EP2700107A2 - Verfahren zur herstellung einer solarzelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer solarzelle

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EP2700107A2
EP2700107A2 EP12718138.6A EP12718138A EP2700107A2 EP 2700107 A2 EP2700107 A2 EP 2700107A2 EP 12718138 A EP12718138 A EP 12718138A EP 2700107 A2 EP2700107 A2 EP 2700107A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
range
paste
emitter
solar cell
layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12718138.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christine MEYER
Tobias Droste
Yvonne GASSENBAUER
Jens Dirk MOSCHNER
Peter Roth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2700107A2 publication Critical patent/EP2700107A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H01L31/022441—Electrode arrangements specially adapted for back-contact solar cells
    • H01L31/02245—Electrode arrangements specially adapted for back-contact solar cells for metallisation wrap-through [MWT] type solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
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    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H01L31/022441—Electrode arrangements specially adapted for back-contact solar cells
    • H01L31/022458—Electrode arrangements specially adapted for back-contact solar cells for emitter wrap-through [EWT] type solar cells, e.g. interdigitated emitter-base back-contacts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a solar cell from a front and a back having semiconductor substrate of a first conductivity type, in particular p- or n-silicon-based semiconductor substrate, comprising at least the method steps
  • the invention relates to a method for producing a solar cell from a semiconductor substrate of a first conductivity type, in particular p- or n-doped mono- or multicrystalline silicon substrate, which for the concepts EWT (emitter wrap through), MWT (metal wrap through) as well as the Combination of MWT with PERC (passivated emitter and rear cell) achieves good insulation in the through hole.
  • EWT emitter wrap through
  • MWT metal wrap through
  • PERC passivated emitter and rear cell
  • the front-side layer of the opposite conductivity type ie in a solar cell with p-doped substrate, the n-doped emitter (EWT) and / or a metallic connection to this (MWT) is passed through the passage openings extending from the front side to the rear side then allow a contact on the back.
  • a metallization is additionally applied to the front side of the MWT cells, so that the number of through holes required is significantly lower.
  • On the back of the emitter contacts are then separated from the contacts to the base electrically to avoid short circuits. Without this separation, standard MWT cells may short out due to the back emitter, which can be removed by laser dicing or local etching back.
  • the emitter should be present only on the front side, inside the holes and back around the respective via opening, to avoid a short circuit between emitter contact (including via) and base.
  • MWT-PERC cells which are covered with an insulating layer at the back of the emitter contact, the need for the back emitter areas around the via openings is eliminated.
  • no metallization in the through holes is required for EWT cells.
  • partial or full metallization of the through holes is often made.
  • the invention is also applicable, wherein a selective electrical contacting of the emitter, but not the base is required.
  • a short circuit can occur, in particular, due to the direct contact of the emitter contact with the base, which can occur on the rear as well as in the interior of the plated-through hole.
  • This short circuit can be prevented in MWT-PERC cells by inserting the passivation layer on the back and on the inside of the plated-through holes as insulation between base material and emitter contact (WO-A-2009/071561).
  • any solution used for solar cells is conceivable.
  • a selective emitters ter ie an emitter which has a different doping profile in different regions, can be used (US-A-2010/243040).
  • a masking for protecting the front side emitter and / or for protecting the emitter layer in the vias (through openings) as well as in the region of the emitter contacts on the back can be used (WO-A-2010/081505).
  • the backside can already be protected by a mask / diffusion barrier before the diffusion (step c)), so that the emitter is formed only in defined areas (eg EP-A-2 068 369, Thaidigsmann-EUPVSEC-2010).
  • the back can be smoothed (polishing sets).
  • a passivation layer ie a single layer or a multi-layer system, consisting for. B. from dielectrics or semiconductors with a large band gap, on the back base areas or the entire back. Subsequent opening of this Passivier für in sub-areas, which serve the subsequent contacting of the base.
  • the latter can be done, for example, in a laser process or by means of an etching paste.
  • the opening of the passivation layer can also be omitted, depending on the further processing, in particular in the case of flame-through Al paste and LFC (laser-fired contacts).
  • h Production of metallic compounds and their connection to the corresponding semiconductor regions.
  • the metal is often applied in the form of a screen printing paste, which forms its final conductivity and the connection to the semiconductor material by subsequent sintering (high temperature step).
  • Age- natively, other, eg thermal / physical or chemical methods of metallization are conceivable.
  • the production of these contact areas to the emitter (emitter contact pads) as well as the contact areas to the back, so base side can be done in one step and at the same time with the production of the transition metallization or separately in several steps z.
  • the material is applied to all or part of the back and the local contacts are made using LFC (laser-fired contacts) (Clement 2010).
  • LFC laser-fired contacts
  • a local back surface field is created, the so-called local BSF (back surface field).
  • steps e) and f) are omitted.
  • step h3) the contact with the base is formed over the whole area with the restriction of the emitter contact pads and optionally also base contact pads.
  • a back surface field accordingly forms not only locally, but over most of the back surface.
  • the rear emitter Since the rear emitter is not removed in the region of the contact pads or isolated by a dielectric from the base, in addition, a transection of the rear emitter region around the contact pads around, z. B. with the help of a laser. In the remaining area of the rear side, the existing emitter layer is overcompensated by the conductive layer applied over the whole area, such as Al layer.
  • Another method for producing defined emitter areas is the application of a barrier layer even before diffusion (EP-A-2 068 369).
  • the dielectric must be applied to the entire inside of the hole in sufficient thickness.
  • the inlet side is typically coated thicker, and the thickness decreases in the through opening to the other side. This results in a high material consumption in order to achieve the necessary insulating thickness even at the thinnest point.
  • the process can be poorly controlled.
  • FIGS. 1 a to 1 d show sections of MWT cells according to the prior art, the PERC technology being used in the exemplary embodiments of FIGS. 1 c and 1 d.
  • the illustrated in section MWT cells have in the exemplary embodiment on a P-silicon-based wafer, which forms a base 12.
  • an emitter layer 14 is typically formed on the front side by means of a phosphorus dopant source, which emitter layer likewise forms in the previously formed through openings 16 and on the rear side.
  • the area in the through-holes 16 is labeled 14A.
  • the emitter region 14B present in the region around the through openings 16 on the backside of the wafer becomes the Protection against short circuits to base 12 used.
  • a PERC cell Figures lc, ld
  • phosphorus silicate glass PSG
  • a dielectric 24 is applied to the back side of the wafer, which may also partially extend parasitically into the through openings 16.
  • an antireflective layer such as silicon nitride layer 22
  • a cleaning step can take place.
  • an electrically conductive material can be introduced, at the same time solder pads are applied to the back.
  • the front or front side metallization 17 is connected at MWT cells front, which in turn contacts the emitter 14 front side.
  • the through metallization that is to say the metallization present in the passage openings, contacts the emitter directly without a front side metallization being present.
  • the rear side is provided with an electrically conductive layer such as an aluminum backside layer, wherein a back surface through a subsequent sintering process in previously opened regions of the dielectric in a PERC cell Field is formed (area 20B).
  • the back surface field extends over the entire surface of the deposited backside metallization 20.
  • the corresponding back surface field is identified by 20A.
  • the penetration of Al into the Si substrate overcompensates the back emitter.
  • the backside metallization 20 is in the region of the connection contacts for the passage metallizations z. B. recessed by masking or screen printing.
  • EWT cells In EWT cells, a separate metallization is not present at the front. Rather, there is an immediate contact between the through holes 16 penetrating through holes and the front emitter region.
  • the present invention has for its object to provide a method for producing a back-side contact solar cell, is ensured in the manufacturing technology with simple and inexpensive measures that the through-contacting between front metallization and back of the solar cell, so the electrically conductive connection to the emitter who did not contact base.
  • the invention essentially provides that a method for producing a solar cell consists of a front and a back pointing semiconductor substrate of a first conductivity type, in particular p- or n-silicon-based semiconductor substrate comprising at least the method steps
  • the invention relates in particular to a method for producing a MWT-PERC solar cell in which openings in the substrate of the solar cell are plated through and emitter regions formed by diffusion on the rear side of the solar cell are completely removed outside the via, and on the back side a dielectric layer is applied, and is characterized in that the via is a paste used which acts against the walls of the openings electrically non-contacting.
  • an insulation is created in the through holes, which is not based on the emitter formation within the through holes and in the back emitter contact regions, but that the metallization in the through hole during sintering forms a poor or non-conductive contact with the substrate, so that one can speak of a non - contacting paste.
  • this material is a paste that forms the required dielectric properties in the area of contact with the substrate.
  • PERC cells eliminate any need to coat the via with a dielectric.
  • the invention is characterized in that a paste containing glass particles, silver particles and organic substances is used as the material passing through the through holes.
  • the paste used is one in which the silver particles consist of 80% to 100% flakes which have a size distribution determined by laser diffraction of D90 in the range of 1 ⁇ to 20 ⁇ , preferably in the range of 2 ⁇ to 15 ⁇ and in particular in the range between 5 ⁇ and 12 ⁇ have.
  • the invention proposes that the paste used is one in which the glass particles have a laser diffraction-determined size distribution of D90 in the range from 0.5 ⁇ m to 20 ⁇ m, preferably in the range between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m, in particular in the range between 3 ⁇ and 8 ⁇ have.
  • a glass be used which is lead-free and has a glass softening temperature in the range between 350 ° C and 550 ° C, in particular in the range between 400 ° C and 500 ° C for the glass particles.
  • the invention provides that a paste is used whose solids content is in the range between 80% by weight and 95% by weight, preferably in the range between 84% by weight and 90% by weight.
  • a paste is used whose glass content is in the range between 1 and 15% by weight, preferably in the range between 4% by weight and 12% by weight, in particular in the range between 8% by weight and 10% by weight .- lies.
  • the paste can be introduced from the rear side into the passage openings.
  • the electrically conductive material which has the insulating properties with respect to the semiconductor substrate is introduced and hardened by thermal treatment, as in a typical sintering process, then the front-side metallization and the back-side aluminum layer are formed in the usual manner, the sequence of the method steps as mentioned Production of the front side metallization and the back contact does not necessarily have to be predetermined by the sequence reproduced above.
  • the subsequent thermal treatment as in a typical sintering process - the insulating paste is cured.
  • this does not require complete coating of the entire inner side of the hole with the dielectric applied on the back side. This is particularly advantageous for small hole diameters or large aspect ratios (wafer thickness / hole diameter).
  • the paste is cured / sintered for a time between 1 sec and 20 sec at a wafer temperature T of> 700 °, in particular 750 ° C. ⁇ T ⁇ 850 ° C. of a nitrogen atmosphere or an atmosphere consisting of nitrogen and up to 40% oxygen.
  • 4a, 4b are flow diagrams for producing a MWT or MWT PERC solar cell
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a MWT PERC cell with via metallization isolated to the base, FIG.
  • Fig. 6 is a schematic diagram of a MWT solar cell, the removal of a
  • Fig. 7 shows the schematic representation of a MWT cell with fiction, according sacrificial layer.
  • FIGS. 2a, 2b show sections of MWT or MWT-PERC solar cells produced according to the invention, wherein the same reference numerals are used in principle for the same elements. Furthermore, for reasons of simplification, a p-type silicon-based semiconductor material is assumed as the substrate or wafer, and the n-type doping layers are referred to as emitters. The following measures apply mutatis mutandis to other semiconductor materials and conductivity, without further explanation being required.
  • FIGS. 2a, 2b show in section a MWT cell, which may be referred to as a standard MWT cell, without a dielectric layer running on the back, as is the case with a PERC cell.
  • the substrate 112 (p-conducting) forming the base 112 is first provided with passage openings 116 by means of z. B. a laser process is formed. Then there is a texturing. Subsequently, by means of a phosphorus dopant source, such as gaseous POCl 3 or liquid H 3 P0 4 solution, an emitter layer 114 is formed on the front side, which also arises on the rear side of the base 112 and in the passage openings 116, possibly with different thickness.
  • a phosphorus dopant source such as gaseous POCl 3 or liquid H 3 P0 4 solution
  • the PSG (phosphorus silicate glass) layer formed during the diffusion process is removed in HF-containing solution.
  • An antireflection coating 122 can then be applied on the front side.
  • a paste is introduced, which closes the passage openings 116 and extends from the front side of the substrate to the rear side and along the same, as illustrated by the schematic illustration.
  • the paste has the properties such that it has an insulating effect after hardening or sintering with respect to the p-type substrate 112, ie the base, otherwise forms the required through metallization, as is required for MWT cells, to be electrically conductive Making connections from the front emitter to the back. Then, in the usual way, a front-side metallization 117, which contacts the via paste, and an electrically conductive layer, such as aluminum layer 120, are applied over the entire surface on the back outside the contacts with the through-metallizations, so that a back surface field (BSF layer) 120a is formed can.
  • BSF layer back surface field
  • the emitter extends through the through openings 116 and along the rear side, an electrical insulation of the Al layer 120 takes place from the rear-side emitter layer by laser irradiation, as described with reference to FIGS. 1a, 1b has been explained.
  • the emitter 114 can be seen to extend exclusively along the front side of the solar cell. On the back and in the through holes 116, an emitter layer is not present.
  • the emitter extends in sections within the passage openings 116.
  • FIGS. 3a, 3b which reproduce a section of a PERC cell, differs from that of FIGS. 2a, 2b in that a dielectric layer 224 extends at least along the rear side of the substrate 212.
  • Dielectric layer 224 may be an oxide as disclosed in EP-A-2 068 369, the disclosure of which is incorporated by reference.
  • the dielectric layer 224 which may also be a layer system, is made of silicon or aluminum oxide with a silicon nitride capping layer.
  • FIG. 4b The course of the process for producing the MWT-PERC cell according to FIGS. 3a, 3b is shown in FIG. 4b.
  • the backside is passivated, with the layer 224 being deposited.
  • the fiction, contemporary paste 215b is introduced into the through holes 216, which can completely fill the passage openings 216.
  • the paste is formed in such a way that a passage opening is created in the middle area, ie a so-called "soul" is present, as can also be seen in FIG the rear side metallization (metal layer 220) is applied, wherein openings in the dielectric layer 224 lead to the formation of local back surface field areas 220 B.
  • heat treatment steps are carried out in the usual way in order to enable sintering. With reference to FIGS. 5 to 7 essential aspects of the invention will be explained again.
  • Metal Wrap-Through (MWT) solar cells are cells in which the front-side metallization contacts from the backside, called back-contact cells.
  • MWT cell a metallic compound is fed from the front to the back through holes in the cell, as shown in FIG.
  • PERC Passivated Emitter and Rear Cell
  • PERC Passivated Emitter and Rear Cell
  • the present invention is concerned u. a. with the application of the PERC concept on MWT cells.
  • a hitherto unresolved problem is due to the fact that in chemical etching back of the back emitter, the front side is connected through the holes with the back. Typically, etching medium applied from the back will also reach the front through the holes. As a result, contact of the etching medium with the front side, in particular in the region of the holes, can not be ruled out, so that there also occurs an emitter-back etching which adversely affects cell performance, as shown in FIG.
  • a metal contact In the case of MWT solar cells, a metal contact must be through-contacted from the back to the front through an opening in the substrate. This metal must not be stored in electrically conductive contact with the base of the semiconductor. For standard MWT cells, the base is shielded from the metal contact by the emitter, as shown in FIG.
  • any existing emitter diffusion on the back outside the via must be completely removed, usually by flat etching.
  • an insulation is produced in the hole, which is not based on the coating in the hole, but z. B. on the electrically insulating property of a paste.
  • This works in the case of a partially or completely uncovered base, in particular even without a coating in the region of the hole or in the case of inhomogeneous coating, which does not completely cover all areas of the emitter contact.
  • the insulation is thus achieved according to the invention by an electrically non-contacting paste. In this case, the requirements for insulation in the hole can be significantly reduced.
  • An etching of the front when removing the back emitter is avoided by a suitable protection procedure, which prevents or reduces the attack of the emitter.
  • a further, inventive solution is characterized in that the emitter is protected on the front side and / or in the hole during etching back by preferably a PSG (phosphorus-silicate-glass) layer of suitable thickness.
  • PSG phosphorus-silicate-glass
  • This can be generated, for example, in a long (i.e., longer than 25 minutes) (inline) diffusion process or an oxidation step. Any etching of the front side and / or the hole will then first attack the PSG sacrificial layer, so that the emitter remains protected for a sufficiently long time, as shown in FIG.
  • Yet another self-discovery solution is characterized in that the emitter is protected on the front side and / or in the hole during back etching by another technical variant so that small amounts of etching solution passing through the holes emerge at the front, not or hardly to an attack of the emitter on the
  • Front and / or lead in the hole This can be done for example by means of a dilution or neutralization of the etching solution by a suitable applied on the front side solution.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer MWT-PERC-Solarzelle, bei der Öffnungen im Substrat der Solarzelle durchkontaktiert werden und auf der Rückseite der Solarzelle vorhandene Emitterbereiche außerhalb der Durchkontaktierung vollständig entfernt werden und auf der Rückseite eine dielektrische Schicht aufgetragen wird, wobei zur Durchkontaktierung eine Paste verwendet wird, die gegenüber dem Substrat elektrisch nicht kontaktierend wirkt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle aus einem eine Front- und eine Rückseite aufweisenden Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, insbesondere p- oder n-Silizium-basiertes Halbleitersubstrat, umfassend zumindest die Verfahrensschritte
A) Ausbilden von mehreren von der Fronseite zur Rückseite sich erstreckenden Durchgangsöffnungen,
B) Erzeugen einer Schicht eines zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps entlang der Frontseite durch Eindiffundieren eines Dotierstoffs einer Dotierstoffquelle,
C) Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Frontseite durch die Durchgangsöffnung hindurch bis zu die Durchgangsöffnungen rückseitig begrenzenden Kontaktbereichen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle aus einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, insbesondere p- oder n-dotiertes mono- oder multikristallines Siliziumsubstrat, das für die Konzepte EWT (emitter wrap through), MWT (metal wrap through) sowie auch die Kombination von MWT mit PERC (passivated emitter and rear cell) eine gute Isolation im Durchgangsloch erzielt. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle hängt u.a. von der für die auftreffende Strahlung unbedeckten Frontfläche ab. Da die Frontseitenkontakte jedoch die wirksame Fläche beschränken, sind Rückseitenkontaktzellen entwickelt worden, die als Metal Wrap Through (MWT)- und Emitter Wrap Through (EWT)-Zellen bekannt sind. Bei diesen wird die frontseitige Schicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, also bei einer Solarzelle mit p-dotiertem Substrat der n-dotierte Emitter (EWT) und/oder ein metallischer Anschluss an diesen (MWT) durch die von der Frontseite zur Rückseite verlaufenden Durchgangsöffnungen hindurchgeführt, um sodann eine Kontaktierung auf der Rückseite zu ermöglichen. Dabei wird bei den MWT-Zellen zusätzlich eine Metallisierung auf der Frontseite aufgebracht, so dass die Anzahl der benötigten Durchgangsöffnungen deutlich geringer ist. Auf der Rückseite werden sodann die Emitterkontakte von den Kontakten zur Basis elektrisch getrennt, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Ohne diese Trennung kann bei Standard-MWT-Zellen aufgrund des Rückseitenemitters ein Kurzschluss entstehen, der sich mit Hilfe eines Lasergrabens oder durch lokales Rück- ätzen beseitigen lässt. Idealerweise sollte der Emitter nur auf der Frontseite, innerhalb der Löcher und rückseitig um die jeweilige Durchkontaktierungsöffnung herum vorhanden sein, um einen Kurzschluss zwischen Emitterkontakt (incl. Durchkontaktierung) und Basis zu vermeiden. Bei MWT-PERC-Zellen, die rückseitig im Bereich des Emitterkontakts mit einer Isolationsschicht bedeckt sind, entfällt die Notwendigkeit der rückseitigen Emitterbereiche um die Durchkontaktierungsöffnungen herum. Bei EWT- Zellen wird prinzipiell keine Metallisierung in den Durchgangslöchern benötigt. Aus praktischen Gründen der besseren Leitfähigkeit wird allerdings häufig eine teilweise oder vollständige Metallisierung der Durchgangslöcher vorgenommen. Für diese Ausführung einer EWT-Zelle ist die Erfindung ebenfalls anwendbar, wobei eine selektive elektrische Kontaktierung des Emitters, jedoch nicht der Basis erforderlich ist.
Bei MWT-Zellen kann ein Kurzschluss insbesondere durch den direkten Kontakt des Emitterkontakts zur Basis entstehen, der rückseitig sowohl als auch im Inneren der Durchkontaktierungsöffnung entstehen kann. Dieser Kurzschluss lässt sich bei MWT- PERC-Zellen durch das Einfügen der Passivierschicht auf der Rückseite sowie auf der Innenseite der Durchkontaktierungen als Isolation zwischen Basismaterial und Emitterkontakt verhindern (WO-A-2009/071561). Übliche Herstellungsverfahren (z. B. Dross et al. „EV1PACT OF REAR SURFACE PASSIVATION ON MWT-PERFORMANCES", Seiten 1291 - 1294, 2006 IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Hilton Waikoloa Village, Wai- koloa, Hawaii, May 7-12, 2006; Romijn et al,„ASPIRE: A NEW INDUSTRIAL MWT CELLTECHNOLOGY ENABLING HIGH EFFICIENCIES ON THIN AND LARGE MC-SI WAFERS", 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3. - 7. Sept. 2007, Milan, Italy, Seiten 1043 bis 1049; Romijn et al: An overview of MWT cells and evolution to the ASPIRe concept: A new integrated mc - Si cell and module design for high-efficiencies, 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference (s. 2007), 1. - 5. Sept. 2008, Valencia, Spain, S. 1000 - 1005; Van den Donker et al.: The Starfire project: Towards in-line massproduction of thin high efficiency back- contacted multicrystalline Silicon solar cells, 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1. - 5. Sept. 2008, Valencia, Spain,S. 1048 - 1050; Clement et al.: Pilotline processing of highly-efficient MWT Silicon solar cells, 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6. - 10. Sept. 2010, Valencia, Spain, S. 1097 - 1101) von MWT-PERC-Solarzellen umfassen die folgenden Verfahrensschritte, ohne dass die nachstehend wiedergegebene Reihenfolge zwingend der Schrittfolge entsprechen muss: a) Ausbilden von mehreren, z. B. 16, sich von der Fronseite zur Rückseite erstreckenden Durchgangsöffnungen - auch Viaöffnungen - oder kurz Vias - oder Bohrungen oder Löcher genannt - in einem Halbleitersubstrat (Wafer) eines ersten Leitfähigkeitstyps. b) Texturierung des Wafers, ggf. mit Entfernung von Schäden durch das Sägen der Wafer und/ oder durch die Herstellung der Durchgangsöffnungen. c) Erzeugen einer Schicht eines zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch Eindiffundieren eines Dotierstoffs aus einer Dotierstoffquelle entlang der Frontseite durch z. B. POCi3-Diffusion oder H3PO4- Auftrag mit inline Diffusion. Als alternative Dotierstoffquelle ist jede für Solarzellen verwendete Lösung denkbar. Insbesondere kann auch ein selektiver Emit- ter, d. h. ein Emitter, der in unterschiedlichen Bereichen ein unterschiedliches Dotierprofil aufweist, verwendet werden (US-A-2010/243040).
d) Entfernen von der durch die Diffusion entstandenen Glasschicht. e) Entfernen des durch den Dotierstoff der Dotierstoffquelle auch auf der Rückseite ausgebildeten Rückseitenemitters in den Bereichen der Rückseite, die als Basis fungieren sollen, ggf. auf der gesamten Rückseite. Dabei kann eine Maskierung zum Schutz des Vorderseitenemitters und/oder zum Schutz der Emitterschicht in den Vias (Durchgangsöffnungen) sowie im Bereich der Emitterkontakte auf der Rückseite verwendet werden (WO-A- 2010/081505). Alternativ kann die Rückseite bereits vor der Diffusion (Schritt c)) durch eine Maske/ Diffusionsbarriere geschützt werden, so dass der Emitter nur in definierten Bereichen entsteht (s. z.B. EP-A-2 068 369, Thaidigsmann-EUPVSEC-2010). Gleichzeitig oder in einem separaten Schritt kann die Rückseite geglättet werden (Polierätzen). f) Aufbringen einer Passivierschicht, d. h. einer Einzelschicht oder eines Mehrschichtsystems, bestehend z. B. aus Dielektrika oder Halbleitern mit großer Bandlücke, auf die rückseitigen Basisbereiche oder die gesamte Rückseite. Anschließendes Öffnen dieser Passivierschicht in Teilbereichen, die der späteren Kontaktierung der Basis dienen. Letzteres kann beispielsweise in einem Laser- prozess oder mittels einer Ätzpaste erfolgen. Das Öffnen der Passivierschicht kann abhängig von der weiteren Prozessierung auch unterbleiben, insbesondere bei Durchfeuer-Al-Paste und LFC (laser-fired contacts). g) Aufbringen einer Antireflex- Schicht auf der Vorderseite. h) Herstellen von metallischen Verbindungen und deren Anschluss an die entsprechenden Halbleiterbereiche. Das Metall wird häufig in Form einer Siebdruckpaste aufgebracht, die durch anschließendes Sintern (Hochtemperaturschritt) ihre finale Leitfähigkeit sowie den Anschluss ans Halbleitermaterial ausbildet. Alter- nativ sind auch andere, z.B. thermische/physikalische oder chemische Verfahren zur Metallisierung denkbar. Drei Metallisierungsbereiche werden unterschieden: hl) Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung durch die Durchgangsöffnungen (Vias) hindurch (Durchgangsmetallisierung) bis zu den die Durchgangsöffnungen rückseitig begrenzenden Kontaktbereichen. Die Herstellung dieser Kontaktbereiche zum Emitter (Emitterkontaktpads) sowie auch die der Kontaktbereiche zur Rückseite, also Basis-Seite, können in einem Schritt und zugleich mit der Herstellung der Durchgangsmetallisierung erfolgen oder auch separat in mehreren Schritten z. B. durch Siebdruck erfolgen. Oft werden die Durchgangsöffnungen von der Rückseite gefüllt, wobei gleichzeitig metallische Bereiche als Emitter- und Basiskontaktpads aufgebracht werden können. h2) Herstellen eines entlang der Frontseite verlaufenden Frontseitenkontakts und Anschluss dieses Kontakts an die. Durchgangsmetallisierung. h3) Herstellen einer entlang der Rückseite verlaufenden leitfähigen Schicht. Der Kontakt dieser Schicht zur Basis erfolgt in der Regel lokal in den Bereichen, in denen die Passivierschicht eine Öffnung zur Basis hat. Dies kann durch Aufbringen einer nicht-Durchfeuerpaste auf Teile der oder die gesamte Rückseite erfolgen, die dann in den zuvor geöffneten Bereichen der Passivierschicht einen Kontakt erzeugt (Dross 2006). Alternativ kann eine Durchfeuerpaste auf die Bereiche aufgebracht werden, an denen ein Kontakt entstehen soll (Romijn 2007). Oder das Material wird auf die gesamte oder Teile der Rückseite aufgebracht und die lokalen Kontakte werden mit Hilfe von LFC (laser-fired contacts) erzeugt (Clement 2010). i) Sinterung der Metallkontakte in einem oder mehreren Schritten, ggf. bei unterschiedlichen Temperaturen. Hierdurch entsteht insbesondere auf der Rückseite in den geöffneten Bereichen der Passivierschicht ein lokales Rückseitenfeld, das so genannte lokale BSF (back surface field). Für eine Standard-MWT-Zelle (ohne PERC) entfallen die Schritte e) und f). Im Schritt h3) wird der Kontakt zur Basis ganzflächig mit der Einschränkung von den Emitterkon- taktpads und ggf. auch Basiskontaktpads ausgebildet. Bei der Sinterung bildet sich entsprechend ein back surface field nicht nur lokal, sondern über den größten Teil der Rückseiten- Oberfläche aus. Da der rückseitige Emitter im Bereich der Kontaktpads nicht entfernt oder durch ein Dielektrikum von der Basis isoliert wird, erfolgt zusätzlich eine Durchtrennung des rückseitigen Emitterbereichs um die Kontaktpads herum, z. B. mit Hilfe eines Lasers. Im verbleibenden Bereich der Rückseite wird die vorhandene Emitterschicht von der ganzflächig aufgetragenen leitfähigen Schicht wie Al-Schicht überkompensiert.
Verfahren zur Herstellung von MWT- Solarzellen sind der US-A-2010/70243040 oder der WO-A-2010/081505 zu entnehmen.
In mehreren Veröffentlichungen wird die Notwendigkeit zur Strukturierung des Rückseitenemitters, beispielsweise durch selektive Entstehung oder Entfernung, erwähnt. Dabei ist es erforderlich, dass, um die passivierende Wirkung der dielektrischen Schicht ausnutzen zu können, zuvor eine gegebenenfalls vorliegende Rückseitenschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, also bei einem p-Silizium-basierten Wafer die n- dotierte Emitterschicht entfernt wird. Beim chemischen Rückätzen des Rückseitenemitters tritt jedoch das Problem auf, dass das Ätzmedium in die Löcher eintritt. Somit ist nicht ausgeschlossen, dass der Emitter im Loch bereichsweise abgeätzt wird mit der Folge, dass der Wirkungsgrad der Zelle negativ beeinflusst wird. Durch die vollständige oder teilweise Entfernung des Rückseiten- und/oder Lochemitters besteht die Gefahr eines Kurzschlusses, da die Viametallisierung durch den unvollständigen Emitter hindurch die Basis kontaktieren könnte.
Bei Durchgangsöffnungen für MWT-Zellen wird vorgeschlagen, vor dem Ätzschritt eine ätzresistente Füllung zu verwenden. Der Emitter auf der Waferoberseite, auf Wänden der Durchgangsöffnungen - auch Bohrungswänden genannt - und in einem kleinen Umkreis um die Bohrung (Durchgangsöffnung) auf der Unterseite (Fläche des n - Kontaktes) wird so vor dem Ätzangriff geschützt. Die Aufbringung der Füllung und deren Entfernung nach dem Ätzen bedeuten einen zusätzlichen Aufwand in der Herstellungssequenz. Für diese Zellstruktur sind präzise definierte Emitterbereiche, auch auf der Rückseite, notwendig.
Um einen Rückseitenemitter nicht entfernen zu müssen, kann seine Entstehung lokal oder auf der gesamten Rückseite verhindert werden. Dies kann z.B. mit Hilfe einer Dif- fusionsbarriere erfolgen.
Eine weitere Methode, definierte Emitterbereiche herzustellen, ist die Aufbringung einer Barriereschicht bereits vor der Diffusion (EP-A-2 068 369).
Sofern eine Isolation der Durchgangsöffnungen zur Vermeidung von Kurzschlüssen mit Hilfe eines Dielektrikums verwendet werden soll, ergeben sich folgende Nachteile. Das Dielektrikum muss auf der gesamten Innenseite des Lochs in ausreichender Dicke aufgebracht werden. Bei Abscheidung aus der Gasphase ist typischerweise die Eintrittsseite dicker beschichtet und in die Durchgangsöffnung hinein nimmt die Dicke bis zur anderen Seite hin ab. Daraus ergibt sich ein hoher Materialverbrauch, um die notwendige isolierende Dicke auch an der dünnsten Stelle zu erreichen. Zusätzlich kann der Prozess schlecht kontrolliert werden.
Den Fig. la bis ld sind Ausschnitte von MWT-Zellen nach dem Stand der Technik zu entnehmen, wobei bei den Ausführungsbeispielen der Fig. lc und ld die PERC- Technologie zur Anwendung gelangt ist.
Die im Ausschnitt dargestellten MWT-Zellen weisen im Ausführungsbeispiel einen P- Silicium-basierten Wafer auf, der eine Basis 12 bildet. Nach Ausbilden von Durchgangsöffnungen 16 und nach Texturierung und optionalem Polierätzen der Rückseite des Wafers wird typischerweise mittels einer Phosphordotierstoffquelle frontseitig eine Emitterschicht 14 ausgebildet, die sich ebenfalls in den zuvor ausgebildeten Durchgangsöffnungen 16 sowie auf der Rückseite ausbildet. Der Bereich in den Durchgangsöffnungen 16 ist mit 14A gekennzeichnet. Der im Bereich um die Durchgangsöffnungen 16 herum auf der Rückseite des Wafers vorhandene Emitter-Bereich 14B wird zum Schutz vor Kurzschlüssen zur Basis 12 verwendet. Bei einer PERC-Zelle (Fig. lc, ld) wird der entlang der Rückseite des Wafers verlaufende Emitter entfernt. Das bei der Emitterherstellung entstandene Phosphor silikatglas (PSG) wird ebenfalls entfernt. Sodann wird bei der MWT-PERC -Zelle ein Dielektrikum 24 auf der Rückseite des Wafers aufgebracht, das sich teilweise auch parasitär bis in die Durchgangsöffnungen 16 hinein erstrecken kann. Vor oder nach dem Aufbringen des Dielektrikums auf der Rückseite wird eine Antireflex Schicht wie Silizium-nitridschicht 22 auf der Vorderseite des Wafers abgeschieden. Zusätzlich kann ein Reinigungsschritt erfolgen. Sodann kann in die Durchgangsöffnungen 16 bis zur Rückseite des Substrats ein elektrisch leitendes Material eingebracht werden, wobei gleichzeitig Lötpads auf der Rückseite aufgebracht werden. An die die Durchgangsöffnungen 16 durchsetzende Metallisierung, die in Form einer Paste eingebracht werden kann, wird sodann bei MWT-Zellen frontseitig die Front- oder Vorderseitenmetallisierung 17 angeschlossen, die ihrerseits den Emitter 14 frontseitig kontaktiert. Bei EWT-Zellen kontaktiert die Durchgangsmetallisierung, also die in den Durchgangsöffnungen vorhandene Metallisierung den Emitter 14 direkt, ohne dass eine Frontseitenmetallisierung vorhanden ist. Sodann wird auf der Rückseite, jedoch elektrisch isoliert von den die Durchgangsöffnungen 16 durchsetzenden elektrisch leitendem Durchkontaktierungen die Rückseite mit einer elektrisch leitenden Schicht wie Aluminium-Rückseitenschicht versehen, wobei durch einen nachfolgenden Sinterprozess in zuvor geöffneten Bereichen des Dielektrikums bei einer PERC-Zelle ein Back Surface Field ausgebildet wird (Bereich 20B). Bei einer MWT- Zelle (Fig. la, lb) ohne PERC-Technologie erstreckt sich das Back Surface Field über die gesamte Fläche der aufgebrachten Rückseitenmetallisierung 20. Das entsprechende Back Surface Field ist mit 20A gekennzeichnet. Das Eindringen von AI in das Si- Substrat überkompensiert den rückseitigen Emitter . Die Rückseitenmetallisierung 20 ist im Bereich der Anschlusskontakte für die Durchgangsmetallisierungen z. B. durch Maskentechnik oder Siebdruck ausgespart. Um einen Kurzschluss zwischen dem rückseitig verlaufenden Emitterbereich 14B und Rückseitenmetallisierung 20 zu verhindern, erfolgt eine Isolation (Bereich 23) z. B. durch Laserung oder nasschemisch.
Bei EWT-Zellen ist frontseitig eine gesonderte Metallisierung nicht vorhanden. Vielmehr erfolgt eine unmittelbare Kontaktierung zwischen den die Durchgangsöffnungen 16 durchsetzenden Durchkontaktierungen und dem frontseitig verlaufenden Emitterbereich.
Die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte sind bei der Herstellung von Rückseitenkontakts olarzellen üblich, wobei die einzelnen Verfahrensschritte in ihrer Reihenfolge ausgetauscht werden können. Ein typischer Verfahrensablauf ist der Fig. 4a zu entnehmen.
Da ein Emitter in den Durchkontaktierungsöffnungen den Kontakt zwischen der Durchgangsmetallisierung und der Basis 12 verhindert, ist es grundsätzlich nicht erforderlich, dass die sich in den Durchgangsöffnungen 16 ausgebildete Emitterschicht entfernt wird. Es tritt jedoch beim chemischen rückseitigen Abätzen der Emitterschicht das Problem auf, dass die Ätzflüssigkeit in die Durchgangsöffnungen 16 eintritt, so dass die Emitterschicht 14 A im Loch teilweise weggeätzt wird.
Aus der nicht vorveröffentlichten WO-A-2012/026812 ist es bekannt, die Durchgangsöffnungen einer MWT-Zelle mit einem Pfropfen auszufüllen, dessen elektrische Leitfähigkeit vom Mittenbereich zur Wandung der Durchgangsöffnung hin abnimmt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Rückseitenkontaktsolarzelle zur Verfügung zu stellen, bei der mit herstellungstechnisch einfachen und kostengünstigen Maßnahmen sichergestellt ist, dass die Durch- kontaktierung zwischen frontseitiger Metallisierung und Rückseite der Solarzelle, also die elektrisch leitende Verbindung zum Emitter, die Basis nicht kontaktiert.
Insbesondere soll eine einfache MWT- bzw. MWT - PERC - Zellstruktur, für die keine präzise definierten Emitterbereiche auf der Rückseite und der Lochinnenseite notwendig sind, sowie ein entsprechend einfaches Verfahren zur Herstellung derselben zur Verfügung gestellt werden. Maskierungs- und Strukturierungsschritte sollen entfallen.
Zur Lösung eines der Aspekte sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle aus einem eine Front- und eine Rückseite auf- weisenden Halbleiter Substrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, insbesondere p- oder n- Silizium-basiertes Halbleitersubstrat, umfassend zumindest die Verfahrens schritte
A) Ausbilden von mehreren von der Fronseite zur Rückseite sich erstreckenden Durchgangsöffnungen,
B) Erzeugen einer Schicht eines zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps zumindest entlang der Frontseite, z. B. durch Eindiffundieren eines Dotierstoffs einer Dotierstoffquelle,
C) Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Frontseite durch die Durchgangsöffnung hindurch bis zur Rückseite. sich dadurch auszeichnet, dass
D) zur Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung gemäß Verfahrensschritt C) ein Material verwendet wird, das gegenüber dem Halbleitersubstrat (Basis) im Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps isolierende Eigenschaften ausbildet.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung einer MWT- PERC-Solarzelle, bei der Öffnungen im Substrat der Solarzelle durchkontaktiert werden und durch Diffusion entstandene auf der Rückseite der Solarzelle vorhandene Emitterbereiche außerhalb der Durchkontaktierung vollständig entfernt werden und auf der Rückseite eine dielektrische Schicht aufgetragen wird, und zeichnet sich dadurch aus, das zur Durchkontaktierung eine Paste verwendet wird, die gegenüber den Wandungen der Öffnungen elektrisch nicht kontaktierend wirkt.
Gemäß der Erfindung wird eine Isolation in den Durchgangsöffnungen erzeugt, die nicht auf der Emitterausbildung innerhalb der Durchgangsöffnungen und in den rückseitigen Emitterkontaktbereichen basiert, sondern darauf, dass die Metallisierung in der Durchgangsbohrung während des Sinterns einen schlecht oder nicht leitenden Kontakt zum Substrat bildet, so dass man von einer nicht - kontaktierenden Paste sprechen kann. Bei diesem Material handelt es sich insbesondere um eine Paste, die im Kontaktbereich zu dem Substrat die erforderlichen dielektrischen Eigenschaften ausbildet. Bei MWT- PERC -Zellen entfällt so außerdem jegliche Notwendigkeit der Beschichtung der Durchgangsöffnung mit einem Dielektrikum.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass als das die Durchgangsöffnungen durchsetzende Material eine Paste verwendet wird, die Glaspartikel, Silberpartikel und organische Stoffe enthält.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass als Paste eine solche verwendet wird, bei der die Silberpartikel zu 80 % bis 100 % aus Flakes bestehen, die eine mit Laserbeugung bestimmte Größenverteilung von D90 im Beriech von 1 μιη bis 20 μιη, vorzugsweise im Bereich von 2 μιη bis 15 μιη und insbesondere im Bereich zwischen 5 μιη und 12 μιη aufweisen.
Bevorzugterweise schlägt die Erfindung vor, dass als Paste eine solche verwendet wird, bei der die Glaspartikel eine mit Laserbeugung bestimmte Größenverteilung von D90 im Bereich von 0,5 μιη bis 20 μιη, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 μιη und 10 μιη, insbesondere im Bereich zwischen 3 μιη und 8 μιη aufweisen.
In Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass für die Glaspartikel ein Glas verwendet wird, das bleifrei ist und eine Glaserweichungstemperatur im Bereich zwischen 350 °C und 550 °C, insbesondere im Bereich zwischen 400 °C und 500 °C aufweist.
Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass eine Paste verwendet wird, deren Feststoffanteil im Bereich zwischen 80 Gew.- und 95 Gew.- , vorzugsweise im Bereich zwischen 84 Gew.-% und 90 Gew.-% liegt.
Auch ist hervorzuheben, dass eine Paste verwendet wird, deren Glasanteil im Bereich zwischen 1 Gew.- und 15 Gew.- , vorzugsweise im Bereich zwischen 4 Gew.- und 12 Gew.- , insbesondere im Bereich zwischen 8 Gew.- und 10 Gew.- liegt.
Hinsichtlich Silberpartikel, die die Form von Flakes aufweisen ist anzumerken, dass man hierunter schuppen- bzw. plättchenartige Geometrien versteht. Dabei kann die Paste von der Rückseite her in die Durchgangsöffnungen eingebracht werden. Sobald das elektrisch leitende Material, das gegenüber dem Halbleitersubstrat die isolierenden Eigenschaften aufweist, eingebracht und durch thermische Behandlung - wie bei einem typischen Sinterprozess - ausgehärtet ist, werden sodann in gewohnter Weise die Frontseitenmetallisierung und die Rückseitenaluminiumschicht ausgebildet, wobei erwähntermaßen die Reihenfolge der Verfahrens schritte zur Herstellung der Frontseitenmetallisierung und des Rückseitenkontakts nicht zwingend durch die zuvor wiedergegebene Reihenfolge vorgegeben sein muss. In der anschließenden thermischen Behandlung - wie bei einem typischen Sinterprozess - wird die auch isolierende Paste ausgehärtet.
Es besteht damit auch die Möglichkeit, den Rückseitenemitter ohne Maske zu entfernen. Die bei Entfernung des rückseitigen Emitters und des Emitters im Loch zunächst entstehende Kurzschlussgefahr zur Basis wird durch die isolierende Paste verhindert.
Im Gegensatz zur Isolation mit einem Dielektrikum ist hierdurch eine vollständige Be- schichtung der gesamten Lochinnenseite mit dem rückseitig aufgebrachten Dielektrikum nicht nötig. Dies ist insbesondere bei kleinen Lochdurchmessern bzw. großen Aspektverhältnissen (Waferdicke/Lochdurchmesser) von Vorteil.
Insbesondere wird die Paste über eine Zeit zwischen lsec und 20sec bei einer Wafer- temperatur T mit > 700°, insbesondere 750 °C < T < 850 °C einer Stickstoffatmosphäre oder einer aus Stickstoff und bis zu 40% Sauerstoff bestehenden Atmosphäre ausgehärtet/ gesintert.
Die erfindungsgemäße Lehre gilt selbstverständlich nicht nur für MWT- bzw. MWT- PERC -Zellen, sondern auch für EWT-Zellen, ohne dass es weiterer Erläuterungen bedarf.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kom- bination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. la -ld MWT-Solarzellen im Ausschnitt nach dem Stand der Technik,
Fig. 2a, 2b erfindungsgemäße MWT-Solarzellen im Ausschnitt,
Fig. 3a, 3b erfindungsgemäße MWT-PERC-Zellen im Ausschnitt,
Fig. 4a, 4b Fließbilder zur Herstellung einer MWT- bzw. MWT-PERC-Solarzelle,
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer MWT-PERC -Zelle mit Via-Metallisierung, die zur Basis isoliert ist,
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer MWT-Solarzelle, die zur Entfernung eines
Emitters einem Ätzprozess auf der Rückseite ausgesetzt ist, und
Fig. 7 die Prinzipdarstellung einer MWT-Zelle mit erfindungs gemäßer Opferschicht.
In den Fig. 2a, 2b, 3a, 3b sind Ausschnitte von erfindungs gemäß hergestellten MWT- bzw. MWT-PERC- Solarzellen dargestellt, wobei grundsätzlich für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Ferner wird aus Gründen der Vereinfachung von einem p-Silizium-basierten Halbleitermaterial als Substrat bzw. Wafer ausgegangen, und die Schichten mit n-Dotierung werden als Emitter bezeichnet. Für andere Halbleitermaterialien und Leitfähigkeit gelten sinngemäß nachstehende Maßnahmen, ohne dass es weiterer Erläuterungen bedarf. In den Fig. 2a, 2b ist eine MWT-Zelle im Ausschnitt dargestellt, die als Standard- MWT-Zelle zu bezeichnen ist, ohne dass rückseitig eine dielektrische Schicht verläuft, wie dies bei einer PERC-Zelle der Fall ist.
Wie im Zusammenhang mit den Fig. la, lb beschrieben, werden gemäß Fig. 2a, 2b in das die Basis 112 (p-leitend) bildende Substrat zunächst Durchgangsöffnungen 116 mittels z. B. eines Laserprozesses ausgebildet. Sodann erfolgt ein Texturieren. Anschließend wird mittels einer Phosphordotierstoffquelle wie gasförmiges POCl3 oder flüssiger H3P04-Lösung frontseitig eine Emitterschicht 114 ausgebildet, die herstellungsbedingt auch auf der Rückseite der Basis 112 und in den Durchgangsöffnungen 116 entsteht, ggf. mit unterschiedlicher Dicke.
Unabhängig davon, ob auf der Frontseite des Substrats eine Opferschicht aufgebracht wird, wird die während des Diffusionsprozesses entstehende PSG (Phosphor silikat- glas)-Schicht in HF-haltiger Lösung entfernt. Sodann kann frontseitig eine Antireflex- schicht 122 aufgebracht werden. Schließlich wird in die Durchgangsöffnungen 116 eine Paste eingebracht, die die Durchgangsöffnungen 116 verschließt und sich von der Frontseite des Substrats bis zur Rückseite und entlang dieser erstreckt, wie die Prinzipdarstellung verdeutlicht. Dabei weist die Paste die Eigenschaften auf, so dass sie nach dem Aushärten bzw. Sintern gegenüber dem p-leitenden Substrat 112, also der Basis, isolierend wirkt, ansonsten die erforderliche Durchgangsmetallisierung bildet, wie diese bei MWT-Zellen erforderlich ist, um elektrisch leitende Verbindungen von dem frontseitigen Emitter zu der Rückseite hin herzustellen. Sodann wird in gewohnter Weise eine Frontseitenmetallisierung 117, die die Via-Paste kontaktiert, und auf der Rückseite außerhalb der Kontaktierungen mit den Durchgangsmetallisierungen ganzflächig eine elektrisch leitende Schicht wie Aluminiumschicht 120 aufgebracht, so dass sich ein Back Surface Field (BSF-Schicht) 120a ausbilden kann.
Sofern sich entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. la, lb der Emitter durch die Durchgangsöffnungen 116 hindurch und entlang der Rückseite erstreckt, erfolgt eine elektrische Isolierung der Al-Schicht 120 von der rückseitig verlaufenden Emitterschicht durch Laserung, wie dies anhand der Fig. la, lb erläutert worden ist. Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2a erstreckt sich erkennbar der Emitter 114 ausschließlich entlang der Frontseite der Solarzelle. Auf der Rückseite und in den Durchgangsöffnungen 116 ist eine Emitterschicht nicht vorhanden. Ungeachtet dessen kann jedoch ein Kurzschluss zwischen der Durchkontaktierung der Basis, also dem p- leitenden Substrat 112, nicht auftreten, da die in den Durchgangsöffnungen 116 eingebrachte Paste nach dem Aushärten bzw. Sintern gegenüber dem Substrat elektrisch isolierend wirkt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2b erstreckt sich abschnittsweise der Emitter innerhalb der Durchgangsöffnungen 116.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3a, 3b, die einen Ausschnitt einer PERC -Zelle wiedergeben, unterscheidet sich von dem der Fig. 2a, 2b dahingehend, dass eine dielektrische Schicht 224 zumindest entlang der Rückseite des Substrats 212 verläuft. Bei der dielektrischen Schicht 224 kann es sich um ein Oxid handeln, wie dieses der EP-A-2 068 369 zu entnehmen ist, auf deren Offenbarung ausführlich verwiesen wird. Insbesondere besteht die dielektrische Schicht 224, die auch ein Schichtsystem sein kann, aus Silizium- oder Aluminiumoxid mit einer Siliziumnitrid-Deckschicht.
Der Verfahrensverlauf zur Herstellung der MWT-PERC-Zelle entsprechend der Fig. 3a, 3b ergibt sich aus der Fig. 4b. So wird nach Aufbringen der Antireflex Schicht 222 die Rückseite passiviert, wobei die Schicht 224 abgeschieden wird. Sodann wird in die Durchgangsöffnungen 216 die erfindungs gemäße Paste 215b eingebracht, die die Durchgangsöffnungen 216 vollständig ausfüllen kann. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Paste derart ausgebildet ist, dass im Mittenbereich eine Durchgangsöffnung entsteht, also eine sogenannte„Seele" vorhanden ist, wie diese auch der Fig. lb zu entnehmen ist. Anschließend wird in gewohnter Wiese die Frontseitenmetallisierung 217 sowie die Rückseitenmetallisierung (Metallschicht 220) aufgebracht, wobei Öffnungen in der dielektrischen Schicht 224 zur Bildung lokaler Back Surface Field- Bereiche 220B führen. Hierzu erfolgen in gewohnter Weise Wärmebehandlungs schritte, um eine Sinterung zu ermöglichen. Anhand der Fig. 5 bis 7 sollen noch einmal wesentliche Aspekte der Erfindung erläutert werden.
MWT (Metal Wrap Through) -Solarzellen sind Zellen, bei denen die Kontaktierung der Vorderseitenmetallisierung von der Rückseite aus erfolgt, so genannte Rückkontaktzellen. Bei der MWT-Zelle wird dazu eine metallische Verbindung von der Vorderseite durch Löcher in der Zelle auf die Rückseite geführt, wie in Fig. 5 dargestellt.
PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) bezeichnet insbesondere die Passivierung der Rückseite durch eine dielektrische Schicht. Um diese Schicht sinnvoll aufbringen zu können, muss zuvor ein ggf. vorliegender Rückseitenemitter vollständig oder zumindest in allen Bereichen, in denen die Passivierung beabsichtigt ist, entfernt werden.
Die vorliegende Erfindung befasst sich u. a. mit der Anwendung des PERC-Konzepts auf MWT-Zellen.
Ein bisher ungelöstes Problem ist dadurch begründet, dass beim chemischen Rückätzen des Rückseitenemitters die Vorderseite durch die Löcher mit der Rückseite verbunden ist. Typischerweise wird von der Rückseite angebrachtes Ätzmedium durch die Löcher auch die Vorderseite erreichen. Dadurch kann ein Kontakt des Ätzmediums mit der Vorderseite insbesondere im Bereich der Löcher nicht ausgeschlossen werden, so dass dort ebenfalls ein Emitterrückätzen auftritt, welches die Zellperformance negativ beein- flusst, wie in Fig. 6 dargestellt.
MWT-Technologie und PERC-Technologie sind etabliert. Es ist bekannt, eine Isolationsschicht in das Loch einzubringen, die einen Kontakt zur Basis verhindert. Die Problematik des Emitterrückätzens auf der Rückseite ist im Stand der Technik nicht angesprochen.
Bei MWT- Solarzellen muss ein Metallkontakt von der Rückseite durch eine Öffnung im Substrat auf die Vorderseite durchkontaktieren. Dabei darf dieses Metall nicht in elekt- risch leitenden Kontakt mit der Basis des Halbleiters gelangen. Bei Standard-MWT- Zellen ist die Basis durch den Emitter vom Metallkontakt abgeschirmt, wie in Fig. 5 dargestellt.
Jedoch muss für eine rückseitig passivierte (PERC)- Solarzelle eine evtl. vorhandene Emitterdiffusion auf der Rückseite außerhalb der Durchkontaktierung vollständig entfernt werden, in der Regel durch flächiges Abätzen.
Gemäß einer ersten erfindungs gemäßen Lösung wird eine Isolation in dem Loch erzeugt, die nicht auf der Beschichtung im Loch basiert, sondern z. B. auf der elektrisch isolierenden Eigenschaft einer Paste. Diese funktioniert so bei teilweise oder vollständig freigelegter Basis insbesondere auch ohne Beschichtung im Bereich des Lochs bzw. bei inhomogener Beschichtung, die nicht alle Bereiche des Emitterkontakts vollständig abdeckt. Die Isolation wird somit erfindungsgemäß durch eine elektrisch nicht- kontaktierende Paste erreicht. In diesem Fall können die Anforderungen an die Isolation im Loch deutlich reduziert werden.
Eine Anätzung der Vorderseite beim Entfernen des Rückseitenemitters wird durch ein geeignetes Schutz verfahren vermieden, das den Angriff des Emitters unterbindet oder vermindert.
Eine weitere, eigenerfinderische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass der Emitter auf der Vorderseite und/oder im Loch beim Rückätzen durch vorzugsweise eine PSG (Phosphor-Silikat-Glas)-Schicht geeigneter Dicke geschützt wird. Diese kann beispielsweise in einem langen (d. h. z. B. länger als 25 min) (Inline)-Diffusionsprozess oder einem Oxidations schritt erzeugt werden. Ein eventuelles Anätzen der Vorderseite und/oder des Lochs wird dann zunächst die PSG-Opferschicht angreifen, so dass der Emitter ausreichend lange geschützt bleibt, wie in Fig. 7 dargestellt.
Eine noch weitere, eigenerfinderische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass der Emitter auf der Vorderseite und/oder im Loch beim Rückätzen durch eine andere technische Variante so geschützt wird, dass geringe Mengen von Ätzlösung, die durch die Löcher an der Vorderseite austreten, nicht oder nur kaum zu einem Angriff des Emitters auf der
Vorderseite und/oder im Loch führen. Dies kann beispielsweise mittels einer Verdünnung oder Neutralisierung der Ätzlösung durch eine geeignete auf der Vorderseite aufgebrachte Lösung erfolgen.
Die drei genannten Varianten bzw. Lösungen, d. h. eine gegenüber dem Substrat elektrisch nicht kontaktierende, also isolierende Paste, die jedoch die erforderliche elektrische Leitfähigkeit zum elektrisch leitenden Verbinden des frontseitig verlaufenden Emitters zur Rückseite sicherstellt, die frontseitig aufgebrachte Opferschicht, die beim Abätzen der rückseitig verlaufenden Emitterbereiche abgeätzt wird, und die Möglichkeit, durch die Durchgangsöffnungen hindurch tretende Ätzflüssigkeit in ihrer Ätzwirkung zu schwächen, können in beliebigen Kombinationen kombiniert werden und zusätzlich auch unabhängig voreinander Verwendung finden.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle
1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle aus einem eine Front- und eine Rückseite aufweisenden Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, insbesondere n- oder p-Silizium-basiertes Halbleitersubstrat, umfassend zumindest die Verfahrensschritte
A) Ausbilden von mehreren von der Fronseite zur Rückseite sich erstreckenden Durchgangsöffnungen,
B) Erzeugen einer Schicht eines zum ersten Leitfähigkeitstyps entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps zumindest entlang der Frontseite durch Eindiffundieren eines Dotierstoffs einer Dotierstoffquelle,
C) Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Frontseite durch die Durchgangsöffnung hindurch bis zu die Durchgangsöffnungen rückseitig begrenzenden Kontaktbereichen,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
D) dass zur Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung gemäß Verfahrensschritt C) ein Material verwendet wird, das gegenüber dem Halbleitersubstrat isolierende Eigenschaften ausbildet.
2. Verfahren zur Herstellung einer MWT-PERC-Solarzelle, bei der Öffnungen im Substrat der Solarzelle durchkontaktiert werden und auf der Rückseite der Solarzelle vorhandene Emitterbereiche außerhalb der Durchkontaktierung vollständig entfernt werden und auf der Rückseite eine dielektrische Schicht aufgetragen wird, wobei zur Durchkontaktierung eine Paste verwendet wird, die gegenüber dem Substrat elektrisch nicht kontaktierend wirkt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Material bzw. die Paste, das bzw. die gegenüber dem Halbleiter Substrat die isolierende Wirkung aufweist, eine Paste verwendet wird, die zur Ausbildung der elektrisch leitenden Verbindung bei gleichzeitiger Bildung einer Isolationsschicht in den das Substrat kontaktierenden Bereichen einer Temperaturbehandlung ausgesetzt wird.
4. Verfahren nach zumindest Anspruch loder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die auf der Rückseite und den Durchgangsöffnungen verlaufende Schicht des zum ersten Leitfähigkeitstyp eingesetzten Leitfähigkeitstyps durch Kontakt der Waferunterseite mit einer Ätzlösung nasschemisch geätzt wird.
5. Verfahren nach zumindest Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass als das die gegenüber dem Halbleitersubstrat isolierenden Eigenschaften aufweisende Material eine Paste verwendet wird, die durch thermische Behandlung ausgehärtet wird, wobei das Aushärten vorzugsweise über eine Zeitdauer zwischen lsec und 20 sec bei auf einer Temperatur des Substrats von zumindest 700 °C, vorzugsweise 700 °C - 900 °C, insbeosdnere 750 °C bis 850 °C in Stickstoff- oder Stickstoff-Sauerstoff- Atmosphäre durchgeführt wird.
6. Verfahren nach zumindest Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass als das die Durchgangsöffnungen durchsetzende Material eine Paste verwendet wird, die Glaspartikel, Silberpartikel und organische Stoffe enthält.
7. Verfahren nach zumindest Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Paste eine solche verwendet wird, bei der die Silberp artikel zu 80 % bis 100 % aus Flakes bestehen, die eine mit Laserbeugung bestimmte Größen vertei- lung von D90 im Beriech von 1 μιη bis 20 μιη, vorzugsweise im Bereich von 2 μιη bis 15 μιη und insbesondere im Bereich zwischen 5 μιη und 12 μιη aufweisen.
8. Verfahren nach zumindest Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Paste eine solche verwendet wird, bei der die Glaspartikel eine mit Laserbeugung bestimmte Größenverteilung von D90 im Bereich von 0,5 μιη bis 20 μιη, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 μιη und 10 μιη, insbesondere im Bereich zwischen 3 μιη und 8 μιη aufweisen.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Glaspartikel ein Glas verwendet wird, das bleifrei ist und eine Glaserweichungstemperatur im Bereich zwischen 350 °C und 550 °C, insbesondere im Bereich zwischen 400 °C und 500 °C aufweist.
10. Verfahren nach zumindest Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Paste verwendet wird, deren Feststoffanteil im Bereich zwischen 80 Gew.- und 95 Gew.- , vorzugsweise im Bereich zwischen 84 Gew.- und 90 Gew.- liegt.
11. Verfahren nach zumindest Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Paste verwendet wird, deren Glasanteil im Bereich zwischen 1 Gew.- und 15 Gew.- , vorzugsweise im Bereich zwischen 4 Gew.- und 12 Gew.- , insbesondere im Bereich zwischen 8 Gew.- und 10 Gew.- liegt.
12. Solarzelle hergestellt nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11.
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