen 11a und 11b abgeschiedenen metallischen Schicht und der metallischen Schicht in der Ausnehmung 4 über die auf dem Zusatzöffnungsbereich B abgeschiedene metallische Schicht erzeugt wird.
In 4 ist analog zu 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle dargestellt, welche grundsätzlich den in 1 dargestellten Aufbau aufweist.
Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel erstreckt sich hier der Zusatzöffnungsbereich B nicht ringförmig um die Ausnehmung 4 und grenzt auch nicht unmittelbar an diese an, sondern weist einen Abstand D von etwa 20 μm zur Umfangslinie der Ausnehmung 4 auf.
Dennoch erstreckt sich der lokale Zusatzöffnungsbereich B in Projektion auf die Umfangslinie über einen erheblich größeren Anteil an dieser (in 4 mit Ba und Bb gekennzeichnet), verglichen mit den Anteilen 11c und 11d, welche der Projektion der linienartigen Kontaktierungslinienöffnungsbereiche 11a und 11b auf die Umfangslinie der Ausnehmung 4 entsprechen.
Der Kontaktierungsanteil der beiden Zusatzöffnungsbereiche B beträgt etwa 50% in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Auch hier ist gewährleistet, dass eine ausreichende Metallisierung und elektrische Verbindung zwischen Ausnehmung 4 und den auf den Kontaktierungslinienöffnungsbereichen 11a und 11b ausgebildeten Kontaktierungsfingern besteht.
Der Abstand D in 4 ist unbedenklich, da bei Ausbildung der Metallisierung sich diese grundsätzlich über einen geringen Bereich auch über die dielektrische Schicht, d. h. auf diese ausliegend ausgebildet und somit ein Abstand bis zu 30 μm problemlos im Herstellungsverfahren mit einer metallischen Schicht überdeckt wird, so dass es nicht zwingend notwendig – wenn auch vorteilhaft – ist, dass sich der Zusatzöffnungsbereich B bis unmittelbar an die Umfangslinie der Ausnehmung hin erstreckt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 985233 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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H. Knauss, B. Terheiden, P. Fath, „Large-area metallisation wrap through solar cells using electroless plating”, doi: 10.1016/j.solmat.2006.06.047 [0008]
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Kray, D., et al., „Laser Chemical Processing (LCP)-Versatile Tool for Microstructing”, Applications. Applied Physics A, 2008 [0034]
D. Barucha, „Charakterisierung der chemischen Nickelabscheidung zur Vorderseitenmetallisierung von Silizium-Solarzellen”, Diplomarbeit, Hochschule Furtwangen, 2008 [0051]
J. Bartsch, V. Radtke, C. Savio et al., „Progress in Understanding the Current Paths and Deposition Mechanisms of Light-Induced Plating and Implications for the Process”, Proceedings of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, Germany, 2009, pp. 1469–74 [0052]
„Processing and comprehensive characterisation of screen-printed mc-si metal wrap through (mwt) solar cells”, Clement et al., Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, 2007 [0088]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktstruktur einer Halbleiterstruktur mit Durchkontaktierung, folgende Verfahrensschritte umfassend, wobei nachfolgende Reihenfolge insbesondere der Verfahrensschritte b und c nicht zwingend die Reihenfolge der Verfahrensschritte im Herstellungsprozess ist: a. Bereitstellen einer Halbleiterstruktur, welche Halbleiterstruktur eine photovoltaische Solarzelle oder eine Vorstufe im Herstellungsprozess der photovoltaischen Solarzelle ist, b. Aufbringen einer dielektrischen Schicht (3) auf eine erste Oberfläche der Halbleiterstruktur, c. Erzeugen mindestens einer die Halbleiterstruktur durchdringende Ausnehmung (4), d. galvanisches Abscheiden mindestens einer Metallschicht zumindest in einem Teilbereich der Ausnehmung (4), wobei die dielektrische Schicht (3) mit mindestens einem in Richtung der Ausnehmung führenden linienartigen Kontaktierungslinienöffnungsbereich ausgebildet wird, indem die dielektrische Schicht (3) nach Aufbringen an dem Kontaktierungslinienöffnungsbereich wieder entfernt und/oder diesen Kontaktierungslinienöffnungsbereich aussparend aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3) in einem an eine Ausnehmungsumfangslinie der Öffnung der Ausnehmung (4) an der ersten Oberfläche angrenzenden oder zumindest in einem Abstand kleiner 30 μm (D) an die Ausnehmungsumfangslinie benachbarten lokalen Zusatzöffnungsbereich (B) wieder entfernt und/oder diesen lokalen Zusatzöffnungsbereich (B) aussparend aufgebracht wird, welcher Zusatzöffnungsbereich sich über einen größeren Bereich (Ba, Bb) der Ausnehmungsumfangslinie erstreckt, gegenüber der Projektion des linienartigen Kontaktierungslinienöffnungsbereiches auf die Ausnehmungsumfangslinie (11c, 11d) und dass in Verfahrensschritt d zusätzlich zumindest auf dem Zusatzöffnungsbereich (B) eine metallische Schicht galvanisch abgeschieden wird, welche metallische Schicht mit der metallischen Schicht der Durchkontaktierung elektrisch leitend verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem lokalen Zusatzöffnungsbereich (B) eine zur galvanischen Metallabscheidung geeignete Oberfläche ausgebildet wird, vorzugsweise mit mindestens einer der folgenden Eigenschaften: eine katalytische Oberfläche und/oder eine elektrisch leitende Oberfläche und/oder eine Halbleiteroberfläche.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzöffnungsbereich (B) zumindest mit einer Breite im Bereich von 1 μm bis 500 μm, bevorzugt 10 μm bis 100 μm, weiter bevorzugt 20 μm bis 80 um ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzöffnungsbereich (B) zumindest über mindestens 30%, bevorzugt zumindest 60%, weiter bevorzugt zumindest 90% der Ausnehmungsumfangslinie erstrecken ausgebildet wird, insbesondere, dass der Zusatzöffnungsbereich (B) die Öffnung der Ausnehmung (4) an der ersten Oberfläche vollständig umschließend ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzöffnungsbereich (B) als Kreisringsegment, bevorzugt als Kreisring ausgebildet ist, vorzugsweise, dass der Zusatzöffnungsbereich (B) in etwa konzentrisch zu der Öffnung der Ausnehmung (4) an der ersten Oberfläche ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, dass in dem lokalen Zusatzöffnungsbereich (B) die dielektrische Schicht nach Aufbringen wieder abgenommen wird, bevorzugt mittels einem der Verfahren: – Laserablation, – Maskierung und anschließendes Abätzen, – Laser Chemical Processing (LCP), – lokales Aufbringung von ätzenden Medien, – durch ätzende Medien, die von der Rückseite durch die Ausnehmung hindurch der Vorderseite zugeführt werden, so dass sie den Halbleiter nur in einem entsprechenden Zusatzöffnungsbereich freilegen, – rückseitiges Plasmaätzen, bei welchem das Plasma durch das Loch hindurch lediglich den Zusatzöffnungsbereich freilegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abnehmen der dielektrischen Schicht in dem lokalen Zusatzöffnungsbereich (B) in einem gemeinsamen Verfahrensschritt mit dem Abnehmen der dielektrischen Schicht in Bereichen zum Aufbringen einer metallischen Kontaktstruktur erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, bei Aufbringen der dielektrischen Schicht ein Aufbringen dieser Schicht in dem lokalen Zusatzöffnungsbereich (B) durch eine Abdeckschablone oder eine Maskierung unterbunden wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt d zunächst eine metallische Saatschicht zumindest in der Ausnehmung (4) und dem der Zusatzöffnungsbereich (B) galvanisch abgeschieden wird, vorzugsweise eine Saatschicht umfassend mindestens einen der Stoffe Nickel, Chrom, Cobalt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufbringen der Saatschicht eine galvanische Verstärkung erfolgt, indem auf die Saatschicht eine weitere Metallschicht abgeschieden wird, vorzugsweise umfassend Silber, Kupfer, Zink und/oder Zinn, wobei eines der vorgenannten Metalle vorzugsweise als dünne Zwischenschicht zur Diffusionshemmung verwendet wird, insbesondere, dass zwischen galvanischem Abscheiden der Saatschicht und galvanischem Abscheiden der Verstärkungsschicht eine Temperaturbehandlung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einen Herstellungsprozess einer MWT-Solarzelle eingegliedert ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kontaktierungslinienöffnungsbereich (11a, 11b) eine linienartige metallische Kontaktierungsstruktur ausgebildet wird, welche elektrisch leitend mit der auf dem Zusatzöffnungsbereich (B) aufgebrachten Metallisierung verbunden ist, vorzugsweise, dass zumindest eine metallische Saatschicht der linienartigen metallische Kontaktierungsstruktur ebenfalls in Verfahrensschritt d galvanisch abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt d zusätzlich die Durchkontaktierung metallisch verstärkt wird, vorzugsweise durch Einbringen eines Leitklebers, insbesondere mittels Siebdruck.
Photovoltaische Solarzelle, umfassend ein Halbleitersubstrat (1), eine auf einer ersten Seite angeordnete metallische Kontaktierungsstruktur (9) und mindestens eine das Halbleitersubstrat durchdringende Ausnehmung (4), in welcher Ausnehmung (4) eine metallische Durchkontaktierung angeordnet ist, welche Durchkontaktierung elektrisch leitend mit der Kontaktierungsstruktur verbunden ist, wobei auf der ersten Seite der Solarzelle eine dielektrische Schicht (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3) einen an eine Ausnehmungsumfangslinie der Öffnung der Ausnehmung (4) an der ersten Oberfläche angrenzenden oder zumindest in einem Abstand kleiner 30 μm (D) an die Ausnehmungsumfangslinie benachbarten lokalen Zusatzöffnungsbereich (B) ausspart, welcher Zusatzöffnungsbereich sich über einen größeren Bereich (Ba, Bb) der Ausnehmungsumfangslinie erstreckt, gegenüber der Projektion des linienartigen Kontaktierungslinienöffnungsbereiches auf die Ausnehmungsumfangslinie (11c, 11d) und dass zumindest auf dem Zusatzöffnungsbereich (B) eine metallische Schicht angeordnet ist, welche metallische Schicht mit der metallischen Schicht der Durchkontaktierung und der Kontaktierungsstruktur elektrisch leitend verbunden ist.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchkontaktierung auf der ersten Seite in den lokalen, an die Ausnehmung (4) angrenzenden oder zumindest in einem Abstand kleiner 30 μm (D) benachbarten Zusatzöffnungsbereich (B) erstreckt, welcher Zusatzöffnungsbereich (B) sich über zumindest 30%, bevorzugt zumindest 60%, weiter bevorzugt zumindest über 90% der Umfangslinie der Ausnehmung (4) erstreckt, insbesondere, dass der Zusatzöffnungsbereich (B) die Ausnehmung (4) vollständig umschließt.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzöffnungsbereich (B) zumindest eine Breite im Bereich von 1 μm bis 500 μm, bevorzugt 10 μm bis 100 μm, weiter bevorzugt 20 μm bis 80 um aufweist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle eine MWT-Solarzellenstruktur aufweist.