WO2010060944A1 - Verfahren zur herstellung eines metallkontakts auf einem mit einer schicht versehenen halbleitersubstrat - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines metallkontakts auf einem mit einer schicht versehenen halbleitersubstrat Download PDF

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WO2010060944A1
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metal
contact
layer
fluid
electrically conductive
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PCT/EP2009/065868
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Jörg Horzel
Gunar Schubert
Stefan Dauwe
Peter Roth
Tobias Droste
Wilfried Schmidt
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Schott Solar Ag
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a particular strip-shaped electrically conductive metal contact on a semiconductor device, such as a solar cell, the surface side on a substrate, a layer such as dielectric layer such as passivation of z.
  • a semiconductor device such as a solar cell
  • a layer such as dielectric layer such as passivation of z.
  • silicon nitride, silica, titanium oxide for example, silicon nitride, silica, titanium oxide.
  • the solar cells and solar modules currently available on the market rely on crystalline silicon as the solar cell material.
  • the predominant part of these solar cells is based on methods in which firstly the near-surface region of a plate-shaped or disc-shaped substrate is doped with a diffusion method inversely to the doping of the base material (substrate) via a diffusion process as the starting wafer, which basically has a homogeneous output doping.
  • p-doped Si starting wafers are n-doped with a phosphorus diffusion on at least one surface - usually the light-receiving side - or part of the surface.
  • n-doped crystalline Si starting material is used as a solar cell material and p-doped with diffusion processes (for example with boron) or alloying processes (aluminum) on at least one of the surfaces or part of the surface.
  • diffusion processes for example with boron
  • alloying processes aluminum
  • the vast majority of industrially produced silicon solar cells are based on metal-paste contacts, which tap the current on both sides of the semiconductor junction and transport them to collecting contacts - so-called beam / busbars or soldering pads / pads - which allow to solder solder joints and solder the solar cells to interconnect a solar module with each other electrically.
  • the metal pastes used to contact the solar cells allow the contacting of silicon surfaces by dielectric layers such as SiN x : H, SiO 2 , TiO x or others.
  • dielectric layers such as SiN x : H, SiO 2 , TiO x or others.
  • the burning of organic constituents such as solvents and binders typically only very briefly passes through the maximum temperature of the sintering process ('peaking', 'sintering spike').
  • the glass frit contained in the Ag paste which contains metal oxides, first soft, then liquid and wets the surface of the solar cell.
  • the glass frits and other inorganic additives are often chosen to etch through any dielectric layers present on the wafer surface.
  • the metal oxides exchanges contained in the glass melt act in a redox reaction with the silicon surface. This produces SiO x and reduced metal ions which are dissolved in the melt.
  • the molten glass thus partially etches into the silicon surface and Ag is dissolved in the molten glass and the metal ions contained therein.
  • Ag is preferably epitaxially deposited on the silicon surface on ⁇ 111> surfaces.
  • Ag crystallites are formed in the original silicon surface, which after the cooling process are spatially and largely electrically separated from one another by the re-solidified glass intermediate layer. Above this glass layer, after sintering, there is a conductive structure of sintered-together Ag particles.
  • the conductivity of the thus produced contact between silicon and Ag is limited by the limited conductivity of the glass layer between the Ag crystallites deposited in the silicon surface and the sintered together Ag particle structure. This conductivity is determined by the thickness of the glass layer and the metal precipitates dissolved therein, which exceed the tunneling probability. increase the probability of charge carriers. Contacts with silicon with other metal pastes can also be achieved.
  • the density and size - lateral or penetration depth - of the resulting Ag crystallites in silicon and the thickness of the glass layer are strongly dependent on the temperature treatment or the glass frit used - type, amount, particle size distribution - and other inorganic additives and the furnace atmosphere during sintering / Firing the paste depending. It is aggravating that the optimum crystal density and the most conductive, ie thinnest glass layer can not necessarily be achieved at the same temperature treatment, so that a suitable temperature profile often represents a compromise of both requirements and must be achieved very reproducible in order to achieve optimal results. The process window is therefore quite small.
  • the metal structure or the glass layers of the contacts interact during cooling processes - after sintering or soldering - during soldering and during long-term interaction with substances produced in the module assembly.
  • thermal and mechanical influencing factors such as different expansion coefficients of the material composite, as well as possible chemical interactions play a role.
  • the influences mentioned can permanently adversely affect the performance of the solar cell and its contacts over the product life, ie solar module in the respective application environment. This results in necessary compromises that take into account the interaction with all candidate materials and materials during the manufacture and operation of the solar modules to ensure the required life and the maximum on solar cell level - at least temporarily - achievable efficiencies.
  • the contact structure of printed metal contacts on Si solar cells is porous and is therefore not fully suitable for aftertreatment in electroless or galvanic aqueous solutions for plating metals from the solution, since residues of the solutions used for depositing metals remain in the porous structure or can be included and later in the module network to damage the contacts and thus the solar modules can lead. Disadvantages resulting from this include loss of efficiency, delamination of the modules, discoloration of the contacts and solar cells.
  • the subject of US-A-2002/0153039 is the production of a solar cell, on the outer sides of which oxide layers are applied.
  • P 2 O 5 - and on the back B 2 ⁇ 3 material is then printed on the front side to form a phosphosilicate glass or borosilicate glass layer.
  • highly doped n ++ and p ++ layers are formed in the front and rear areas, respectively.
  • the phosphosilicate glass (PSG) or borosilicate glass layer (BSG) is then etched away by means of hydrofluoric acid.
  • PSG phosphosilicate glass
  • BSG borosilicate glass layer
  • the invention proposes a method for producing at least one in particular strip-shaped electrically conductive metal contact on a semiconductor component, such as a solar cell having on the surface side on a semiconductor substrate a layer, such as dielectric layer as Pas sivier layer, comprising the method steps,
  • the fluid used is one which additionally contains metal oxide.
  • a fluid in particular a paste, but also ink or an aerosol in question, the composition of which must ensure penetration through the layer, such as passivation layer.
  • the fluid is preferably a paste with a low weight fraction of glass frit or partially other inorganic additives, as are known from the prior art and etch through the layer as dielectric layer as the Pas sivier layer.
  • organic ingredients such as solvents and binders may be present in the paste.
  • the existing on the semiconductor substrate layer - if one is present - basically referred to as a dielectric layer, without this being intended to limit the teaching according to the Invention.
  • the hitherto single-stage metallization contact for contacting semiconductor devices by Pastenaufbringbacter with subsequent drying and sintering of the applied metal pastes is replaced by a multi-stage process, in which - according to the prior art - first a fluid such as the metal paste in narrow lines or stripes or applied selectively, dried and sintered. Then, however, the applied contact structure is removed to such an extent that the glass layer or metal oxide layer on which the metal contact structure is located largely detached and only the metal crystal regions remain on the semiconductor device surface, which directly the ohmic contact to the semiconductor, ie Form substrate, and thus make tunnel mechanisms for the contact resistance superfluous.
  • an ohmic connection to metal layers to be applied to the crystallites is thus locally present at the locations where the contact lines or points were previously baked, via the crystallites (for example, epitaxially deposited Ag crystallite areas).
  • a fluid such as a metal-containing paste is applied to the desired areas of the semiconductor device such as solar cell surface and etched through the dielectric layer such as passivation layer in subsequent drying and sintering processes and metal areas such as metal in the silicon when cooling after the maximum sintering temperature epitaxially grown in the semiconductor material such as silicon.
  • metal dissolved in the molten glass such as Ag
  • Ag paste is deposited using Ag paste.
  • the deposition is preferably carried out at locations where the semiconductor as Si surface was etched by redox reaction. There it comes to epitaxial growth of metal and Ag crystals or crystallites.
  • the contact thus formed is first partially removed in an additional etching step.
  • the glass layer which separates Ag crystallites and Ag particle structures from one another with sintered Ag paste contacts, is removed so that only the Ag crystallites which are present in the semiconductor and Si compounds are removed.
  • the semiconductor such as silicon
  • Metal particles sinter together under the influence of temperature and melting of the glass frit.
  • the glass frit also reduces metals from the surface of the metal particles.
  • a coherent metal structure is formed, which, however, has a lower density and conductivity than a dense metal layer.
  • a metallic layer with a higher conductivity and a lower contact contact resistance is deposited or applied directly in the third stage on the remaining structures of contiguous or closely adjacent Ag crystallites than is initially the case with the sintered metal contacts.
  • the Ag crystallites are conductively connected together.
  • Suitable for this purpose are all processes which achieve contacts with improved conductivity and / or long-term stability in the module assembly without significant financial or procedural additional effort and metallic contact between the ingrown in the semiconductor material metal areas (first stage of the process) and now deposited thereon metal layers.
  • processes which selectively deposit metal from chemical solutions on the metal regions (eg Ag crystallites) which have grown into the semiconductor in the case of customary Ag pastes and with those under the same conditions on semiconductor or Si surfaces or dielectric layers are suitable Layers no metal is deposited.
  • These can be, for example, electroless or galvanic metal deposition processes in which metal is selectively deposited from aqueous solutions on the metal regions grown in the semiconductor, since there are selectively advantageous electrochemical potentials relative to the remaining regions of the solar cell surface.
  • the contact contact resistance is significantly lower than that of the originally produced metal fluid as well as contact, since no tunneling mechanism is required within the separating glass layer, but the Ag crystallites are directly in good electrical contact with the semiconductor such as silicon and on the other hand are directly in metallic contact with the conductive layer of the contact lines.
  • the line conductivity of the contact can be significantly improved with the same or smaller cross-section of the contacts, since it is no longer porous contact structure with glass components, but a solid, dense metallic layer can be deposited with high conductivity.
  • the conductive material having a width B with B ⁇ 100 .mu.m, in particular with B ⁇ 60 .mu.m, preferably with B ⁇ 40 .mu.m, more preferably with B ⁇ 20 microns is applied and / or that the conductive material with a Application height with H ⁇ 15 microns, in particular with H ⁇ 10 microns, preferably with H ⁇ 5 microns, more preferably with H ⁇ 1 micron is applied.
  • Schubert does not focus on the production of solar cells with metal contacts, but rather investigates the extent to which an electrically conductive compound can be produced between the Ag crystallites forming in the substrate and the conductive silver applied to them However, it is not suitable for interconnecting solar cells, as this is not economically feasible due to its price and also neither selectively wets the Ag-crystallite, nor leads to contacts that can be contacted by the soldering used in the photovoltaic soldering to solar cell len permanently in the module assembly to connect electrically conductive. Furthermore, Schubert Leitsil- Be applied in a width that leads to shading, which would lead to a significant reduction in efficiency for solar cells.
  • the Ag or - generally - metal content in the fluids such as pastes and total amount of applied metals can be reduced in the multi-stage form of metal contact production, since the first application of the metal fluid such as paste contact a much smaller cross-section of the contact is sufficient.
  • This contact only needs to produce suitable crystallite areas in the silicon and does not need to achieve a particularly conductive cross-section in the metal structure above the glass layer, so that on the one hand with a metal paste, the weight that is applied, can be significantly reduced and on the other hand their composition exclusively can be optimized with respect to metal area formation in the semiconductor device and the desired ideal sintering process.
  • the proportion of glass in relation to the metal content in the paste is significantly increased, although this may mean that the separating glass layer is not particularly conductive. If this results in a high surface density of metal areas in the semiconductor device after the contact firing, this is to be seen as advantageous because the separating glass layer also easier in the second part process step can be removed and the higher glass content can form a larger area density of metal areas in the semiconductor material .
  • etching process a denser metal layer with a higher conductivity is deposited, so that the required metal content can be lower overall than is the case with conventional metal paste contacts. This fact justifies, in addition to process advantages and improved solar cell efficiencies, the economic applicability of the additional processing steps.
  • the contact weakly doped emitter regions (phosphorus surface concentration in Si "10 20 P atoms / cm 3 ) is not currently possible advantageous.
  • Low when trying To contact doped silicon surfaces requires higher process temperatures, more aggressive glass frits in the metal pastes, higher weight percent glass frits in the paste composition, or longer process times.
  • the glass layer between the metal structure and the crystallite areas formed in the silicon is made stronger than in the case of conventional contacts.
  • this causes the contact junction resistance to increase sharply and to limit the fill factor of the solar cell.
  • the glass layer can be completely removed after the sintering process and the contact is achieved directly on the ingrown metal areas, a low contact junction resistance can be achieved, provided that the fluid, like the paste, is optimized enough to produce close enough crystallite islands. to bring without impurities in the semiconductor junction.
  • the emitter area must be specially adapted for this purpose.
  • a metal contact can be applied to solar cells in which, for a p-type substrate, the emitter (n-type) has a concentration c of dopant atoms such as phosphorus with c ⁇ 10 20 atoms / cm 3 , in particular c ⁇ 5 • 10 19 atoms / cm 3 , in particular c ⁇ 10 19 atoms / cm 3 .
  • the inventive method is characterized in that the contact with the silicon predominantly takes place at an interface of epitaxially grown in the silicon metal crystallites and the crystallite regions are connected by a highly conductive layer with each other to interconnected contact structures, to the busbars or collecting latches (bars / busbars or soldering pads / pads) of the solar cells are coupled.
  • fluids containing Ag such as pastes
  • this does not limit the teaching according to the invention. Rather, fluids such as pastes, ink, aerosol can be used, which as metal particles instead of or in addition to Ag, eg Ni, Cu, Pd, Ti, Sn, Al, combinations of these or alloys of these.
  • pastes are used, in addition to metal and / or metal atoms and / or glass frit and oxides of at least one element from the group Pb, Cd, Zn, Bi, Sn, Sb, Al, P, B, Ti, Pd, Tl, Zr, Li, Ga, Ni or Si included.
  • the method according to the invention is preferably used for solar cells whose contact-side passivation layer consists of or contains SiO x , SiN x : H, TiO x , Al 2 O 3 , SiNO x , SiC or other passivation layers customary in the field of semiconductor components.
  • the fluid is applied in particular by printing processes such as screen printing, offset printing, pad printing, transfer printing or dispensing methods, ink jet processes, aerosol jet processes, powder coating processes, as are known from copying technology, or other selective coating processes.
  • printing processes such as screen printing, offset printing, pad printing, transfer printing or dispensing methods, ink jet processes, aerosol jet processes, powder coating processes, as are known from copying technology, or other selective coating processes.
  • fluids in the first process step to the surface of the semiconductor component which contains Ag-containing, Ni-containing, Pd-containing, Ti-containing or other metal-containing powders or metal compounds in the form of particles, for example.
  • the metal deposition on the metal layers or regions grown in the semiconductor by etching or reduction of oxide layers can take place from solutions containing Ag, Ni, Cu, Pd, Ti, Al and / or Sn.
  • the galvanic metal deposition method for forming the contacts in which individual metal areas which have grown into the semiconductor when the contact is fired are connected. can be beneficial, a light-induced influence of the galvanic potential.
  • This makes it possible, for example, to control the deposition rate and the deposition selectivity (deposition rate at contacts to n regions in comparison to those in p regions) via the electrical voltage developing in the semiconductor component such as the solar cell and the corresponding photocurrent with appropriate illuminance Taxes.
  • the electrically conductive connections to the metal regions can also be made via soldering methods, such as ultrasonic soldering or thermal soldering. Also methods such as flame spraying of metals are possible, provided that selectively the desired areas are electrically connected to each other and a direct ohmic contact between the grown in the semiconductor metal areas and the deposited metal layers.
  • Fig. 1 to 5 a method for producing a metal contact on a solar cell.
  • a solar cell 10 is shown in principle as a semiconductor device, which is generally to represent a semiconductor device and exemplified a p-type silicon substrate 12, a back contact 14 and an n ++ front region (emitter) 16 to form a np junction between the emitter 16 and the substrate 12 represent. This is necessary in order to separate the charge carriers generated by incident electromagnetic radiation and to be able to tap current or voltage via the back contact 14 and a front contact 18.
  • the design of the front contact 18 will be described below with reference to FIGS. 1 to 5 in more detail. From the basic illustration of the solar cell 10, it is also clear that the emitter 16 is covered by a dielectric layer such as passivation layer 20, which may consist of SiN x : H in the case of a silicon substrate.
  • the Ag paste in the form of strips 22, 24 is applied to the passivation layer 20 and dried.
  • the silver paste contains u. a. Metal particles, glass particles and / or metal oxides, solvents, organic binders and additives.
  • a temperature treatment is performed, which is referred to in the production of metal contacts on solar cells, so the front contacts, as firing or sintering.
  • a glass matrix or metal oxide matrix wets both the Ag particle structure and the electrical passivation layer 20 and etches through this layer 20 locally (FIG. X).
  • Ag crystallites 26, 28 then precipitate in the emitter 16 (FIG. 3).
  • the originally applied metal structure ie the constituents of the silver paste present after firing or sintering, and the regions of the passivation layer 20 present below the silver paste are then removed.
  • This can be done by reducing or etching chemical treatment steps that substantially completely remove the resulting during firing or sintering on the emitter 16 glass or metal oxide layers, as is illustrated in FIG. 4.
  • the glass or metal oxide layer is undercut, so that it is removed with the metal contact structure located on it and the layer present on the substrate in the region of the glass or metal oxide layer. Only the crystallites 26, 28 that have grown into the emitter 16 remain, which protrude to the surface of the emitter 16 (region 30, 32).
  • oxide layers present on the surface of the crystallites 26, 28 are removed. removed. Then, preferably, galvanically or electrolessly, metal is deposited on the corresponding regions 30, 32 from a solution in order to form the metal or front contact 18 (FIG. 5).
  • the deposited metal layers must enable good ohmic electrical conductivity to the remaining metal contacts, ie the crystallites 26, 28, and thus connect the crystallites in the silicon to one another in an electrically conductive manner. A present in the prior art intermediate layer between crystallites 26, 28 and the front contact is not present.
  • Preferred process parameters and materials in the formation of the metal front contacts 18 result from the following embodiment.
  • a preferred form of application of the teaching according to the invention is, for example, the application of a silver paste on the light-receiving side of a solar cell, which is provided with an n + -Emitter and an overlying SiNx: H Pas sivtechniks layer.
  • the silver paste is usually applied in line-like equidistant arrangements.
  • screen printing methods which apply Ag paste lines of a typical range of 40 ⁇ m to 140 ⁇ m at intervals of 1 mm to 3 mm are suitable for this purpose.
  • Perpendicular to these lines usually elongated areas are applied with silver paste, which are significantly wider.
  • These so-called "busbars" or collective contacts on the front side of the solar cell are typically between 0.5 mm and 3 mm wide and are printed symmetrically to the cell center as two or three collective contacts Solar modules can be electrically connected to each other.
  • the height of the printed Ag paste contacts can be chosen significantly lower in the method described here than in conventional methods in which only screen printing contacts are used, since the actual line conductivity of the contacts is generated by the galvanic reinforcement of the contact lines. Instead of typical application heights of approx. 10 ⁇ m to 15 ⁇ m for screen printing contacts So order heights of 1 micron to 10 microns are completely sufficient.
  • the contacts are sintered in a high-temperature firing step at typically 780 0 C to 840 0 C and through the silicon nitride Pas sivier- and antireflective layer therethrough Branded into the silicon of the emitter area.
  • the silicon nitride layer is etched away below the contacts and parts of the emitter region are reduced by the glass molten metal.
  • Ag deposits epitaxially from the melt in the silicon.
  • the glass molten metal then solidifies and usually leaves Metallprezipitate in the glass layer back, which separates the ingrown epitaxially deposited Ag crystallites in the silicon from the contact structure of the originally applied Ag paste.
  • the solar cells thus produced are preferably transported in a wet-chemical continuous process through an oxidic region and glass layers of the metal contacts reducing solution (for example buffered HF solution) on roller transports continuously for a predetermined process time (typically in the range of one minute) is sufficient to undercut the separating glass layer between metal structure and Ag crystallites.
  • the solar cells are preferably processed with the front side down to ensure that the metal structure of the original contact lines due to the high density of Ag accumulates in the bottom of the wet-chemical continuous flow system and can be selectively removed there.
  • the solar cells After a subsequent rinsing step, the solar cells continue to run into a subsequent wet-chemical plant for the light-galvanic deposition of Ag, as offered, for example, by Schmid in Freudenstadt. In this plant further Ag is deposited on the exposed Ag-crystallite areas ingrown in the silicon.
  • the invention is not limited to solar cells, but rather the invention relates to all types of semiconductor devices on which an electrically conductive contact is to be applied.
  • solar cell is to be understood as a synonym.
  • the teaching according to the invention is not abandoned even if a layer is not present on the semiconductor substrate, since the other method steps are insofar iron discoveries.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich, auf ein Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Metallkontakts auf einem Halbleiterbauelement, das oberflächenseitig auf einem Halbleitersubstrat (12) eine Schicht (20) aufweist. Damit bei guter mechanischer Festigkeit geringe Übergangswiderstände auftreten, werden die Verfahrensschritte vorgeschlagen: - Aufbringen eines Partikel enthaltenden Fluids auf die Schicht, wobei die Partikel zumindest Metallpartikel und Glasfritte enthalten, - Aushärten des Fluids bei gleichzeitigem Ausbilden von Metallbereichen (26,28) in dem Substrat (12) durch Wärmebehandlung, - Entfernen des ausgehärteten Fluids einschließlich der von dem Fluid abgedeckten Bereiche der Schicht, - zur Bildung des Kontakts zwischenschichtloses Abscheiden von elektrisch leitfähigem Material (18) aus einer Lösung auf Bereiche des Halbleiterbauelements, in denen die Schicht entfernt ist bei gleichzeitig elektrisch leitendem Verbinden der in diesen Bereichen in dem Substrat (12) vorhandenen Metallbereiche (26,28).

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES METALLKONTAKTS AUF EINEM MIT EINER SCHICHT VERSEHENEN HALBLEITERSUBSTRAT
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines insbesondere streifenförmigen elektrisch leitenden Metallkontakts auf einem Halbleiterbauelement, wie einer Solarzelle, die oberflächenseitig auf einem Substrat eine Schicht, wie dielektrische Schicht wie Passivierschicht aus z. B. Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Titanoxid, aufweist.
Über 90 % der derzeit am Markt erhältlichen Solarzellen und Solarmodule greifen auf kristallines Silizium als Solarzellenmaterial zurück. Der überwiegende Teil dieser Solarzellen basiert auf Verfahren, bei denen zunächst die oberflächennahe Region eines platten- oder scheibenförmigen Substrats als Ausgangswafer, das grundsätzlich eine homogene Ausgangsdotierung aufweist, mit einem Diffusionsverfahren umgekehrt zur Dotierung des Basismaterials (Substrats) über einen Diffusionsprozess dotiert wird. Üblicherweise werden p-dotierte Si-Ausgangswafer mit einer Phosphordiffusion an mindestens einer Oberfläche - meist der Licht empfangenden Seite - oder einem Teil der Oberfläche n-dotiert. Aber auch n-dotiertes kristallines Si Ausgangsmaterial wird als Solarzellen-Material verwendet und mit Diffusionsprozessen (beispielsweise mit Bor) oder Legierungsprozessen (Aluminium) an mindestens einer der Oberflächen oder einem Teil der Oberfläche p-dotiert. Der überwiegende Teil der industriell hergestellten Siliziumsolarzellen basiert auf Metall-Pasten-Kontakten, die den Strom beidseits des Halbleiter-Übergangs abgreifen und zu Sammelkontakten - so genannten Balken/busbars oder Lötinseln/Pads - transportieren, die es erlauben, Lötverbinder aufzulöten und die Solarzellen in einem Solarmodul miteinander elektrisch zu verschalten. Die zur Kontaktherstellung der Solarzellen eingesetzten Metall-Pasten ermöglichen beispielsweise das Kontaktieren von Siliziumoberflächen durch dielektrische Schichten wie SiNx:H, SiO2, TiOx oder andere hindurch. Überwiegend werden bislang Ag-Pasten mit einem geringen Gewichtsanteil Glasfritten bzw. teilweise anderen anorganischen Additiven eingesetzt, die bei vergleichsweise hohen Temperaturen (700 0C - 900 0C) gesintert werden. Während des typischerweise relativ kurzen Sinterprozesses wird nach dem Ausbrennen von organischen Bestandteilen wie Lösungsmitteln und Bindern typischerweise nur sehr kurz die Maximaltemperatur des Sinterprozesses durchfahren (,peak firing'; ,sintering spike'). Während des Sinterprozesses wird die in der Ag-Paste enthaltene Glasfritte, die Metalloxide enthält, zunächst weich, dann flüssig und benetzt die Oberfläche der Solarzelle. Die Glasfritten und anderen anorganischen Zusätze werden häufig so gewählt, dass sie durch eventuell auf der Waferoberfläche vorhandene dielektrische Schichten hindurch ätzen. Die in der Glasschmelze enthaltenen Metalloxide Wechsel wirken in einer Redox-Reaktion mit der Siliziumoberfläche. Dabei entstehen SiOx und reduzierte Metallionen, die in der Schmelze gelöst sind. Die Glasschmelze ätzt so teilweise in die Siliziumoberfläche und Ag wird vom geschmolzenen Glas und den darin enthaltenen Metall-Ionen darin gelöst. Während des Abkühlprozesses wird Ag an der Siliziumoberfläche bevorzugt an <111>- Oberflächen epitaktisch abgeschieden. Es entstehen in der ursprünglichen Siliziumoberfläche Ag-Kristallite, die nach dem Abkühlprozess durch die wieder erstarrte Glas- Zwischenschicht räumlich und weitgehend elektrisch voneinander getrennt sind. Oberhalb dieser Glasschicht befindet sich nach dem Sintern ein leitfähiges Gefüge aus zusammengesinterten Ag-Partikeln. Die Leitfähigkeit des so hergestellten Kontaktes zwischen Silizium und Ag wird eingeschränkt durch die begrenzt leitfähige Glasschicht zwischen den in der Siliziumoberfläche abgeschiedenen Ag-Kristalliten und dem zusammengesinterten Ag-Partikelgefüge. Diese Leitfähigkeit ist durch die Dicke der Glasschicht und den darin gelösten Metallprezipitaten bestimmt, die die Tunnelwahrschein- lichkeit für Ladungsträger erhöhen. Kontakte zu Silizium mit anderen Metallpasten sind gleichfalls realisierbar.
Elemente wie Ag, Ni, Pd, Zn, Ti, Pb, Sn, Sb, Bi, Al, B und andere werden bereits seit Jahren in Pasten zumeist als Bestandteile in oxidischer Form, bzw. innerhalb einer Glasmatrix eingesetzt, um Kontakt zu Silizium herzustellen. Soll jedoch durch eine dielektrische Schicht - zumeist eine vorteilhafte Passivierschicht auf der Siliziumoberfläche - hindurch kontaktiert werden, sind Ag-Pasten, die Glasfritten enthalten und bei höheren Prozesstemperaturen (> Glas Schmelzpunkt) eingebrannt werden, zu bevorzugen, da es sich hierbei um ein vergleichsweise einfaches Verfahren bei gleichzeitig erzielbarem hohen Durchsatz und industrieller Wirtschaftlichkeit handelt.
Die Dichte und Größe - lateral bzw. Eindringtiefe - der entstehenden Ag-Kristallite in Silizium und die Dicke der Glasschicht sind dabei stark von der Temperaturbehandlung bzw. den verwendeten Glasfritten - Typ, Menge, Partikelgrößenverteilung - und anderen anorganischen Additiven sowie der Ofenatmosphäre beim Sintern/Feuern der Paste abhängig. Dabei gilt erschwerend, dass die optimale Kristalldichte und die leitfähigste, also dünnste Glasschicht nicht unbedingt bei der gleichen Temperaturbehandlung erzielt werden können, so dass ein geeignetes Temperaturprofil oft einen Kompromiss aus beiden Forderungen darstellt und überaus reproduzierbar erreicht werden muss, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Das Prozessfenster ist folglich recht klein.
Die bislang entwickelten Ag-Pasten und anderen Metallpasten sowie die zugehörigen Aufbring-, Sinter- und Kontaktierungs-Verfahren, die sich zur Kontaktierung von industriellen kristallinen Si-Solarzellen eignen und in großem Umfang eingesetzt werden, weisen eine Reihe Nachteile auf. Zu diesen Nachteilen gehören:
o Hoher Kontakt-Übergangswiderstand der Pastenkontakte zu Silizium, insbesondere bei niedrig dotierten Siliziumoberflächen (« 1020 Dotierstoff-Atome/cm3). o Relativ geringe Leitfähigkeit der Pastenkontakte durch poröses Kontaktgefüge und Glasanteile im Kontaktgefüge. Die Leitfähigkeit ist im Vergleich zu reinen Metallschichten deutlich erniedrigt. o Ein relativ hoher Anteil von Ausgangsmetallen wie Ag ist erforderlich, um eine ausreichend hohe Leitfähigkeit der Kontakte zu erzielen. Somit sind erhöhte Verbrauchs-Materialkosten und unnötige Abschattungsverluste die Folgen. o Limitierung der minimal erreichbaren Kontaktlinienbreite durch Partikelgrößen in den Pasten und erforderliche Querschnittsleitfähigkeit der Kontaktlinien im Zusammenspiel mit Pasten-Auftragsverfahren, wie Siebdruck, insbesondere dann, wenn schmale Kontaktlinien mit hoher Auftrags stärke angestrebt werden, um Lichtabschattung an der Solarzellenvorderseite zu reduzieren und/oder Emitter mit geringer Querleitfähigkeit zu kontaktieren. o Begrenzte Haftfestigkeit auf der Solarzellenoberfläche und begrenzte Dauerbeständigkeit der Kontakte. Das Metallgefüge bzw. die Glasschichten der Kontakte wechselwirken bei Abkühlprozessen - nach dem Sintern oder dem Löten - beim Löten und bei Langzeitwechselwirkung mit im Modulverbund entstehenden Stoffen. Hierbei spielen thermische und mechanische Einflussfaktoren, wie beispielsweise unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten des Material Verbundes, sowie mögliche chemische Wechselwirkungen eine Rolle. Die erwähnten Einflüsse können die Leistung der Solarzelle und ihrer Kontakte im Laufe der Produktlebensdauer, d.h. Solarmodul in jeweiliger Anwendungs-Umgebung, nachhaltig negativ beeinflussen. Daraus resultieren notwendige Kompromisse, die die Wechselwirkung mit allen in Frage kommenden Materialien und Stoffen während der Herstellung und des Betriebs der Solarmodule berücksichtigen, um die geforderte Lebensdauer zu gewährleisten und der maximal auf Solarzellenebene - zumindest vorübergehend - erzielbaren Wirkungsgrade. o Bisher kommerziell verfügbare Ag-Pasten sind nicht geeignet, um Phosphor- Emitter mit geringer Oberflächen-Dotierstoffkonzentration so zu kontaktieren, dass geringe Kontakt- Übergangs widerstände erzielt werden können und gleichzeitig hohe Füllfaktoren bei Solarzellen erreicht werden. Als Folge ergeben sich Rekombinations- Verluste in den hoch dotierten Emittern (> 1020 P- Atome/cm3) der industriell genutzten kristallinen Si- Solarzellen, die mit Ag-Pasten kontaktiert werden können. Dadurch ist der Kurzschlussstrom und Wirkungsgrad der Solarzelle limitiert. o Verwendung von schwermetallhaltigen Glasfritten wie PbOx, CdOx und somit für Gesundheit und Umwelt bedenklicher Bestandteile in den Ag-Pasten, die im Modulverbund zukünftige Richtlinien der europäischen Elektronikindustrie möglicherweise nicht mehr erfüllen werden. o Das Kontaktgefüge gedruckter Metallkontakte auf Si- Solarzellen ist porös und ist damit für eine Nachbehandlung in stromlosen oder galvanischen wässrigen Lösungen zum Abscheiden (plating) von Metallen aus der Lösung nicht uneingeschränkt geeignet, da Rückstände der eingesetzten Lösungen zum Abscheiden von Metallen im porösen Gefüge zurückbleiben oder eingeschlossen werden können und später im Modulverbund zur Schädigung der Kontakte und somit der Solarmodule führen können. Nachteile, die sich hieraus ergeben, sind u.a. Wirkungsgradverlust, Delamination der Module, Verfärben der Kontakte und Solarzellen.
Aus der US-A-4,703,553 ist ein Extrudierverfahren zur Herstellung einer Solarzelle bekannt. Um Rückseitenkontakte auszubilden, wird auf eine rückseitig verlaufende Oxidschicht eine Aluminium enthaltende Paste aufgebracht. Durch anschließende Wärmebehandlung sollen die AI-Partikel an deren Oberfläche oxidieren, wodurch die darunter liegende Oxidschicht bereichsweise entfernt werden soll. Verbleibende Aluminiumpartikel bilden eine Legierung mit dem Substratmaterial der Solarzelle. Mittels einer HCl-Lösung werden anschließend die auf dem Substrat verbliebenen Reste des Aluminiums und Aluminiumoxids entfernt. Unterhalb der so frei gelegten Bereiche befindet sich sodann ein hochdotierter p+-Bereich.
Gegenstand der US-A-2002/0153039 ist die Herstellung einer Solarzelle, auf deren Außenseiten Oxidschichten aufgebracht werden. Auf die Frontseite wird sodann P2O5- und auf die Rückseite B2θ3-Material gedruckt, um eine Phosphorsilikatglas- bzw. Borsilikatglasschicht auszubilden. Durch thermische Prozesse werden daraufhin hochdotierte n++- bzw. p++-Schichten im Front- bzw. Rückseitenbereich ausgebildet. Die Phosphorsilikatglas- (PSG) bzw. Borsilikatglasschicht (BSG) wird sodann mittels Flusssäure weggeätzt. Hierdurch bedingt werden auch die angrenzenden Bereiche der Oxidschichten teilweise mit angegriffen. Anschließend erfolgt ein Aufbringen elektrisch leitender Kon- takte. Teile der angrenzenden Oxidschichten sollen nach vollständigem Entfernen der PSG- und BSG-Schichten noch erhalten bleiben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Metallkontakts auf der Oberfläche eines Halbleiterbauelements, wie einer Solarzelle, derart weiterzubilden, dass bei guter mechanischer Festigkeit geringe Übergangswiderstände auftreten. Auch soll die Flächenerstreckung des Metallkontakts minimiert werden, um bei Solarzellen als Halbleiterbauelemente die Abschattung so gering wie möglich zu halten. Ferner soll eine sichere Kontaktierung in Oberflächenbereichen möglich sein.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vor ein Verfahren zum Herstellen zumindest eines insbesondere streifenförmigen elektrisch leitenden Metallkontakts auf einem Halbleiterbauelement, wie einer Solarzelle, das oberflächenseitig auf einem Halbleitersubstrat eine Schicht, wie dielektrische Schicht wie Pas sivier Schicht, aufweist, umfassend die Verfahrensschritte,
linien-, streifen- und/oder punktförmiges Aufbringen eines Fluids auf die Schicht, das zumindest Partikel aus Metall und Partikel aus Glasfritte enthält, wobei Oberfläche der Partikel optional beschichtet oder oxidiert ist und/oder das Fluid optional zusätzlich Metalloxid-Partikel enthält. Aushärten des Fluids durch Wärmebehandlung bei gleichzeitigem Ausbilden von:
- zusammenhängendem Metallgefüge durch Zusammensintern der Metallpartikel
- einer Glasschicht zwischen Metallgefüge und Halbleitersubstrat und
- Metallbereichen in dem Halbleitersubstrat, die durch die Glasschicht von dem Metallgefüge auf dem Halbleitersubstrat getrennt sind,
Entfernen der trennenden Glas Schicht durch Ätzen und somit gleichzeitigem Entfernen des Metallgefüges durch Unterätzen, ohne dabei die in das Halbleitersubstrat eingewachsenen Metallbereiche zu entfernen, zur Bildung des zumindest einen elektrisch leitenden Kontakts zwischenschichtloses Abscheiden von elektrisch leitfähigem Material aus einer Lösung auf den ins Halbleiterbauelement eingewachsenen Metallbereichen des Halbleiterbauelements, oberhalb derer die Glas Schicht und Metallgefügeschicht entfernt wurden, bei gleichzeitig elektrisch leitendem Verbinden der in diesen Bereichen in dem Substrat vorhandenen Metallbereiche.
Dabei ist davon auszugehen, dass die Metallbereiche während der Wärmebehandlung durch Redox-Reaktion der Metalloxide enthaltenden Glasschmelze mit dem Halbleiter- wie Si-Material und Anätzen des Halbleitermaterials und anschließendes epitaktisches Abscheiden entstehen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass als Fluid ein solches verwendet wird, das zusätzlich Metalloxid enthält.
Als Fluid kommen insbesondere eine Paste, aber auch Tinte oder ein Aerosol in Frage, wobei deren Zusammensetzung ein Hindurchätzen durch die Schicht wie Passivier- schicht sicherstellen muss.
Bei dem Fluid handelt es sich jedoch vorzugsweise um eine Paste mit einem geringen Gewichts anteil Glasfritte bzw. teilweise anderen anorganischen Additiven, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt sind und die die Schicht wie dielektrische Schicht wie die Pas sivier Schicht hindurchätzen. Auch können organische Bestandteile wie Lösungsmittel und Binder in der Paste vorhanden sein.
Nachstehend wird die auf dem Halbleitersubstrat vorhandene Schicht - sofern eine solche vorhanden ist - grundsätzlich als dielektrische Schicht bezeichnet, ohne dass hierdurch eine Beschränkung der erfindungs gemäßen Lehre erfolgen soll.
Der bisher einstufige Metallisierungskontakt zur Kontaktierung von Halbleiterbauelementen durch Pastenaufbringverfahren mit nachfolgender Trocknung und Sinterung der aufgebrachten Metallpasten wird durch ein mehrstufiges Verfahren ersetzt, bei dem - entsprechend dem Stand der Technik - zunächst ein Fluid wie die Metallpaste in schmalen Linien oder Streifen oder punktuell aufgebracht, getrocknet und gesintert wird. Sodann wird jedoch das aufgebrachte Kontaktgefüge in einem Umfang entfernt, dass die Glasschicht bzw. Metalloxidschicht, auf der sich das Metallkontaktgefüge befindet, weitgehend abgelöst werden und allein die Metallkristallit-Bereiche an der Halbleiterbauelementoberfläche verbleiben, die direkt den ohmschen Kontakt zu dem Halbleiter, also dem Substrat bilden, und somit Tunnelmechanismen für den Kontaktübergangswiderstand überflüssig machen. Nach Ablösen der porösen Metallgefüge und Glasschichten ist somit lokal an den Stellen, an denen zuvor die Kontaktlinien oder -punkte eingebrannt wurden, über die Kristallite (beispielsweise epitaktisch abgeschiedene Ag- Kristallitbereiche) eine ohmsche Verbindung zu auf den Kristalliten aufzubringenden Metallschichten gegeben.
Es ist sichergestellt, dass durch die durch das Fluid, insbesondere Metallpaste, bei der Wärmebehandlung wie beim Schmelzen auftretende Ätzwirkung die auf der Substratoberfläche vorhandene dielektrische Schicht lokal geöffnet wird, so dass über diese für die nachfolgenden Metallschichten der gewünschte elektrisch leitende Kontakt bei geringem Übergangswiderstand gewährleistet ist. Insbesondere können galvanisch oder stromlos Metallschichten wie Ag, Ni, Cu, Pd, Ti, Sn, Al abgeschieden werden. Dabei können diese in gewünschter Reihenfolge und/oder Dicke und gegebenenfalls nacheinander bzw. übereinander abgeschieden werden.
Anstatt entsprechend dem Stand der Technik einen elektrischen Kontakt zum Halbleitermaterial wie Silizium mit Metallpasten im Wesentlichen durch Aufbringen der Paste und anschließende Temperaturbehandlung bzw. Sintern herzustellen, wird erfindungsgemäß ein mehrstufiges Verfahren eingesetzt:
In einer 1. Stufe wird in einem gleichartigen oder angepassten Verfahren entsprechend dem Stand der Technik ein Fluid wie eine Metall enthaltende Paste auf die gewünschten Bereiche des Halbleiterbauelements wie Solarzellenoberfläche aufgebracht und in nachfolgenden Trocken- und Sinterverfahren die dielektrische Schicht wie Passivierschicht durchätzt und Metallbereiche wie Metallkristallite im Silizium beim Abkühlen nach der maximalen Sintertemperatur epitaktisch im Halbleitermaterial wie Silizium eingewachsen.
Beim Abkühlprozess wird in der Glasschmelze gelöstes Metall wie Ag bei Verwendung von Ag-Paste abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt bevorzugt auch an Stellen, an denen die Halbleiter- wie Si- Oberfläche durch Redox-Reaktion angeätzt wurde. Dort kommt es zu epitaktischem Wachstum von Metall- wie Ag-Kristallen bzw. -Kristalliten.
Im Vergleich zum Stand der Technik kommen andere Fluid- wie Pastenzusammensetzungen, andere Linienbreiten und Auftragshöhen für die Pasten sowie andere Sinterbedingungen in Frage, da der so entstehende Kontakt nur eine Zwischenstufe zum endgültigen Kontakt ist und somit anders optimiert werden kann. Erfindungsgemäß kann auch ein punktuelles Auftragen des Fluids, insbesondere in Reihen von Punkten erfolgen, um die elektrisch leitende Verbindung nachfolgend herzustellen.
Die Wärmebehandlung bzw. das Sintern erfolgt bei einer Temperatur Tsint > Tschm mit Tschm = Schmelztemperatur der Glasfritte, wobei bevorzugterweise 700 0C < Tsmt < 1000 0C beträgt.
In der 2. Stufe wird der so entstandene Kontakt zunächst in einem zusätzlichen Ätzschritt partiell entfernt. Dabei wird beispielsweise in Flusssäure oder anderen Oxide reduzierenden Lösungen die Glasschicht, die bei gesinterten Ag-Pasten-Kontakten Ag- Kristallite und Ag-Partikelgefüge voneinander trennt, entfernt, so dass nur noch die Ag- Kristallite, die in der Halbleiter- wie Si-Oberfläche epitaktisch eingewachsen sind, in Kontakt mit dem Halbleiter wie Silizium bleiben, während das restliche Fluid- wie Pas- tengefüge entfernt ist.
Zu dem Metall- wie Ag-Partikelgefüge ist Folgendes anzumerken. Metallpartikel sintern unter Einfluss von Temperatur und Aufschmelzen der Glasfritte zusammen. Dabei reduziert die Glasfritte unter anderem auch Metalle aus der Oberfläche der Metallpartikel. Nach Abkühlen entsteht ein zusammenhängendes Metallgefüge, das jedoch eine geringere Dichte und Leitfähigkeit als eine dichte Metallschicht aufweist. In einem weiteren Prozessschritt wird in der 3. Stufe auf den verbliebenen Strukturen von zusammenhängenden oder eng benachbarten Ag-Kristalliten direkt eine metallische Schicht mit höherer Leitfähigkeit und geringerem Kontakt-Übergangswiderstand abgeschieden oder appliziert, als dies zunächst bei den gesinterten Metallkontakten der Fall ist. Durch die Metallschicht werden die Ag-Kristallite leitfähig miteinander verbunden. In Frage hierfür kommen alle Verfahren, die ohne erheblichen finanziellen oder verfahrenstechnischen Zusatzaufwand Kontakte mit verbesserter Leitfähigkeit und/oder Langzeitbeständigkeit im Modulverbund erzielen und einen metallischen Kontakt zwischen den im Halbleitermaterial eingewachsenen Metallbereichen (erste Stufe des Verfahrens) und den nun darauf abgeschiedenen Metallschichten ermöglicht. Es eignen sich dafür beispielsweise Verfahren, die selektiv Metall aus chemischen Lösungen auf den in den Halbleiter eingewachsenen Metallbereichen (z. B. Ag-Kristallite) bei üblichen Ag- Pasten abscheiden und mit denen bei gleichen Bedingungen auf Halbleiter- wie Si- Oberflächen oder dielektrischen Schichten kein Metall abgeschieden wird. Dies können beispielsweise stromlose oder galvanische Metallabscheideverfahren sein, bei denen aus wässrigen Lösungen Metall an den im Halbleiter eingewachsenen Metallbereichen selektiv abgeschieden wird, da dort selektiv vorteilhafte elektrochemische Potenziale gegenüber den restlichen Bereichen der Solarzellenoberfläche herrschen. Da das typische Wachstum von Metallschichten beim Abscheiden aus chemischen Lösungen vorwiegend isotrop erfolgt, wachsen eng benachbarte Kristallit-Metallbereichsinseln während des Abscheideprozesses zusammen, so dass sich insgesamt wieder eine zusammenhängende leitfähige Kontaktstruktur in den gewünschten Bereichen ergibt. Der Kontakt- Übergangswiderstand ist deutlich geringer als beim ursprünglich erzeugten Metallfluid- wie -p asten- Kontakt, da kein Tunnelmechanismus innerhalb der trennenden Glasschicht mehr erforderlich ist, sondern die Ag-Kristallite einerseits direkt im elektrisch gut leitfähigen Kontakt mit dem Halbleiter wie Silizium sind und andererseits direkt in metallischem Kontakt mit der leitfähigen Schicht der Kontaktlinien sind. Die Linien- Leitfähigkeit des Kontaktes kann bei gleichem oder geringerem Querschnitt der Kontakte erheblich verbessert werden, da es sich nicht mehr um poröse Kontaktgefüge mit Glasanteilen handelt, sondern eine solide, dichte metallische Schicht mit hoher Leitfähigkeit abgeschieden werden kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass das leitfähige Material mit einer Breite B mit B < 100 μm, insbesondere mit B < 60 μm, vorzugsweise mit B < 40 μm, besonders bevorzugt mit B < 20 μm aufgebracht wird und/oder dass das leitfähige Material mit einer Auftragshöhe mit H < 15 μm, insbesondere mit H < 10 μm, vorzugsweise mit H < 5 μm, besonders bevorzugt mit H < 1 μm aufgebracht wird.
Abweichend vom Stand der Technik erfolgt ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Halbleitersubstrat und der insbesondere galvanisch oder stromlos aus einer Lösung aufgetragenen elektrisch leitenden den bzw. die Metallkontakte bildenden Materialschicht, so dass im Vergleich zum Stand der Technik ein überaus geringer Übergangswiderstand besteht.
Die nach dem Stand der Technik vorhandene isolierende Schicht zwischen dem Halbleitersubstrat und der die Metallkontakte bildenden elektrisch leitenden Schicht entfällt. Im Falle von Silber, die in dem Halbleitersubstrat die Kristallite bilden, wird nach dem Stand der Technik grundsätzlich eine Glasmatrix benötigt, die isolierend wirkt.
Nach der Dissertation von G. Schubert, Universität Konstanz (2006), „Thick Film Metallisation of Crystalline Silicon Solar Cells Mechanisms, Models, Applications", wird eine organische Matrix eingesetzt, die gleichfalls isolierend derart wirkt, dass ein unerwünschter Übergangswiderstand auftritt. Im Übrigen zielt Schubert nicht auf die Herstellung von Solarzellen mit Metallkontakten ab. Vielmehr wird nach Schubert untersucht, inwieweit zwischen den in dem Substrat sich ausbildenden Ag-Kritalliten und auf diesen aufgetragenem Leitsilber eine elektrisch leitende Verbindung herstellbar ist. Die Verwendung von Leitsilber zum Verbinden der einzelnen Kristallitbereiche ist jedoch zum Verschalten von Solarzellen nicht geeignet, da dieses aufgrund seines Preises wirtschaftlich nicht einsetzbar ist und zudem weder selektiv die Ag-Kristallitbereiche benetzt, noch zu Kontakten führt, die sich nach den in der Fotovoltaik zum Einsatz gelangenden Lötverfahren kontaktieren lassen, um Solarzellen dauerhaft im Modulverband miteinander elektrisch leitend zu verbinden. Des Weiteren wurde von Schubert Leitsil- ber in einer Breite aufgebracht werden, die zu einer Abschattung führt, die zu einer erheblichen Wirkungsgradreduzierung für Solarzellen führen würde.
Der Ag- oder - allgemein - Metallanteil in den Fluiden wie Pasten sowie insgesamt die Menge aufgebrachter Metalle kann bei der mehrstufigen Form der Metallkontaktherstellung reduziert werden, da beim ersten Aufbringen des Metallfluid- wie Pastenkontaktes ein deutlich geringerer Querschnitt des Kontaktes genügt. Dieser Kontakt muss lediglich geeignete Kristallit-Gebiete im Silizium erzeugen und braucht im Metall-Gefüge oberhalb der Glasschicht keinen besonders leitfähigen Querschnitt zu erzielen, so dass einerseits bei einer Metallpaste der Gewichts anteil, der appliziert wird, deutlich reduziert werden kann und andererseits deren Zusammensetzung ausschließlich im Hinblick auf die Metallbereichsbildung im Halbleiterbauelement und den gewünschten idealen Sinterprozess optimiert werden kann. Es ist dabei durchaus zulässig, dass beispielsweise der Glasanteil in Relation zum Metallanteil in der Paste deutlich erhöht wird, obwohl dies zur Folge haben kann, dass die trennende Glasschicht nicht besonders leitfähig ist. Sofern dabei eine hohe Flächendichte an Metallbereichen im Halbleiterbauelement nach dem Kontaktfeuern entsteht, ist dies als vorteilhaft zu sehen, da sich damit die trennende Glas schicht auch leichter im zweiten Teil Verfahrens schritt entfernen lässt und der höhere Glasanteil eine größere Flächendichte an Metallbereichen im Halbleitermaterial ausbilden kann. Beim Abscheiden der Metallschicht nach dem Ablösen der Glasschicht (Ätzprozess) wird eine dichte Metallschicht mit höherer Leitfähigkeit abgeschieden, so dass der benötigte Metallanteil insgesamt geringer sein kann, als dies bei bisher üblichen Metall-Pastenkontakten der Fall ist. Diese Tatsache rechtfertigt neben Prozessvorteilen und verbesserten Solarzellen- Wirkungsgraden die ökonomische Anwendbarkeit der zusätzlichen Bearbeitungsschritte.
Da nur eine geringe Auftragshöhe beim Aufbringen der Metallpaste notwendig ist, kommen zusätzliche Verfahren für das Aufbringen der Metallpasten in Frage, die bislang bei der industriellen Herstellung von Solarzellen nicht wirtschaftlich oder vorteilhaft genutzt werden konnten. Dies sind beispielsweise Tampondruck oder Offset-Druck, InkJet- Verfahren, Aerosoljetverfahren und andere bekannte Verfahren. Da die Auftragshöhe beim Applizieren der Pasten nicht mehr für die spätere Leitfähigkeit der Pasten entscheidend ist, können auch deutlich schmalere Kontakte appliziert werden - auch mittels Siebdruck bei Verwendung modifizierter Siebe und/oder Pasten - . Selbst kleine Unterbrechungen im Druckbild - sogar an einzelnen aneinandergereihten Punkten - sind dabei akzeptabel, sofern diese beim anschließenden Aufbau einer leitfähigen Schicht - nach Abätzen der Glasschicht und des Metallpartikel-Gefüges - wieder geschlossen werden können. Beim galvanischen oder stromlosen Abscheiden von Metallen aus Lösungen geschieht dies beispielsweise durch das laterale Wachstum der abgeschiedenen Schicht und ein Zusammenwachsen der einzelnen Metallkristallit-Gebieten.
Für die Herstellung der leitfähigen Schichten, die die Kristallit-Gebiete verbinden und direkt kontaktieren, gibt es eine Anzahl Verfahren, die neben dem Abscheiden von Metallen aus chemischen Lösungen in Frage kommen. So gibt es auch Metallpasten, die bei vergleichsweise geringen Temperaturen leitfähige Schichten und eine gute mechanische Haftung erzielen, ohne durch dielektrische Schichten ätzen zu können oder Silizium direkt kontaktieren zu können. Es reicht dabei ein geringer ohmscher Kontakt- Übergangswiderstand zu den Metallkristallit-Gebieten, die in das Halbleiterbauelement bereits eingewachsen sind. Auch Lötverfahren wie thermische oder Ultraschallverfahren und andere Verbindungsverfahren zur Kontaktierung metallischer Bereiche kommen in Frage. Die Materialauswahl ist dabei nicht auf die bisher in der Solarbranche üblichen Metalle beschränkt. Je nach Verfahren kommen auch Materialverbunde in Frage.
Die Nutzung dieser zusätzlichen Freiheits grade führt zu geringeren Kontakt- Übergangswiderständen, verbesserten Linienleitfähigkeitswerten der Metallkontaktlinien, geringerer Lichtab schattung der Solarzellen und besseren Löteigenschaften der Kontakte. Die Solarzellen weisen einen besseren Wirkungsgrad und Füllfaktor, eine bessere Haltbarkeit im Modul verbünd, verminderte Rekombination an Metalloberflächen und gegebenenfalls auch geringere Herstellungskosten auf.
Weiterhin kann eines der größten Hindernisse für derzeitig industriell gefertigte kristalline Si-Solarzellen mit Metall-Pastenkontakten aus dem Weg geschafft werden. Das Kontaktieren schwach dotierter Emitterbereiche (Phosphor- Oberflächenkonzentration im Si « 1020 P- Atome/cm3) ist derzeit nicht vorteilhaft möglich. Beim Versuch niedrig dotierte Siliziumoberflächen zu kontaktieren, müssen höhere Prozesstemperaturen, aggressivere Glasfritten in den Metall-Pasten, höhere Gewichtsanteile Glasfritten in der Pastenzusammensetzung oder längere Prozesszeiten verwendet werden. Dies hat zur Folge, dass die Glasschicht zwischen Metallgefuge und im Silizium entstehenden Kristallitbereichen stärker ausgebildet wird, als dies bei konventionellen Kontakten der Fall ist. Dies führt jedoch dazu, dass der Kontaktübergangs-Widerstand stark ansteigt und für den Füllfaktor der Solarzelle begrenzend wirkt. Kann jedoch die Glasschicht nach dem Sinterprozess komplett entfernt werden und der Kontakt direkt auf den eingewachsenen Metallbereichen erzielt werden, so ist ein geringer Kontaktübergangs- Widerstand erzielbar, sofern das Fluid wie die Paste darauf optimiert ist, ausreichend Kristallit-Inseln in engem Abstand zu erzeugen, ohne Verunreinigungen in den Halbleiterübergang zu bringen. Gegebenenfalls muss hierfür der Emitterbereich speziell ange- passt werden. Erfindung s gemäß ist es möglich auch schwach dotierte, gut zu passivie- rende Emitteroberflächen geeignet zu kontaktieren und hohe Füllfaktorwerte bei derartigen Solarzellen zu erzielen. Zusammen mit reduzierten Abschattungsverlusten sind somit die größten Unterschiede industrieller Solarzellen zu Hocheffizienz-Labor- Solarzellen überbrückbar. In Folge davon ist mit deutlich höheren Wirkungsgraden für Solarzellen zu rechnen, die industriell mit dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Erfindungsgemäß kann auf Solarzellen ein Metallkontakt aufgebracht werden, bei denen bei einem p-leitenden Substrat der Emitter (n-leitend) eine Konzentration c an Dotierstoffatomen wie Phosphor aufweist mit c < 1020 Atome/cm3, insbesondere c < 5 • 1019 Atome/cm3, insbesondere c ~ 1019 Atome/cm3.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt zum Silizium überwiegend an einer Grenzfläche von im Silizium epitaktisch gewachsenen Metallkristalliten erfolgt und die Kristallit-Bereiche durch eine hoch leitfähige Schicht miteinander zu zusammenhängenden Kontaktstrukturen verbunden werden, die an die Sammelschienen oder Sammelflecken (Balken/busbars oder Lötinseln/pads) der Solarzellen gekoppelt sind. Wurde das erfindungsgemäße Verfahren zuvor vorrangig an Ag enthaltenden Fluiden wie Pasten erläutert, so ist hierdurch eine Einschränkung der erfindungs gemäßen Lehre nicht gegeben. Vielmehr können Fluide wie Pasten, Tinte, Aerosol zum Einsatz gelangen, die als Metallpartikel anstelle oder ergänzend zu Ag, z.B. Ni, Cu, Pd, Ti, Sn, Al, Kombinationen dieser oder Legierungen von diesen enthalten.
Insbesondere werden bei dem erfindungs gemäßen Verfahren Pasten verwendet, die neben Metall und/oder Metallatome und/oder Glasfritte auch Oxide von zumindest einem Element aus der Gruppe Pb, Cd, Zn, Bi, Sn, Sb, Al, P, B, Ti, Pd, Tl, Zr, Li, Ga, Ni oder Si enthalten.
Vorzugsweise findet das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung für Solarzellen, deren kontaktseitige Passivierschicht besteht aus oder enthält: SiOx, SiNx : H, TiOx, Al2O3, SiNOx, SiC oder anderen im Halbleiterbauelementebereich üblichen Passivier- schichten.
Das Fluid wird insbesondere durch Druckverfahren wie Siebdruck, Offset-Druck, Tampondruck, Transferdruck oder Dispensverfahren, Ink-Jet- Verfahren, Aerosol-Jet- Verfahren, Pulverbeschichtungsverfahren, wie diese aus der Kopiertechnik bekannt sind, oder andere selektive Beschichtungsverfahren aufgetragen.
Es können auch Fluide im 1. Verfahrensschritt auf die Oberfläche des Halbleiterbauelements aufgetragen werden, die Ag-haltige, Ni-haltige, Pd-haltige, Ti-haltige oder andere metallhaltige Pulver bzw. Metallverbindungen in Form von Partikel z. B. aus Legierungen oder Metalloxiden enthaltenden Mischungen umfassen.
Die Metallab Scheidung auf den durch insbesondere Ätzen oder Reduktion von Oxidschichten freigelegten im Halbleiter eingewachsenen Metallschichten oder -bereichen kann aus Lösungen erfolgen, die Ag, Ni, Cu, Pd, Ti. Al und/oder Sn enthalten.
Beim galvanischen Metallabscheideverfahren zur Ausbildung der Kontakte, bei dem einzelne in den Halbleiter beim Kontaktfeuern eingewachsene Metallbereiche verbun- den werden, kann eine lichtinduzierte Beeinflussung des galvanischen Potenzials vorteilhaft sein. Damit ist es beispielsweise möglich, über die sich in dem Halbleiterbauelement wie der Solarzelle ausbildende elektrische Spannung und den entsprechenden Photostrom bei entsprechender Beleuchtungsstärke die Abscheiderate und die Abscheideselektivität (Abscheiderate an Kontakten zu n-Gebieten im Vergleich zu denen auf p- Gebieten zu beeinflussen) zu steuern. Die elektrisch leitenden Verbindungen zu den Metallbereichen können jedoch auch über Lötverfahren wie Ultraschalllötverfahren oder thermisches Löten erfolgen. Auch Verfahren wie Flammspritzen von Metallen sind möglich, sofern damit selektiv die gewünschten Bereiche miteinander elektrisch verbunden werden und ein direkter ohmscher Kontakt zwischen den im Halbleiter eingewachsenen Metallbereichen und den abgeschiedenen Metallschichten entsteht.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch anhand eines der nachfolgenden Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
Fig. 1 bis 5 ein Verfahren zur Herstellung eines Metallkontaktes auf einer Solarzelle.
In den Figuren ist rein prinzipiell eine Solarzelle 10 als Halbleiterbauelement dargestellt, die ganz allgemein ein Halbleiterbauelement repräsentieren soll und beispielhaft ein p-leitendes Siliziumsubstrat 12, einen Rückkontakt 14 und einen n++-Frontbereich (Emitter) 16 zur Ausbildung eines np-Übergangs zwischen dem Emitter 16 und dem Substrat 12 darstellen. Dies ist erforderlich, um die durch einfallende elektromagnetische Strahlung erzeugten Ladungsträger zu trennen und über den Rückkontakt 14 und einen Frontkontakt 18 Strom bzw. Spannung abgreifen zu können. Die Ausbildung des Frontkontaktes 18 wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 5 näher beschrieben. Aus der Prinzipdarstellung der Solarzelle 10 ergibt sich des Weiteren, dass der Emitter 16 von einer dielektrischen Schicht wie Passivierschicht 20 abgedeckt ist, die bei einem Siliziumsubstrat aus SiNx: H bestehen kann.
Auf die Passivierschicht 20, die auch die Funktion einer Antireflexionsschicht ausübt, wird ein Metallatome enthaltendes Fluid aufgetragen. Nachstehend wird dieses anhand einer Ag-Paste erläutert, ohne dass hierdurch die erfindungsgemäße Lehre eingeschränkt werden soll.
Zur Ausbildung der Metallkontakte 18 wird die Ag-Paste in Form von Streifen 22, 24 auf die Passivierschicht 20 aufgetragen und getrocknet. Die Silberpaste enthält u. a. Metallpartikel, Glaspartikel und/oder Metalloxide, Lösungsmittel, organische Bindemittel und Additive. Sodann wird eine Temperaturbehandlung durchgeführt, die bei der Herstellung von Metallkontakten auf Solarzellen, also den Frontkontakten, auch als Feuern oder Sintern bezeichnet wird. Bei der entsprechenden Temperaturbehandlung benetzt eine Glasmatrix oder Metalloxidmatrix sowohl das Ag-Partikelgefüge als auch die elektrische Passivierschicht 20 und ätzt durch diese Schicht 20 lokal hindurch (Fig. X). Beim Abkühlen scheiden sich sodann Ag-Kristallite 26, 28 im Emitter 16 ab (Fig. 3).
Erfindungsgemäß werden sodann das ursprünglich aufgebrachte Metallgefüge, also die nach dem Feuern bzw. Sintern vorhandenen Bestandteile der Silberpaste sowie die unterhalb der Silberpaste vorhandenen Bereiche der Passivierschicht 20 entfernt. Dies kann durch reduzierende oder ätzende chemische Behandlungs schritte erfolgen, die die während des Feuerns bzw. Sinterns auf dem Emitter 16 entstandenen Glas- bzw. Metalloxidschichten im Wesentlichen vollständig entfernen, wie dies aus der Fig. 4 verdeutlicht wird. Vorzugsweise erfolgt ein Unterätzen der Glas- bzw. Metalloxidschicht, so dass diese mit dem auf dieser sich befindenden Metallkontaktgefüge sowie die auf dem Substrat vorhandene Schicht im Bereich der Glas- bzw. Metalloxidschicht entfernt wird. Einzig und allein die in den Emitter 16 hineingewachsenen Kristallite 26, 28 verbleiben, die bis zur Oberfläche des Emitters 16 ragen (Bereich 30, 32). Gegebenenfalls auf der Oberfläche der Kristallite 26, 28 vorhandene Oxidschichten werden ent- fernt. Sodann wird vorzugsweise galvanisch oder stromlos aus einer Lösung Metall auf die entsprechenden Bereiche 30, 32 abgeschieden, um den Metall- bzw. Frontkontakt 18 auszubilden (Fig. 5). Die abgeschiedenen Metallschichten müssen eine gute ohmsche elektrische Leitfähigkeit zu den zurückgebliebenen Metallkontakten, also den Kristalli- ten 26, 28 ermöglichen und somit die Kristallite im Silizium untereinander elektrisch leitend verbinden. Eine nach dem Stand der Technik vorhandene Zwischenschicht zwischen Kristalliten 26, 28 und dem Frontkontakt ist nicht vorhanden.
Bevorzugte Verfahrensparameter und Materialien bei der Ausbildung der Metallfrontkontakte 18 ergeben sich aus dem nachstehenden Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft ergänzend näher erläutert.
Eine bevorzugte Form der Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre ist beispielsweise das Aufbringen einer Silberpaste auf die lichtempfangende Seite einer Solarzelle, die mit einem n+-Emitter und einer darüber befindlichen SiNx:H Pas sivierungs Schicht versehen ist. Die Silberpaste wird üblicherweise in linienförmigen äquidistanten Anordnungen aufgebracht. Hierfür kommen beispielsweise Siebdruckverfahren in Frage, die Ag-Pastenlinien einer typischen Bereite von 40 μm bis 140 μm in Abständen von 1 mm bis 3 mm aufbringen. Senkrecht zu diesen Linien werden üblicherweise ebenfalls längliche Bereiche mit Silberpaste aufgebracht, die deutlich breiter sind. Diese sogenannten „busbars" oder Sammelkontakte auf der Solarzellenvorderseite sind typischerweise zwischen 0,5 mm und 3 mm breit und werden als zwei oder drei Sammelkontakte symmetrisch zur Zellmitte ausgedruckt. Diese Sammelkontakte werden nach Fertigstellen der Solarzelle dazu verwendet, Lötverbinder aufzulöten, damit die Solarzellen in Solarmodulen untereinander elektrisch verbunden werden können.
Die Höhe der aufgedruckten Ag-Pastenkontakte kann beim hier beschriebenen Verfahren deutlich geringer gewählt werden als bei herkömmlichen Verfahren, bei denen ausschließlich Siebdruckkontakte verwendet werden, da die eigentliche Linien- Leitfähigkeit der Kontakte durch die galvanische Verstärkung der Kontaktlinien erzeugt wird. Anstelle typischer Auftragshöhen von ca. 10 μm bis 15 μm für Siebdruckkontakte sind also Auftragshöhen von 1 μm bis 10 μm völlig ausreichend. Nachdem die Ag- Pasten appliziert und getrocknet wurden und gegebenenfalls auch auf der Rückseite der Solarzelle Kontakte aufgedruckt wurden, werden die Kontakte in einem Hochtemperatur-Feuerschritt bei typischerweise 780 0C bis 840 0C gesintert und durch die Siliziumnitrid-Pas sivier- und Antireflexschicht hindurch ins Silizium des Emitterbereichs eingebrannt. Dabei wird die Siliziumnitridschicht unterhalb der Kontakte weggeätzt und Teile des Emitterbereichs von der Glas-Metallschmelze reduziert. Beim Abkühlen der Kontakte scheidet sich Ag epitaktisch aus der Schmelze im Silizium ab. Die Glas- Metallschmelze erstarrt anschließend und lässt üblicherweise Metallprezipitate in der Glasschicht zurück, die die eingewachsenen epitaktisch abgeschiedenen Ag-Kristallite im Silizium von dem Kontaktgefüge der ursprünglich aufgetragenen Ag-Paste trennt.
In einem nachfolgenden Prozessschritt werden bevorzugt die so erzeugten Solarzellen in einem nasschemischen Durchlaufverfahren durch eine oxidische Bereiche und Glasschichten der Metallkontakte reduzierende Lösung (beispielsweise gepufferte HF- Lösung) auf Rollentransporten kontinuierlich für eine zuvor festgelegte Prozesszeit (typischerweise im Bereich einer Minute) transportiert, die dafür ausreicht, die trennende Glasschicht zwischen Metallgefüge und Ag-Kristalliten zu unterätzen. Die Solarzellen werden dabei bevorzugt mit der Vorderseite nach unten prozessiert, um sicherzustellen, dass das Metallgefüge der ursprünglichen Kontaktlinien aufgrund der hohen Dichte von Ag sich unten im Becken der nasschemischen Durchlaufanlage anreichert und dort gezielt entnommen werden kann.
Nach einem nachfolgenden Spülschritt laufen die Solarzellen weiter in eine nachfolgende nasschemische Anlage zur lichtgalvanischen Abscheidung von Ag, wie sie beispielsweise von der Firma Schmid in Freudenstadt angeboten wird. In dieser Anlage wird auf den freigelegten ins Silizium eingewachsenen Ag-Kristallitbereichen weiter Ag abgeschieden.
Da die Metallab Scheidung aus der wässrigen Lösung heraus nahezu isotrop verläuft, wachsen benachbarte Kristallitbereiche zusammen und bilden wieder einen insgesamt zusammenhängenden leitfähigen Kontakt entlang der ursprünglich applizierten Kontakt- linien. Die Leitfähigkeit dieser Kontakte ist deutlich besser als die von siebgedruckten Ag-Kontakten und kann durch die Auftragshöhe der galvanischen Verstärkung bestimmt werden. Der entstehende Ag-Kontakt hat einen kompakten Querschnitt ohne nennenswerte Porosität und somit nahezu die Leitfähigkeit von Ag. Der Kontakt zu Silizium wird durch direkten ohmschen metallischen Kontakt zwischen Ag-Kristalliten und abgeschiedenem Ag deutlich gegenüber dem ursprünglichen Kontaktübergangswiderstand der sieb gedruckten Kontakte verbessert. Unter Umständen kann es sinnvoll sein, in einem zusätzlichen Behandlungsschritt unter Formiergas-Atmosphäre bei ca. 250 0C bis 450 0C für 10 min bis 90 min die Kontakteigenschaften weiter zu verbessern.
Das hier beschriebene Verfahren ist aber keineswegs auf dieses Anwendungsbeispiel oder Vorderseitenkontakte von Solarzellen beschränkt.
Auch ist die Erfindung nicht auf Solarzellen beschränkt, vielmehr bezieht sich die Erfindung auf alle Arten von Halbleiterbauelementen, auf denen ein elektrisch leitender Kontakt aufgebracht werden soll. Insgesamt ist der Begriff „Solarzelle" als Synonym zu verstehen.
Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Lehre auch dann nicht verlassen, wenn sich auf dem Halbleitersubstrat eine Schicht nicht befindet, da die anderen Verfahrens schritte insoweit eisenerfinderisch sind.

Claims

PatentansprücheVerfahren zur Herstellung eines Metallkontakts
1. Verfahren zum Herstellen zumindest eines insbesondere streifenförmigen elektrisch leitenden Metallkontakts auf einem Halbleiterbauelement, wie einer Solarzelle, das oberflächenseitig auf einem Halbleitersubstrat eine Schicht, wie dielektrische Schicht wie Passivierschicht, aufweist, umfassend die Verfahrensschritte,
linien-, streifen- und/oder punktförmiges Aufbringen eines Fluids auf die Schicht, das zumindest Partikel aus Metall und Partikel aus Glasfritte enthält,
Aushärten des Fluids durch Wärmebehandlung bei gleichzeitigem Ausbilden von:
- zusammenhängendem Metallgefüge durch Zusammensintern der Metallpartikel,
- einer Glasschicht zwischen dem Metallgefüge und Halbleitersubstrat und
- Metallbereichen in dem Halbleitersubstrat, die durch die Glasschicht von dem Metallgefüge auf dem Halbleitersubstrat getrennt sind,
Entfernen der trennenden Glasschicht durch Ätzen und somit gleichzeitigem Entfernen des Metallgefüges, ohne Entfernen der in das Halbleitersubstrat eingewachsenen Metallbereiche, zur Bildung des zumindest einen elektrisch leitenden Kontakts zwischenschichtloses Abscheiden von elektrisch leitfähigem Material aus einer Lösung auf den ins Halbleiterbauelement eingewachsenen Metallbereichen des Halbleiterbauelements, oberhalb derer die Glas Schicht und Metallgefügeschicht entfernt wurden, bei gleichzeitig elektrisch leitendem Verbinden der in diesen Bereichen in dem Substrat vorhandenen Metallbereiche.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbereiche durch Ausbilden von Kristalliten aus dem Metall und/oder Metallatomen hergestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid ein solches verwendet wird, das zusätzlich Metalloxid enthält und/oder Oberfläche der Metallpartikel beschichtet und/oder oxidiert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid eine Paste, eine Tinte und/oder ein Aerosol verwendet wird.
5. Verfahren nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schicht, insbesondere dielektrische Schicht, eine solche auf die Solarzelle aufgebracht wird, die aus zumindest einem Material der Gruppe SiNχ:H, SiO2, TiOx, Al2O3, SiNOx, SiC besteht und/oder enthält.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid wie die Paste durch Druckverfahren, wie Siebdruck, Offset-Druck, Tampon-Druck und/oder Transferdruck, durch Dispensverfahren, Ink-Jet- Verfahren, Aerosol-Jet- Verfahren, Pulverbeschichtungsverfahren, auf die Oberfläche aufgebracht wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid streifen-, netz- oder sternförmig aufgebracht wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid punktförmig, insbesondere in Reihen angeordneter Punkte, aufgebracht wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid ein solches verwendet wird, das zumindest ein Oxid aus der Gruppe Pb, Cd, Zn, Bi, Sn, Sb, Al, P, B, Ti, Pd, Tl, Zr, Li, Ga, Ni oder Si enthält.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallpartikel solche verwendet werden, die zumindest ein Metall aus der Gruppe Ag, Ni, Cu, Pb, Ti, Sn, Al oder eine oder mehrere Legierungen dieser enthalten.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das getrocknete Fluid durch Ätzen, wie nass- oder trockenchemische Ätzverfahren oder Plasmaätzverfahren, entfernt wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass durch galvanisches oder stromloses Metallabscheide verfahren das elektrisch leitfähige Material auf die Oberfläche der Halbleiterbauelemente aufgebracht wird.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Abscheidens des elektrisch leitfähigen Materials aus der Lösung das elektrisch leitfähige Material durch Lötverfahren, wie Ultraschalllötverfahren, oder thermisches Löten oder durch Aufbrenn verfahren, wie Flammspritzen, aufgebracht wird.
14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitfähiges Material eine Metallpaste verwendet wird.
15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanische Abscheiden des elektrisch leitfähigen Materials lichtinduziert beeinflusst wird.
16. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material mit einer Breite B mit B < 100 μm, insbesondere mit B < 60 μm, vorzugsweise mit B < 40 μm, besonders bevorzugt mit B < 20 μm aufgebracht wird.
17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material mit einer Auftragshöhe mit H < 15 μm, insbesondere mit H < 10 μm, vorzugsweise mit H < 5 μm, besonders bevorzugt mit H < 1 μm aufgebracht wird.
18. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleitersubstrat verwendet wird, das in seinen mit dem elektrisch leitfähigen Material zu kontaktierenden Bereichen eine Dotierstoffkonzentration C mit C < 1020 Atome/cm3, vorzugsweise C < 5 • 1019 Atome/cm3, insbesondere C ~ 1019 Atome/cm3 aufweist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013089047A1 (ja) * 2011-12-12 2013-06-20 シャープ株式会社 太陽電池モジュールおよび太陽光発電システム

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010027747A1 (de) * 2010-04-14 2011-10-20 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls mit rückseitenkontaktierten Halbleiterzellen und Photovoltaikmodul
DE102010037088A1 (de) * 2010-08-20 2012-02-23 Roth & Rau Ag Verfahren zum Erzeugen eines verbesserten Kontaktes zwischen einer silberhaltigen Leitbahn und Silizium
DE102010040258A1 (de) * 2010-09-03 2012-03-08 Schott Solar Ag Verfahren zur Herstellung von Solarzellen
DE102011016335B4 (de) * 2011-04-07 2013-10-02 Universität Konstanz Nickelhaltige und ätzende druckbare Paste sowie Verfahren zur Bildung von elektrischen Kontakten beim Herstellen einer Solarzelle
DE102011104396A1 (de) * 2011-06-17 2012-12-20 Solsol Gmbh Metallpaste, Solarzelle und Verfahren zur deren Herstellung
US8735210B2 (en) * 2012-06-28 2014-05-27 International Business Machines Corporation High efficiency solar cells fabricated by inexpensive PECVD
US9328427B2 (en) * 2012-09-28 2016-05-03 Sunpower Corporation Edgeless pulse plating and metal cleaning methods for solar cells
TWI643351B (zh) * 2013-01-31 2018-12-01 澳洲商新南創新有限公司 太陽能電池金屬化及互連方法
US20150090328A1 (en) * 2013-09-27 2015-04-02 Sunpower Corporation Epitaxial silicon solar cells with moisture barrier
EP3026713B1 (de) 2014-11-28 2019-03-27 LG Electronics Inc. Solarzelle und verfahren zur herstellung davon
EP3314635B1 (de) * 2015-06-27 2023-08-30 INTEL Corporation Verfahren zur herstellung von ohmschen kontakten zu halbleitern mit quantisierten metallen
JP6696665B2 (ja) * 2015-10-25 2020-05-20 農工大ティー・エル・オー株式会社 超音波半田付け方法および超音波半田付け装置
DE102017001097A1 (de) * 2017-02-07 2018-08-09 Gentherm Gmbh Elektrisch leitfähige Folie

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1865563A2 (de) * 2006-06-05 2007-12-12 Rohm and Haas Electronic Materials, L.L.C. Licht-unterstütztes Galvanisieren

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58100465A (ja) * 1981-12-10 1983-06-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd 太陽電池の電極形成法
US4612698A (en) * 1984-10-31 1986-09-23 Mobil Solar Energy Corporation Method of fabricating solar cells
US4703553A (en) * 1986-06-16 1987-11-03 Spectrolab, Inc. Drive through doping process for manufacturing low back surface recombination solar cells
US6524880B2 (en) * 2001-04-23 2003-02-25 Samsung Sdi Co., Ltd. Solar cell and method for fabricating the same
CN1656612A (zh) * 2002-05-23 2005-08-17 肖特股份公司 用于高频的玻璃材料
US7731868B2 (en) * 2007-04-12 2010-06-08 E.I. Du Pont De Nemours And Company Thick film conductive composition and process for use in the manufacture of semiconductor device

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1865563A2 (de) * 2006-06-05 2007-12-12 Rohm and Haas Electronic Materials, L.L.C. Licht-unterstütztes Galvanisieren

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BALLIF C ET AL: "Silver thick-film contacts on highly doped n-type silicon emitters: Structural and electronic properties of the interface", APPLIED PHYSICS LETTERS, AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, US, vol. 82, no. 12, 24 March 2003 (2003-03-24), pages 1878 - 1880, XP012033579, ISSN: 0003-6951 *
SCHUBERT G: "Thick Film Metallisation of Crystalline Silicon Solar Cells - Mechanisms, Models and Applications", DISSERTATION, UNIVERSITÄT KONSTANZ, FACHBEREICH PHYSIK, 13 June 2007 (2007-06-13), XP002571398 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013089047A1 (ja) * 2011-12-12 2013-06-20 シャープ株式会社 太陽電池モジュールおよび太陽光発電システム
JPWO2013089047A1 (ja) * 2011-12-12 2015-04-27 シャープ株式会社 太陽電池モジュールおよび太陽光発電システム

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