DE102013219560A1

DE102013219560A1 - Photovoltaische Solarzelle und Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktierung einer photovoltaischen Solarzelle

Info

Publication number: DE102013219560A1
Application number: DE102013219560.5A
Authority: DE
Inventors: Julia Kumm; Hassan Samadi; Dirk Reinwand; Winfried Wolke; Philip Hartmann; Andreas Wolf; Daniel Biro
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-02
Also published as: WO2015044109A1; EP3050125A1; US20160247945A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktierung einer photovoltaischen Solarzelle, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Bereitstellen eines Halbleitersubstrates und B Aufbringen einer aluminiumhaltigen Kontaktierungsschicht mittelbar oder unmittelbar auf eine Seite des Halbleitersubstrates; Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt C eine Diffusionsbarrierenschicht, welche als Diffusionsbarriere zumindest gegenüber Aluminium wirkt, mittelbar oder unmittelbar auf die Kontaktierungsschicht aufgebracht wird und in einem Verfahrensschritt D eine lötbare Schicht aus einem lötbaren Material unmittelbar oder mittelbar auf die Diffusionsbarrierenschicht aufgebracht wird und dass die Diffusionsbarrierenschicht und die Kontaktierungsschicht mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 12 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktierung einer photovoltaischen Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Typische photovoltaische Solarzellen weisen Metallisierungsstrukturen zur elektrischen Kontaktierung der Solarzelle auf, beispielsweise zur elektrischen Reihenschaltung der Solarzelle mit einer benachbarten Solarzelle mittels eines elektrisch leitenden Zellverbinders in einem Solarzellenmodul.
Bei der industriellen Herstellung photovoltaischer Solarzellen, insbesondere von Silizium-Solarzellen wird typischerweise zur Ausbildung der vorgenannten metallischen Kontaktstrukturen die Siebdrucktechnologie eingesetzt. Hierbei ist es bekannt, metallische Kontaktstrukturen aus mehreren Materialien, insbesondere mehreren Metallen auszubilden und insbesondere ein als Silberschicht ausgebildetes Lötpad vorzusehen, welches mittels an sich bekannter Lötverfahren mit einem Zellverbinder elektrisch leitend verbunden werden kann.
Es bestehen jedoch erhebliche Chancen darin, die Siebdrucktechnologie zur Herstellung metallischer Kontaktierungen bei der industriellen Herstellung photovoltaischer Solarzellen zu ersetzen, insbesondere, um höhere Wirkungsgrade zu ermöglichen, die Zelldicke zu reduzieren und Kosten und Kontaktmaterial einzusparen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktierung einer photovoltaischen Solarzelle und eine solche photovoltaische Solarzelle bereitzustellen, welche eine Herstellung im industriellen Maßstab ermöglichen und eine Alternative zu der vorgenannten Siebdrucktechnologie bieten.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktierung einer photovoltaischen Solarzelle gemäß Anspruch 1 sowie durch eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 12. Vorzugsweise Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 11; vorzugsweise Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Solarzelle finden sich in den Ansprüchen 12 bis 15. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle ausgebildet, insbesondere einer vorteilhaften Ausführungsform hiervon. Die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle ist vorzugsweise mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, insbesondere einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktierung einer photovoltaischen Solarzelle weist folgende Verfahrensschritte auf:
In einem Verfahrensschritt A wird ein Halbleitersubstrat bereitgestellt und in einem Verfahrensschritt B erfolgt ein Aufbringen einer aluminiumhaltigen Kontaktierungsschicht unmittelbar oder bevorzugt mittelbar auf eine Seite des Halbleitersubstrats. Diese Kontaktierungsschicht bildet die elektrisch leitende Verbindung beispielsweise zu Lötpunkten, zu Zellverbindern oder einem Busbar. Vorteilhafterweise weist die Kontaktschicht daher einen Schichtwiderstand kleiner 50 mOhm bevorzugt kleiner 20 mOhm auf. Weiterhin ist die Kontaktschicht vorteilhafterweise als Rückseitenspiegel zur Reflektion der nicht im Halbleitersubstrat absorbierten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet.
Wesentlich ist nun, dass in einem Verfahrensschritt C eine Diffusionsbarrierenschicht, welche als Diffusionsbarriere zumindest gegenüber Aluminium wirkt, mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die Kontaktierungsschicht aufgebracht wird. Weiterhin wird in einem Verfahrensschritt D eine lötbare Schicht aus einem lötbaren Material mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die Diffusionsbarrierenschicht aufgebracht.
Die Diffusionsbarrierenschicht und die Kontaktierungsschicht werden jeweils mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht.
Die vorliegende Erfindung ist in der Erkenntnis begründet, dass die Verwendung einer physikalischen Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, PVD) zur Ausbildung der Kontaktierungsschicht einer photovoltaischen Solarzelle erhebliche Vorteile bietet: PVD Al ist – im Gegensatz zu subgedrucktem Al – in der Lage nicht nur p-dotiertes, sondern auch moderat n-dotiertes Silicium mit einem niedrigen Kontaktwiderstands zu kontaktieren, was die Umsetzung neuartiger Zellkonzepte, beispielsweise mit n-dotierter Basis, ermöglicht. Zudem besteht ein Kostenvorteil wegen Materialersparnis: dünnere Wafer sparen Halbleiter-Materialkosten und es wird weniger Kontaktmaterial benötigt wegen des dünneren Auftrags (beispielsweise 2 μm PVD-Al statt 20 μm SD-Al). Ein wesentlicher Vorteil ist ein geringerer Materialverbrauch der lötbaren Schicht, beispielsweise einer Silberschicht, da nur eine sehr dünne Silberschicht ganzflächig verwendet werden kann statt zuvor üblichen erheblich dickeren lokalen Silber-Pads oder deren Ersatz durch MV. Insbesondere letzter Vorteil ist auch darin begründet, dass die Diffusionsbarriere mittels PVD sehr zuverlässig dicht erzeugt werden kann und daher die lötbare Schicht nur in Kombination mit der mittels PVD aufgebrachten Diffusionsbarriere so dünn ausgebildet wird.
Bei der industriellen Herstellung photovoltaischer Solarzellen findet bisher jedoch im Wesentlichen die vorgenannte Siebdrucktechnologie zur Ausbildung metallischer Kontaktierungsstrukturen Anwendung. PVD-Verfahren werden insbesondere zur Ausbildung einer Aluminium-Kontaktierungsschicht nicht eingesetzt. Dies ist unter anderem darin begründet, dass eine mittels eines PVD-Verfahrens aufgebrachte aluminiumhaltige Kontaktierungsschicht nicht mittels eines gewöhnlichen Lötprozesses elektrisch leitend verbunden werden kann, beispielsweise mit einem Zellverbinder.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet nun erstmals die Möglichkeit, kostengünstig dennoch eine aluminiumhaltige Kontaktierungsschicht mittels PVD-Verfahren bei der Herstellung der metallischen Kontaktierungsstruktur einer photovoltaischen Solarzelle zu verwenden.
Hierzu wird, wie zuvor beschrieben, in Verfahrensschritt D eine lötbare Schicht mittelbar auf die Kontaktierungsschicht aufgebracht, so dass die lötbare Schicht elektrisch leitend mit der Kontaktierungsschicht verbunden ist. Die lötbare Schicht kann somit mittels an sich bekannter und bereits industriell erprobter Verfahren mittels eines Lötprozesses mit einem Zellverbinder elektrisch leitend verbunden werden.
Entscheidend ist jedoch, dass eine Interdiffusion von Aluminium aus der Kontaktierungsschicht in die lötbare Schicht vermieden werden muss. Denn eine solche Interdiffusion kann zu einer Bildung von Aluminiumoxid an der außenliegenden Oberfläche der lötbaren Schicht führen, so dass der Lötprozess fehlschlägt.
Aus diesem Grund wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Verfahrensschritt C die Diffusionsbarrierenschicht zwischen Kontaktierungsschicht und lötbarer Schicht angeordnet. Die Diffusionsbarrierenschicht ist derart ausgebildet, dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen lötbarer Schicht und Kontaktierungsschicht besteht und andererseits jedoch Aluminium nicht durch die Diffusionsbarrierenschicht hindurch zu der lötbaren Schicht diffundieren kann.
Auf diese Weise ist mit geringem zusätzlichen Aufwand sichergestellt, dass sich kein Aluminiumoxid an der außenliegenden Oberfläche der lötbaren Schicht ausbildet, so dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erstmals im industriellen Maßstab bei der Herstellung photovoltaischer Solarzellen, bzw. deren Verschaltung zu einem Solarzellenmodul, ein PVD-Verfahren zur Ausbildung der auf Aluminium basierenden Kontaktierungsschicht angewendet werden kann.
Weiterhin wird sowohl die Kontaktierungsschicht als auch die Diffusionsbarrierenschicht mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass apparativ unaufwändig beide Schichten gemeinsam aufgebracht werden können.
Eine besonders einfache und somit kostengünstige Verfahrensausgestaltung ergibt sich in einer vorteilhaften Ausführungsform, in welcher die Diffusionsbarrierenschicht unmittelbar auf der Kontaktierungsschicht aufgebracht wird. Alternativ oder bevorzugt zusätzlich wird eine vorteilhafte Prozessvereinfachung erzielt, in dem die lötbare Schicht unmittelbar auf der Diffusionsbarrierenschicht aufgebracht wird.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird zwischen lötbarer Schicht und Diffusionsbarrierenschicht mindestens eine, bevorzugt genau eine Zwischenschicht aufgebracht. Diese Zwischenschicht bietet den Vorteil, dass durch die Zwischenschicht eine erhöhte Haftung zwischen Diffusionsbarrierenschicht und lötbarer Schicht erzielt werden kann. Vorzugsweise ist die Zwischenschicht daher als Titanzwischenschicht ausgebildet, weiter bevorzugt mit einer Dicke im Bereich 5 nm bis 100 nm, weiter bevorzugt 10 nm bis 30 nm.
Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Solarzelle wird erzielt, indem in die Diffusionsbarrierenschicht Sauerstoff eingebracht wird. Das Einbringen von Sauerstoff in die Diffusionsbarrierenschicht weist den Vorteil auf, dass die Barrierenwirkung der Diffusionsbarrierenschicht erhöht wird. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Barrierenschicht Korngrenzen aufweist, da hier Sauerstoff sich auch zumindest teilweise entlang der Korngrenzen anlagert. Sofern in einem nachfolgenden Verfahrensschritt Aluminium beginnt in die Korngrenzen zu diffundieren, trifft es dort auf den Sauerstoff, welcher typischerweise mit dem Aluminium ein Oxid ausbildet. Dieses Aluminiumoxid stellt eine besonders effektive Barriere gegenüber der Diffusion weiteren Aluminiums dar und stopft zudem insbesondere die schnellen Diffusionswege entlang der Korngrenzen. Hierdurch wird eine deutlich größere thermische Stabilität der Barrierenschicht gegen Aluminiumdiffusion erzielt.
Darüber hinaus bildet der Sauerstoff teilweise Oxidverbindungen mit der Titanzwischenschicht aus, so dass eine Verbindung bzw. Legierungsbildung der Titanzwischenschicht mit dem lötbaren Material vermindert wird. Das lötbare Material wird somit in geringerem Umfang verunreinigt und um die Lötbarkeit zu gewährleisten ist es ausreichend dünnere Schichten des lötbaren Materials aufzutragen. Somit wird eine Materialersparnis hinsichtlich des kostenintensiven lötbaren Materials erzielt.
Sofern wie zuvor beschrieben zwischen lötbarer Schicht und Diffusionsbarrierenschicht eine Zwischenschicht angeordnet wird, wird in einer weiter bevorzugten Ausführungsform vorteilhafterweise auch in die Zwischenschicht Sauerstoff eingebracht. Hierdurch wird die Barrierenwirkung gegenüber dem lötbaren Material weiter erhöht.
Insbesondere wird eine Erhöhung der Barrierenwirkung erzielt, indem zunächst nach Aufbringen der Diffusionsbarrierenschicht und vor Aufbringen der Zwischenschicht ein Einbringen von Sauerstoff in die Diffusionsbarrierenschicht erfolgt und anschließend nach Aufbringen der Zwischenschicht in einem weiteren, separaten Verfahrensschritt Sauerstoff in die Zwischenschicht eingebracht wird.
Das Einbringen von Sauerstoff in die Diffusionsbarrierenschicht erfolgt vorzugsweise aus der Gasphase. Insbesondere kann durch den Sauerstoff der Umgebungsatmosphäre bereits Sauerstoff in die Diffusionsbarrierenschicht und/oder Zwischenschicht eingebracht werden. Es kann somit durch Ausschleusen des Halbleitersubstrates aus etwaigen Prozesskammern und in Kontaktbringen mit Umgebungsluft bei Raumtemperatur, vorzugsweise für einen Zeitraum im Bereich 1 min bis 24 h, ein Eindringen von Sauerstoff erzielt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Eindringen von Sauerstoff in situ in einer Prozesskammer, in dem nach Abscheiden der Diffusionsbarrierenschicht und/oder nach Abscheiden der Zwischenschicht Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch in die Prozesskammer eingeleitet wird.
Die zuvor genannte Aufgabe ist weiterhin gelöst durch eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 12. Die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle weist ein Halbleitersubstrat und eine an einer Seite des Halbleitersubstrates mittelbar oder unmittelbar angeordnete aluminiumhaltige Kontaktierungsschicht auf, welche als Kontaktierungsschicht elektrisch leitend mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist. Wesentlich ist, dass auf der Kontaktierungsschicht mittelbar oder unmittelbar eine Diffusionsbarrierenschicht angeordnet ist, welche als Diffusionsbarriere zumindest gegenüber Aluminium wirkt und dass auf der Kontaktierungsschicht mittelbar oder unmittelbar eine lötbare Schicht aus einem lötbarem Material angeordnet ist. Die Kontaktierungsschicht ist elektrisch leitend mit der lötbaren Schicht verbunden.
Hierdurch ergeben sich die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile, insbesondere, dass die aluminiumhaltige Kontaktierungsschicht mittels eines PVD-Verfahrens abgeschieden werden kann.
Eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung ergibt sich in einer vorteilhaften Ausführungsform dadurch, dass die Diffusionsbarrierenschicht unmittelbar auf der Kontaktierungsschicht aufgebracht ist, und die lötbare Schicht unmittelbar auf der Diffusionsbarrierenschicht aufgebracht ist.
Vorzugsweise wird die Diffusionsbarrierenschicht umfassend einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe Ti, N, W, O ausgebildet. Insbesondere ist die Diffusionsbarrierenschicht vorzugsweise als TiN-Schicht, als TiW-Schicht oder als TiWN-Schicht ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Sowohl Ti als auch W und N2 vergleichsweise gut verfügbar sind und damit günstig (im Gegensatz zu Ta z. B.). Dennoch sind TiN bzw. TiW:N sehr effektive Diffusionsbarrieren gegen Al auch bei einem Temperaturschritt.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zumindest die Diffusionsbarrierenschicht und die lötbare Schicht in situ aufgebracht. Die beiden vorgenannten Schichten werden somit in einer PVD-Anlage aufgebracht, ohne dass zwischen dem Aufbringen der beiden Schichten ein Ausschleusen des Halbleitersubstrates erfolgt. Hierdurch verringern sich die Prozesszeit und auch die Prozesskosten, da die Prozessatmosphäre für beide Schichten nur einmalig hergestellt werden muss und darüber hinaus Ein- und Ausschleusvorgänge eingespart werden.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird auch die Kontaktierungsschicht mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass zumindest Kontaktierungsschicht, Diffusionsbarrierenschicht und lötbare Schicht in situ aufgebracht werden. Hierdurch wird weiterhin Prozesszeit und ebenso werden Prozesskosten eingespart.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zwischen Verfahrensschritt B und Verfahrensschritt C ein Temperschritt. Ein Temperschritt ist an sich bekannt und wird vorliegend vorzugweise mit Temperaturen im Bereich 300°C bis 450°C für eine Zeitdauer im Bereich von 2 min bis 30 min ausgeführt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ohne einen Temperschritt die Solarzelle eine schlechtere Effizienz hätte, da sowohl Passivierqualität als auch elektrischer Kontakt gewöhnlich durch einen Temperaturschritt verbessert werden. Zudem können evtl. eingebrachte Schädigungen, bspw. durch einen Sputter- oder Laserprozess, bei einem Temperschritt vollständig oder teilweise wieder ausgeheilt werden. Der Temperschritt stellt also eine wichtige Randbedingung dar. Es wird insgesamt vorzugsweise nur ein Temperschritt durchgeführt, dieser wird vorzugsweise aber nach Al-Metallisierung und gegebenenfalls nach einer Kontaktausbildung mittels LFC stattfinden.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt nach Verfahrensschritt D ein Temperschritt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Kontaktierungsschicht, Diffusionsbarrierenschicht und lötbare Schicht in einem gemeinsamen Temperschritt behandelt werden und die Beschichtungen gemeinsam erfolgen können, so dass nur einmalig ein Hochvakuum zur Beschichtung ausgebildet werden muss.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen den Verfahrensschritten A und B in einem Verfahrensschritt A1 eine Passivierungsschicht auf das Halbleitersubstrat aufgebracht. Weiterhin wird in Verfahrensschritt B die Kontaktierungsschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die Passivierungsschicht aufgebracht und nach Verfahrensschritt B, bevorzugt nach Verfahrensschritt D, wird an mehreren lokalen Bereichen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Kontaktierungsschicht und Halbleitersubstrat erzeugt. Hierdurch wird an einer Vielzahl punktartiger Kontaktierungsstellen jeweils eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Kontaktierungsschicht und Halbleitersubstrat erzeugt, so dass mittels der Passivierungsschicht eine Oberflächenpassivierung des Halbleitersubstrates möglich ist und dennoch aufgrund der Vielzahl von so genannten Punktkontakten eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit gegeben ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Punktkontakte mittels des an sich bekannten LFC-Verfahrens zu erzeugen, wie beispielsweise in DE 10046170 A1 beschrieben.
Es liegt somit im Rahmen der Erfindung, zur Ausbildung der elektrisch leitenden Verbindungen in einem Verfahrensschritt sowohl die Passivierungsschicht lokal an einer Mehrzahl von Positionen geöffnet wird, als auch die elektrisch leitende Verbindung erzeugt wird. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, zunächst die Passivierungsschicht lokal an einer Mehrzahl von Positionen zu öffnen und in einem separaten, nachfolgenden Verfahrensschritt die elektrisch leitende Verbindung zu erzeugen. Insbesondere ist es hierbei vorteilhaft verfahrensökonomisch und somit kostengünstig, zunächst die Passivierungsschicht mit einer Mehrzahl lokaler Öffnungen auszubilden und anschließend mittelbar oder bevorzugt unmittelbar die Kontaktierungsschicht aufzubringen, so dass bei Aufbringen der Kontaktierungsschicht diese an den lokalen Öffnungen die Passivierungsschicht durchdringt und jeweils eine elektrisch leitende Verbindung zu dem Halbleitersubstrat entsteht.
Um eine stabile Durchführbarkeit des LFC-Verfahrens zu gewährleisten, weist die Kontaktierungsschicht bzw. der Gesamtstapel aus Kontaktierungsschicht, Diffusionsbarriere und lötbarer Schicht vorteilhafterweise eine möglichst dünne und insbesondere möglichst homogene Schichtdicke auf.
Der vorgeschlagene Schichtstapel wird vorzugsweise mit einer Gesamtschichtdicke von wenigen μm, bevorzugt kleiner 5 μm, insbesondere kleiner 3 μm ausgebildet, um eine fehlerfreie Herstellung mittels des LFC-Verfahrens zu gewährleisten.
Die Abscheidung mit PVD (im Gegensatz zum Siebdruck) und die geringe Gesamtdicke stellen eine große Homogenität (bzw. eine geringe absolute Schichtdickenschwankung von max. 1 μm, eher weniger) der Schicht sicher, so dass die Laserparameter mit geringer Gesamtleistung und sehr präzise eingestellt werden können. So kann eine Schädigung des Halbleitermaterials minimiert werden.
Vorteilhafterweise sind die Laserparameter und/oder die Materialparameter der gewählten Schichten beim Durchführen des LFC-Verfahrens derart gewählt, dass Kontaktierungsschicht und Halbleitersubstrat lokal aufgeschmolzen wird, die Diffusionsbarrierenschicht jedoch nur geringfügig, bevorzugt nicht aufgeschmolzen wird. Hierdurch wird das lokale Einbringen des Materials der Kontaktierungsschicht in das Halbleitersubstrat verstärkt und ein Eindringen des Materials der Diffusionsbarrierenschicht und der lötbaren Schicht in das Halbleitersubstrat verringert, bevorzugt vermieden. Besonders vorteilhaft ist daher die Verwendung einer Diffusionsbarrierenschicht mit einem höheren Schmelzpunkt gegenüber dem Schmelzpunkt der Kontaktierungsschicht und dem Schmelzpunkt des Halbleitersubstrats, vorzugsweise liegt eine Temperaturdifferenz der Schmelzpunkte von mindestens 500°C bevorzugt mindestens 1000°C vor.
Insbesondere vorteilhaft ist daher die Verwendung von Titannitrid als Diffusionsbarrierenschicht, da diese eine vergleichsweise hohen Schmelzpunkt von etwa 2950°C aufweist, verglichen mit einem Schmelzpunkt beispielsweise von Aluminium als Kontaktierungsschicht von 660°C.
Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform mit Anwendung des LFC-Verfahrens zur Ausbildung der Punktkontakte liegt es im Rahmen der Erfindung, die Ausbildung der LFC-Punktkontakte und einen Temperschritt wie zuvor beschrieben vor Durchführen der Verfahrerisschritte C und D durchzuführen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Temperschritt bereits vor Aufbringen der lötbaren Schicht erfolgt und somit geringere Anforderungen an die Undurchdringlichkeit der Diffusionsbarriere bestehen.
Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, nach Durchführen des LFC-Verfahrens und vor Verfahrensschritt C in einem Verfahrensschritt C1 die Kontaktierungsschicht zu säubern, insbesondere einzuebnen. Hierdurch wird die Schichtadhäsion verbessert. Insbesondere ist es vorteilhaft, das Säubern/Einebnen mittels Isopropanol durchzuführen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, zusätzlich oder an Stelle des Säuberns eine weitere Schicht, bevorzugt eine weitere Aluminiumschicht nach Durchführen des LFC-Verfahrens und vor Verfahrensschritt C aufzubringen, so dass die Diffusionsbarriere in Verfahrensschritt C auf die weitere Schicht, insbesondere auf eine Aluminiumschicht aufgebracht wird.
Die photovoltaische Solarzelle, deren metallische Kontaktierungsstruktur mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet wird, und/oder die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle ist vorzugsweise als an sich bekannte Silizium-Solarzelle ausgebildet. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, typische Solarzellenstrukturen auszubilden, mit dem Unterschied, dass das erfindungsgemäß zur Ausbildung zumindest einer metallischen Kontaktierung der photovoltaischen Solarzelle wie vorbeschrieben eine aluminiumhaltige Kontaktierungsschicht, eine Diffusionsbarrierenschicht und eine lötbare Schicht aufgebracht wird, wobei zumindest Diffusionsbarrierenschicht und Kontaktierungsschicht mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht werden.
Insbesondere ist es vorteilhaft, die erfindungsgemäße Solarzelle als an sich bekannte PERC-Solarzelle auszubilden, wie beispielsweise in Blakers et al., Applied Physics Letters, vol. 55 (1989) pp. 1363–5 oder S. Mack et al., 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2010 beschrieben.
Vorzugsweise wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die bei Benutzung der Solarzelle der einfallenden Strahlung abgewandte metallische Kontaktierung ausgebildet. Eine solche Kontaktierung wird typischerweise als Rückseitenkontaktierung bezeichnet.
Wie zuvor bereits ausgeführt, ist die erfindungsgemäße Solarzelle vorzugsweise als photovoltaische Silizium-Solarzelle ausgebildet. Insbesondere ist das Halbleitersubstrat vorzugsweise als Siliziumwafer ausgebildet.
Die Verfahrensschritte B und C erfolgen bevorzugt mittels PVD, insbesondere bevorzugt in einem gemeinsamen Prozess, weiter bevorzugt in situ. Weiter bevorzugt erfolgt auch Verfahrensschritt D mittels PVD, insbesondere in situ mit Verfahrensschritten B und C.
Weitere vorzugsweise Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand den Figuren und Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigen:
1 bis 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer metallischen Kontaktierung einer photovoltaischen Solarzelle und
6 bis 8 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer metallischen Kontaktierung einer rückseitenkontaktierbaren photovoltaischen Solarzelle.
Die 1 bis 8 zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Teilausschnitte einer Solarzelle im jeweiligen Verfahrensstadium. Die Solarzelle setzt sich dabei in etwa spiegelsymmetrisch nach rechts und links fort.
In den 1 bis 8 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
1 zeigt das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem Verfahrensschritt A, in welchem ein als Siliziumwafer ausgebildetes Halbleitersubstrat 10 bereit gestellt ist.
In den 1 bis 5 ist die bei Benutzung dem Lichteinfall zugewandte Vorderseite der Solarzelle jeweils oben dargestellt. Das Halbleitersubstrat 10 weist an der Vorderseite einen Emitter 3 auf. Dieser Emitter kann mittels Diffusion in dem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, den Emitter 3 als eigene Schicht auf dem Halbleitersubstrat 10 anzubringen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitersubstrat 10 als Basis p-dotiert und der Emitter n-dotiert. Ebenso liegt eine Umkehrung der Dotierungstypen im Rahmen der Erfindung.
Auf dem Emitter 3 ist eine passivierende optische Antireflexschicht 2 angeordnet, welche in an sich bekannter Weise als Siliziumnitridschicht ausgebildet sein kann.
An der Vorderseite ist weiterhin eine metallische Vorderseitenkontaktierung angeordnet, welche in an sich bekannter Weise als an sich bekannte kammartige oder doppelkammartige Kontaktierungsstruktur ausgebildet sein kann. In der Teilausschnittdarstellung der 1 bis 5 sind beispielsweise zwei senkrecht zur Zeichenebene verlaufende metallische Finger 1 der Vorderseitenkontaktierung dargestellt. Die Finger 1 durchdringen die Antireflexschicht 2 und sind mit dem Emitter 3 elektrisch leitend verbunden.
An der Rückseite, d. h. der bei Benutzung der einfallenden Strahlung abgewandten Seite des Halbleitersubstrats 10, ist in einem Verfahrensschritt A1 eine Passivierungsschicht 4 ganzflächig auf das Halbleitersubstrat 10 aufgebracht.
Die Passivierungsschicht ist mittels PECVD als Al₂O₃-Schicht ausgebildet und weist eine Dicke im Bereich 20 nm bis 200 nm, vorliegend von etwa 100 nm auf. Ebenso kann die Passivierungsschicht ganz oder teilweise aus thermisch erzeugtem SiO2 bestehen und ganz oder teilweise mittels PECVD als SiN_x-Schicht oder SiO_x-Schicht aufgebracht werden
In einem Verfahrensschritt B wird nun an der Rückseite auf die Passivierungsschicht 4 diese ganzflächig bedeckend eine als Aluminiumschicht ausgebildete Kontaktierungsschicht 5 aufgebracht. Die Kontaktierungsschicht 5 wird in einem PVD-Verfahren erzeugt.
Das Ergebnis ist in 2 dargestellt.
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt C eine als TiN-Schicht ausgebildete Diffusionsbarrierenschicht 6 aufgebracht, ebenfalls mittels eines PVD-Verfahrens. Die Diffusionsbarrierenschicht weist eine Dicke im Bereich von 20 nm bis 300 nm, vorliegend von etwa 100 nm auf.
Anschließend wird eine dünne Ti-Schicht mit einer Dicke im Bereich 1 nm bis 50 nm, vorliegend etwa 25 nm eingefügt, welche als Haftvermittler zwischen Ag und TiN dient.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt D wird eine als Silberschicht ausgebildete lötbare Schicht 7 als Deckschicht ganzflächig die Diffusionsbarrierenschicht 6 bedeckend aufgebracht, ebenfalls mittels eines PVD-Verfahrens.
Kontaktierungsschicht 5, Diffusionsbarrierenschicht 6 und lötbare Schicht 7 werden dabei in situ aufgebracht, so dass eine besonders prozessökonomische und damit kostensparende Herstellung erfolgt.
Alternativ besteht die lötbare Schicht 7 aus NiV oder NiCr, das ggf. durch eine dünne Ag-Schicht vor Oxidation geschützt wird. Auf eine Ti-Haftvermittlerschicht kann in dieser Ausführung verzichtet werden.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird in an sich bekannter Weise durch lokales Aufschmelzen einer Vielzahl punktartiger Bereiche mittels eines LFC-Verfahrens eine Vielzahl von elektrischen Punktkontakten 8 erzeugt, das Ergebnis ist in 5 dargestellt:
Durch das lokale Aufschmelzen entsteht eine punktartige elektrische Kontaktierung, welche insbesondere die Passivierungsschicht 4 durchdringt. Weiterhin wird im Erstarrungsvorgang lokal an den Kontaktierungspunkten jeweils ein aluminiumdotierter Hochdotierungsbereich 9 erzeugt, welcher den Kontaktwiderstand und die Oberflächenrekombination an den Kontakten senkt und somit den Wirkungsgrad der Solarzelle weiter erhöht. Das lokale Aufschmelzen erfolgt derart, dass eine Temperatur oberhalb der Schmelzpunkte von Kontaktierungsschicht 5 und Halbleitersubstrat 10, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes der Diffusionsbarrierenschicht 6 vorliegt. Die Diffusionsbarrierenschicht wird somit nicht oder nur geringfügig aufgeschmolzen wird. Hierdurch wird das lokale Einbringen des Materials der Kontaktierungsschicht in das Halbleitersubstrat verstärkt und ein Eindringen des Materials der Diffusionsbarrierenschicht und der lötbaren Schicht in das Halbleitersubstrat vermieden oder zumindest verringert
In 5 ist somit ebenfalls ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle dargestellt, welche das Halbleitersubstrat 10 aufweist, mit der rückseitig unmittelbar angeordneten als Aluminiumschicht ausgebildeten Kontaktierungsschicht 5, welche punktartig die Passivierungsschicht 4 durchdringend mit dem Halbleitersubstrat 10 elektrisch leitend verbunden ist. Auf der Kontaktierungsschicht ist unmittelbar die Diffusionsbarrierenschicht 6 angeordnet, welche als Diffusionsbarriere zumindest gegenüber dem Aluminium wirkt. Auf der Diffusionsbarrierenschicht 6 ist (mit einer zwischengeschalteten Haftvermittlerschicht, welche Titan umfasst) die als Silberschicht ausgebildete lötbare Schicht 7 angeordnet. Die Kontaktierungsschicht 5 ist, wie zuvor beschrieben, einerseits mit dem Halbleitersubstrat 10 und andererseits mit der lötbaren Schicht 7 elektrisch leitend verbunden.
Die 6 bis 8 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher im Folgenden insbesondere auf die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 5 eingegangen:
Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere vorteilhaft für rückseitenkontaktierte Solarzellen Anwendung finden. Bei rückseitenkontaktierten photovoltaischen Solarzellen sind auf der der einfallenden Strahlung abgewandten Seite sowohl eine oder mehrere metallische Kontaktierungsstrukturen zur Kontaktierung eines oder mehrerer Emitterbereiche als auch eine oder mehrere metallische Kontaktierungsstrukturen zur Kontaktierung eines oder mehrerer Basisbereiche der Solarzelle angeordnet. Rückseitenkontaktierte Solarzellen weisen den Vorteil auf, dass keine Abschattung der Vorderseite durch metallische Kontaktstrukturen auftritt und darüber hinaus eine einfachere Serienverschaltung in einem Solarzellenmodul möglich ist.
Auch in den 6 bis 8 ist die bei Benutzung dem Lichteinfall zugewandte Vorderseite der Solarzelle jeweils oben dargestellt. 6 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem Verfahrensschritt A, in welchem ein als Siliziumwafer ausgebildetes Halbleitersubstrat 10 bereitgestellt ist. Das Halbleitersubstrat ist vorliegend n-dotiert und weist an der Vorderseite einen n-hochdotierten Bereich, ein so genanntes Front Surface Field (FSF) 22 auf. Die Vorderseite der photovoltaischen Solarzelle ist durch eine Antireflexschicht 2 bedeckt. An der Rückseite des Halbleitersubstrates 10 sind Emitterbereiche 3 (p-dotiert) und mehrere n-dotierte Hochdotierungsbereiche, so genannte Back Surface Field (BSF) 24 mittels Diffusion von entsprechenden Dotierstoffen ausgebildet.
Auf der Rückseite des Halbleitersubstrates 10 ist eine Passivierungsschicht 4 in einem Verfahrensschritt A1 aufgebracht. Die Passivierungsschicht 4 wurde ganzflächig aufgebracht und lokal an jedem Emitterbereich 3 und an jedem BSF-Bereich 24 geöffnet.
7 zeigt den Zustand nach einem Verfahrensschritt B, in welchem eine als Aluminiumschicht ausgebildete Kontaktierungsschicht 5 ganzflächig auf die Rückseite aufgebracht wurde. An den zuvor beschriebenen Ausnehmungen der Passivierungsschicht 4 durchdringt die Aluminiumschicht die Passivierungsschicht, so dass in diesem Verfahrenszustand eine elektrische Kontaktierung sowohl der Emitterbereiche 3, als auch der BSF-Bereiche 24 vorliegt.
Auf die Kontaktierungsschicht 5 ist eine als TiN-Schicht ausgebildete Diffusionsbarrierenschicht 6 aufgebracht. Die Diffusionsbarrienschicht 6 ist wiederum ganzflächig durch eine lötbare Schicht 7 vorliegend aus Silber ausgebildet, bedeckt.
8 zeigt schließlich einen Verfahrenszustand, in welchem ein elektrisches Separieren der metallischen Kontaktierung für die Emitterbereiche 3 einerseits und die BSF-Bereiche 24 andererseits erfolgte, indem lötbare Schicht 7, Diffusionsbarrierenschicht 6 und Kontaktierungsschicht 5 durchtrennt wurden, so dass sich Gräben 25 zwischen den entgegengesetzten Polarisierungsarten zur elektrischen Isolierung ausbilden.
Die metallischen Kontaktierungsstrukturen können hierbei in an sich bekannter Weise als kammartige oder doppelkammartige Strukturen ausgebildet sein. Insbesondere ist die bei Rückseitenkontaktzellen bekannte Ausbildung als ineinandergreifende kammartige Strukturen, so genannte „Interdigitated Contacts” vorteilhaft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10046170 A1 [0034]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Blakers et al., Applied Physics Letters, vol. 55 (1989) pp. 1363–5 [0044]
S. Mack et al., 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2010 [0044]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktierung einer photovoltaischen Solarzelle, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Bereitstellen eines Halbleitersubstrates und B Aufbringen einer aluminiumhaltigen Kontaktierungsschicht (5) mittelbar oder unmittelbar auf eine Seite des Halbleitersubstrates; dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt C eine Diffusionsbarrierenschicht, welche als Diffusionsbarriere zumindest gegenüber Aluminium wirkt, mittelbar oder unmittelbar auf die Kontaktierungsschicht (5) aufgebracht wird und in einem Verfahrensschritt D eine lötbare Schicht (7) aus einem lötbaren Material unmittelbar oder mittelbar auf die Diffusionsbarrierenschicht (6) aufgebracht wird und dass die Diffusionsbarrierenschicht (6) und die Kontaktierungsschicht (5) mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarrierenschicht (6) umfassend einen oder mehrere Stoffe der Gruppe Ti, N, W, O ausgebildet wird, vorzugsweise als TiN-Schicht, als TiW-Schicht oder TiWN-Schicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Diffusionsbarrierenschicht (6) und die lötbare Schicht (7) in situ aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lötbare Schicht (7) mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht wird, vorzugsweise, dass zumindest Kontaktierungsschicht, Diffusionsbarrierenschicht (6) und lötbare Schicht (7) in situ aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarrierenschicht (6) unmittelbar auf der Kontaktierungsschicht (5) aufgebracht wird, vorzugsweise, dass die Diffusionsbarrierenschicht (6) unmittelbar auf der Kontaktierungsschicht (5) und vorzugsweise die lötbare Schicht (7) unmittelbar auf der Diffusionsbarrierenschicht (6) aufgebracht wird oder dass zwischen lötbarer Schicht (7) und Diffusionsbarrierenschicht (6) mindestens eine, bevorzugt genau eine Zwischenschicht aufgebracht wird, bevorzugt eine Titan-Zwischenschicht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsschicht (5) mittelbar unter Zwischenschaltung zumindest einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wird, dass mittels eines LFC-Verfahrens eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Kontaktierungsschicht (5) und Halbleitersubstrat erzeugt wird, dass nach Durchführen des LFC-Verfahrens und anschließend Verfahrensschritte C und D durchgeführt werden, insbesondere, dass zwischen Durchführen des LFC-Verfahrens und Verfahrensschritt C ein Säubern und/oder Einebnen der Kontaktierungssschicht (5) erfolgt, insbesondere mittels Isopropanol und/oder mittels Aufbringen einer weiteren Schicht, insbesondere einer Aluminiumschicht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verfahrensschritt B und C ein Temperschritt erfolgt und/oder dass nach Verfahrensschritt D ein Temperschritt erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verfahrensschritten A und B in einem Verfahrensschritt A1 eine Passivierungsschicht (4) auf das Halbleitersubstrat (10) aufgebracht wird, dass in Verfahrensschritt B die Kontaktierungsschicht (5) mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die Passivierungsschicht (4) aufbracht wird und dass nach Verfahrensschritt B, bevorzugt nach Verfahrensschritt D an mehreren lokalen Bereichen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Kontaktierungsschicht (5) und Halbleitersubstrat (10) erzeugt wird, vorzugsweise mittels eines LFC-Verfahrens, insbesondere, dass nach Erzeugen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen Kontaktierungsschicht und Halbleitersubstrat ein Temperschritt erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff in die Diffusionsbarrierenschicht eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff in die Zwischenschicht aufgebracht wird, vorzugsweise, dass nach Aufbringen der Diffusionsbarrierenschicht und vor Aufbringen einer weiteren Schicht Sauerstoff in die Diffusionsbarrierenschicht eingebracht wird und nach Aufbringen der Zwischenschicht und vor Aufbringen einer weiteren Schicht Sauerstoff in die Zwischenschicht eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff in situ in einer Bearbeitungskammer, insbesondere einer Prozesskammer eingebracht wird, indem nach Abscheiden der Diffusionsbarrierenschicht und/oder der Zwischenschicht Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch in die Bearbeitungskammer, insbesondere Prozesskammer eingeleitet wird.
Photovoltaische Solarzelle, vorzugsweise hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Halbleitersubstrat (10) und einer an einer Seite des Halbleitersubstrates mittelbar oder unmittelbar angeordneten aluminiumhaltigen Kontaktierungsschicht, welche Kontaktierungsschicht (5) elektrisch leitend mit dem Halbleitersubstrat (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kontaktierungsschicht (5) mittelbar oder bevorzugt unmittelbar eine Diffusionsbarrierenschicht (6) angeordnet ist, welche als Diffusionsbarriere zumindest gegenüber Aluminium wirkt, und dass auf der Diffusionsbarrierenschicht (6) bevorzugt mittelbar oder unmittelbar eine lötbare Schicht (7) aus einem lötbaren Material angeordnet ist, wobei die Kontaktierungsschicht (5) elektrisch leitend mit der lötbaren Schicht verbunden ist.
Solarzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarrierenschicht (6) unmittelbar auf der Kontaktierungsschicht (5) aufgebracht ist, vorzugsweise, dass die Diffusionsbarrierenschicht (6) unmittelbar auf der Kontaktierungsschicht (5) und die lötbare Schicht (7) unmittelbar auf der Diffusionsbarrierenschicht (6) aufgebracht ist.
Solarzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarrierenschicht (6) umfassend eines oder mehrere Stoffe der Gruppe Ti, N, W, O ausgebildet ist, vorzugsweise als TiN-Schicht, als TiW-Schicht oder TiWN-Schicht ausgebildet ist, insbesondere, dass die Diffusionsbarrierenschicht als TiN-Schicht ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle als rückseitenkontaktierbare Solarzelle ausgebildet ist, welche an der einer Rückseite mindestens einen n-dotierten Bereich und mindestens einen p-dotierten Bereich aufweist.