DE102012003866B4 - Method for contacting a semiconductor substrate, in particular for contacting solar cells, and solar cells - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Kontaktieren eines Halbleitersubstrates, insbesondere zur Kontaktierung von Solarzellen (10), angegeben, insbesondere zur Herstellung von Frontkontakten (19) an Solarzellen (10), bei dem zunächst eine metallische Saatstruktur (20) auf der zu kontaktierenden Oberfläche mittels eines LIFT-Prozesses erzeugt wird und anschließend eine Siebdruckschicht (22) auf die Saatstruktur (20) mittels eines Siebdruckverfahrens aufgedruckt wird.The invention relates to a method for contacting a semiconductor substrate, in particular for contacting solar cells (10), in particular for producing front contacts (19) on solar cells (10), in which at first a metallic seed structure (20) on the surface to be contacted by means of a LIFT process is generated and then a screen printing layer (22) on the seed structure (20) is printed by means of a screen printing process.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kontaktieren eines Halbleitersubstrates, insbesondere zur Kontaktierung von Solarzellen, insbesondere zur Herstellung von Frontkontakten an Solarzellen, bei denen zunächst eine metallische Saatstruktur auf der zu kontaktierenden Oberfläche mittels LIFT-Prozesses (Laser-Induced-Forward-Transfer-Prozess) erzeugt wird und anschließend mindestens eine Siebdruckschicht auf die Saatstruktur mittels eines Siebdurckverfahrens aufgedruckt wird.The invention relates to a method for contacting a semiconductor substrate, in particular for contacting solar cells, in particular for producing front contacts on solar cells, in which first a metallic seed structure on the surface to be contacted by means of LIFT process (laser-induced-forward-transfer process) is produced and then at least one screen printing layer is printed on the seed structure by means of a Siebdurckverfahrens.
Die Erfindung betrifft weiter eine Solarzelle mit einem Frontkontakt, der eine Saatstruktur aus Nickel oder einer Nickellegierung und darauf eine Verstärkungsschicht aufweist. Die Erfindung betrifft schließlich auch rückseitig kontaktierte Solarzellen.The invention further relates to a solar cell with a front contact having a seed structure of nickel or a nickel alloy and thereon a reinforcing layer. Finally, the invention also relates to solar cells which are contacted on the back side.
Aus der
Aus Röder, T. C.; Hoffmann, E.; Köhler, J. R.; Werner, J. H.: ”30 μm WIDE CONTACTS ON SILICON CELLS BY LASER TRANSFER”, in: 35th IEEE Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), 2010, Seiten 3597–3599, DOI: 10.1109/PVSC.2010.5614378 ist es bekannt, mittels des LIFT-Verfahrens Saatstrukturen-Frontkontakte direkt durch die Antireflektionsbeschichtung an der Vorderseite von Solarzellen herzustellen. Die Finger weisen dabei eine Breite von weniger als 30 μm auf.From Röder, T. C .; Hoffmann, E .; Kohler, J. R .; Werner, JH: "30 μm WIDE CONTACTS ON SILICONE CELLS BY LASER TRANSFER", in: 35th IEEE Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), 2010, pages 3597-3599, DOI: 10.1109 / PVSC.2010.5614378 it is known, by means of the LIFT Method to produce seed structure front contacts directly through the anti-reflection coating on the front of solar cells. The fingers have a width of less than 30 microns.
Ein Siebdruckverfahren wird als ungeeignet zur Verstärkung der durch das LIFT-Verfahren hergestellten Kontaktfinger angesehen. Vielmehr werden die Kontaktfinger durch ein Elektroplattierverfahren verstärkt.A screen printing process is considered unsuitable for reinforcing the contact fingers made by the LIFT process. Rather, the contact fingers are reinforced by an electroplating process.
Dies stellt zwar eine grundsätzliche Möglichkeit dar, um dünne Frontkontakte an Solarzellen mit guter Leitfähigkeit herzustellen, jedoch ist das zusätzliche Elektroplattierverfahren relativ aufwändig. While this is a fundamental way to make thin front contacts on solar cells with good conductivity, the additional electroplating process is relatively expensive.
Aus der
Danach soll die durch den LIFT-Prozess hergestellte metallische Saatstruktur in einem nachfolgenden Schritt verstärkt werden, wozu insbesondere ein Galvanikverfahren bevorzugt ist.Thereafter, the metallic seed structure produced by the LIFT process is to be reinforced in a subsequent step, for which a galvanic process is particularly preferred.
Im Labormaßstab lassen sich hiermit Solarzellen mit einem niedrigen Kontaktwiderstand herstellen, die auch einen niedrigen Linienwiderstand aufweisen, sofern zur Verstärkung eine Kupfer- oder Silberschicht verwendet wird.On a laboratory scale, it is possible to produce solar cells with a low contact resistance, which also have a low line resistance, if a copper or silver layer is used for reinforcement.
Allerdings ist die Verwendung von Silberpasten sehr teuer, weshalb die Verwendung von Silber als Kontaktmaterial möglichst vermieden werden soll. Problematisch bei der Verwendung von Kupfer Zur Verstärkung der Saatstruktur ist der nachteilige Einfluss von Kupfer durch Diffusion in die Solarzelle.However, the use of silver pastes is very expensive, which is why the use of silver as the contact material should be avoided as far as possible. Problem with the use of copper To reinforce the seed structure is the adverse effect of copper by diffusion into the solar cell.
Zwar wird gemäß der vorstehend genannten Anmeldung vorgeschlagen, die durch den LIFT-Prozess erzeugte metallische Saatstruktur als Diffusionssperrschicht auszubilden, jedoch ist es schwierig, bei der Verwendung eines Galvanikverfahrens im industriellen Maßstab eine sehr genaue Platzierung der Verstärkungslinien nur über der metallischen Saatstruktur zu gewährleisten. Denn es muss ja in jedem Fall verhindert werden, dass sich die Verstärkungsschicht teilweise über Bereiche der Solarzelle erstreckt, die nicht vollständig von der metallischen Saatstruktur gegenüber der Kupferdeckschicht getrennt sind, da sonst ja die Wirkung als Diffusionssperre nicht mehr gewährleistet wäre.Although it is proposed according to the above-mentioned application to form the metallic seed structure produced by the LIFT process as a diffusion barrier layer, however, it is difficult to ensure a very accurate placement of the reinforcement lines only over the metallic seed structure when using a galvanic process on an industrial scale. Because it must be prevented in any case that the reinforcing layer extends partially over areas of the solar cell, which are not completely separated from the metallic seed structure over the copper capping, otherwise the effect would no longer be guaranteed as a diffusion barrier.
Andererseits muss der Frontkontakt bei Solarzellen möglichst schmal sein, um die optischen Verluste so gering wie möglich zu halten.On the other hand, the front contact in solar cells must be as narrow as possible in order to keep the optical losses as low as possible.
Aus der
Auch hierbei ergeben sich die zuvor beschriebenen Nachteile.Here, too, the disadvantages described above arise.
Aus der
Dieses Verfahren ist besonders zur Erzeugung von elektrisch leitfähigen Oberflächen auf elektrisch nicht leitfähigen Substraten geeignet.This method is particularly suitable for the production of electrically conductive surfaces on electrically non-conductive substrates.
Aus der
Auch dieses Verfahren ist mit den vorstehend beschriebenen Nachteilen behaftet.This method also has the disadvantages described above.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kontaktieren eines Halbleitersubstrates, insbesondere zur Kontaktierung von Solarzellen, anzugeben, mit dem auf möglichst kostengünstige Weise insbesondere die Frontkontakte für Solarzellen hergestellt werden können, wobei ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielbar sein soll.Against this background, the invention has for its object to provide a method for contacting a semiconductor substrate, in particular for contacting solar cells, with the cost as possible, in particular the front contacts for solar cells can be produced, with the highest possible efficiency should be achieved.
Ferner soll eine verbesserte Solarzelle angegeben werden, die bei hohem Wirkungsgrad mit möglichst geringen Kosten im industriellen Maßstab herstellbar ist.Furthermore, an improved solar cell is to be specified, which can be produced at high efficiency with the lowest possible cost on an industrial scale.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Kontaktieren eines Halbleitersubstrates, insbesondere zur Kontaktierung von Solarzellen, insbesondere zur Herstellung von Frontkontakten an Solarzellen, gelöst, bei dem zunächst eine metallische Saatstruktur auf der zu kontaktierenden Oberfläche mittels eines LIFT-Prozesses erzeugt wird und anschließend mindestens eine Siebdruckschicht auf die Saatstruktur mittels eines Siebdruckverfahrens aufgedruckt wird, wobei die Saatstruktur erste Flächenbereiche aufweist und die Siebdruckschicht mit zweiten Flächenbereichen mittels des Siebdruckverfahrens derart erzeugt wird, dass die zweiten Flächenbereiche mit einer Außenkontur der ersten Flächenbereiche übereinstimmen oder innerhalb davon verlaufen.This object is achieved by a method for contacting a semiconductor substrate, in particular for contacting solar cells, in particular for the production of front contacts on solar cells, in which first a metallic seed structure is produced on the surface to be contacted by means of a LIFT process and then at least one Screen printing layer is printed on the seed structure by means of a screen printing method, wherein the seed structure having first surface areas and the screen printing layer is generated with second surface areas by means of the screen printing process such that the second surface areas coincide with or extend within an outer contour of the first surface areas.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.The object of the invention is completely solved in this way.
Die Metallisierung mittels der Kombination aus dem LIFT-Prozess und dem anschließenden Siebdruckverfahren bringt eine neue Kombination von zwei Verfahren. Die über das LIFT-Verfahren erzeugte metallische Saatstruktur schafft einen niedrigen Kontaktwiderstand zur Solarzelle. Die Siebdruckschicht bringt in Kombination damit einen niedrigen Linienwiderstand. Durch die Erzeugung der Siebdruckschicht derart, dass deren Flächenbereiche mit der Außenkontur der ersten Flächenbereiche, die durch das LIFT-Verfahren erzeugt sind, übereinstimmen oder innerhalb davon verlaufen, ist gewährleistet, dass die Saatstrukturen ihre Funktion als Diffusionssperrschicht wahrnehmen können.Metallization using the combination of the LIFT process and the subsequent screen printing process brings a new combination of two processes. The metallic seed structure generated by the LIFT method creates a low contact resistance to the solar cell. The screen printing layer brings in combination with a low line resistance. By creating the screen printing layer in such a way that its surface areas coincide with or run within the outer contour of the first surface areas produced by the LIFT method, it is ensured that the seed structures can perform their function as a diffusion barrier layer.
Ferner wird der Anteil von Kontakt- und Linienwiderstand am Serienwiderstand der Solarzelle gering gehalten. Der hiervon beeinflusste Serienwiderstand wird somit gering gehalten, so dass der Füllfaktor der Solarzelle möglichst groß ist.Furthermore, the proportion of contact and line resistance at the series resistance of the solar cell is kept low. The series resistance influenced thereby is thus kept low, so that the fill factor of the solar cell is as large as possible.
Auch bei rückseitig kontaktierten Solarzellen ergeben sich grundsätzlich die die gleichen Vorteile wie bei frontseitig kontaktierten Solarzellen.Even with solar cells contacted on the back side, the same advantages generally result as with the solar cells contacted on the front side.
Da das Siebdruckverfahren ein im industriellen Maßstab erprobtes Verfahren ist, mit dem sich äußerst feine Strukturen auf kostengünstige Weise präzise erzeugen lassen, ergibt sich in Kombination mit dem LIFT-Verfahren eine besonders kostengünstige und präzise Erzeugung von hochwertigen Kontaktierungen an Solarzellen.As the screen printing process is a tried-and-tested industrial process that enables extremely fine structures to be precisely produced in a cost-effective manner, a particularly cost-effective and precise production of high-quality contacts to solar cells results in combination with the LIFT process.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird die Saatstruktur aus Nickel oder einer Nickellegierung hergestellt und die Siebdruckschicht aus einer kupfer- oder nickelhaltigen Siebdruckpaste hergestellt.In a preferred development of the invention, the seed structure is made of nickel or a nickel alloy and the screen printing layer is produced from a copper- or nickel-containing screen printing paste.
Dabei wird die Saatstruktur vorzugsweise als Diffusionssperrschicht hergestellt.The seed structure is preferably produced as a diffusion barrier layer.
Durch diese Maßnahme wird eine sehr kostengünstige Erzeugung von hochwertigen Leiterbahnen auf der Frontseite von Solarzellen ermöglicht. Die durch den LIFT-Prozess hergestellte nickelhaltige Saatstruktur wird mit ausreichender Dicke erzeugt, um als Diffusionssperrschicht zu wirken. Somit kann hierauf eine kupferhaltige oder nickelhaltige Siebdruckpaste appliziert werden, um so eine elektrisch sehr gut Leitende Verstärkungsschicht zu erzeugen. Insbesondere wird es auf diese Weise ermöglicht, auf die Verwendung von Silber zu verzichten und stattdessen eine nickelhaltige Saatstruktur in Verbindung mit einer Verstärkungsschicht zu ersetzen, so dass sich eine hohe Kostenersparnis ergibt.This measure enables a very cost-effective production of high-quality strip conductors on the front side of solar cells. The nickel-containing seed structure produced by the LIFT process is produced with sufficient thickness to act as a diffusion barrier layer. Thus, a copper-containing or nickel-containing screen printing paste can be applied to this, so as to produce an electrically very well conductive reinforcing layer. In particular, this makes it possible to dispense with the use of silver and instead to replace a nickel-containing seed structure in conjunction with a reinforcing layer, so that there is a high cost savings.
Die Saatstruktur wird vorzugsweise mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 100 Nanometer, weiter bevorzugt von 0,5 bis 50 Nanometer, weiter bevorzugt von 1 bis 10 Nanometer hergestellt.The seed structure is preferably produced with a layer thickness of 0.1 to 100 nanometers, more preferably from 0.5 to 50 nanometers, more preferably from 1 to 10 nanometers.
Auf diese Weise wird die Dicke der Saatstruktur so gering wie möglich gehalten, jedoch ausreichend, um als Diffusionssperrschicht wirken zu können. Angestrebt wird hierbei auf jeden Fall eine durchgehende Schicht, so dass die Diffusionssperrwirkung erzielt wird.In this way, the thickness of the seed structure is kept as low as possible, but sufficient to act as a diffusion barrier layer can. The aim is in any case a continuous layer, so that the diffusion barrier effect is achieved.
Hierzu kann die Saatstruktur auch mittels eines weiteren LIFT-Prozesses verstärkt werden, bevor die Siebdruckschicht aufgetragen wird. For this purpose, the seed structure can also be reinforced by means of another LIFT process before the screen printing layer is applied.
Alternativ kann die Siebdruckschicht grundsätzlich auch aus Nickel oder einer Nickellegierung oder einem anderen Metall hergestellt werden.Alternatively, the screen printing layer can basically also be made of nickel or a nickel alloy or another metal.
Bei der Verwendung von Nickel oder einer Nickellegierung können zwar die Probleme mit der erforderlichen Diffusionssperre vermieden werden, allerdings hat Nickel eine deutlich geringere Leitfähigkeit als Kupfer, so dass der Linienwiderstand nicht so niedrig wie bei der Verwendung von Kupfer eingestellt werden kann.Although the use of nickel or a nickel alloy avoids the problems with the required diffusion barrier, nickel has much lower conductivity than copper, so the line resistance can not be set as low as when using copper.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Saatstruktur durch eine Deckschicht, vorzugsweise durch eine Passivierungsschicht hindurch, vorzugsweise auf einer Frontseite einer Solarzelle erzeugt.According to a further advantageous embodiment of the invention, the seed structure is produced by a covering layer, preferably by a passivation layer, preferably on a front side of a solar cell.
Auf diese Weise kann das im Stand der Technik erforderliche ”Hindurchschießen” einer silberhaltigen Siebdruckpaste vermieden werden. Der hierzu erforderliche Hochtemperaturschritt, der im Stand der Technik bei etwa 700 bis 800°C erfolgt, entfällt vollständig.In this way, the "shooting-through" of a silver-containing screen printing paste required in the prior art can be avoided. The required high-temperature step, which takes place in the prior art at about 700 to 800 ° C, completely eliminated.
Erfindungsgemäß wird die durch eine Siebdruckform auf der Saatstruktur aufgetragene Siebdruckpaste vorzugsweise bei einer Temperatur von weniger als 400°C, vorzugsweise bei höchstens 330°C, eingebrannt.According to the invention, the screen printing paste applied to the seed structure by a screen printing form is preferably baked at a temperature of less than 400 ° C, preferably at most 330 ° C.
Da die hierfür erforderlichen Ofen bei deutlich geringeren Temperaturen als bei dem im Stand der Technik notwendigen Hochtemperaturschritt betrieben werden können, ergibt sich zusätzlich eine erhebliche Energieersparnis, wodurch die Herstellungskosten für die so hergestellten Solarzellen entsprechend erniedrigt werden.Since the furnace required for this purpose can be operated at significantly lower temperatures than in the high temperature step required in the prior art, in addition a considerable energy saving results, whereby the production costs for the solar cells thus produced are correspondingly reduced.
In weiter bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine rückseitige Passivierungsschicht, vorzugsweise aus amorphem Silizium, aufgebracht.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, a backside passivation layer, preferably of amorphous silicon, is applied.
Wegen der Vermeidung des Hochtemperaturschrittes und dem möglichen Einbrennen bei Temperaturen von weniger als 400°C kann auf diese Weise die vorteilhafte Passivierung mit einer amorphen Siliziumschicht genutzt werden, die einem Hochtemperaturschritt, wie im Stand der Technik üblich, nicht standhalten würde.Because of the avoidance of the high temperature step and the possible baking at temperatures of less than 400 ° C can be used in this way the advantageous passivation with an amorphous silicon layer, which would not withstand a high temperature step, as in the prior art.
Die Erfindung wird ferner durch eine Solarzelle mit einem Frontkontakt oder mit einem rückseitigen Kontakt, gelöst, der eine Saatstruktur aus Nickel oder einer Nickellegierung und darauf eine Siebdruckschicht aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Nickel oder einer Nickellegierung aufweist, wobei die Saatstruktur als Diffusionssperrschicht gegenüber der Siebdruckschicht ausgebildet ist, und wobei die Saatstruktur erste Flächenbereiche und die Siebdruckschicht zweite Flächenbereiche aufweist, die mit einer Außenkontur der ersten Flächenbereiche übereinstimmen oder innerhalb davon verlaufen.The invention is further achieved by a solar cell having a front contact or a rear contact having a seed structure of nickel or a nickel alloy and thereon a screen printing layer of copper, a copper alloy, nickel or a nickel alloy, wherein the seed structure as a diffusion barrier layer against the screen printing layer is formed, and wherein the seed structure first surface areas and the screen printing layer has second surface areas that match or extend within an outer contour of the first surface areas.
Auch auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst.Also in this way the object of the invention is completely solved.
Erfindungsgemäß wird durch die Kombination einer Saatstruktur, die als Diffusionssperrschicht ausgebildet ist, mit einer Siebdruckschicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ein niedriger Kontaktwiderstand mit einem niedrigen Linienwiderstand kombiniert. Wegen der Ausführung der Siebdruckschicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ergibt sich ein niedriger Linienwiderstand und eine kostengünstige Herstellbarkeit. Ferner ist gewährleistet, dass die Saatstruktur ihre Funktion als Diffusionssperrschicht sicher wahrnehmen kann.According to the present invention, by combining a seed structure formed as a diffusion barrier layer with a screen printing layer of copper or a copper alloy, a low contact resistance is combined with a low line resistance. Because of the design of the screen printing layer of copper or a copper alloy results in a low line resistance and cost manufacturability. It also ensures that the seed structure can safely perform its function as a diffusion barrier layer.
Auch bei rückseitig kontaktierte Solarzellen ergeben sich grundsätzlich die die gleichen Vorteile wie bei frontseitig kontaktierten Solarzellen.Even with solar cells contacted on the back side, basically the same advantages result as with solar cells contacted on the front side.
Die über das LIFT-Verfahren erzeugte metallische Saatstruktur bewirkt einen niedrigen Kontaktwiderstand zur Solarzelle. Die Siebdruckschicht bringt in Kombination damit einen niedrigen Linienwiderstand.The metallic seed structure generated by the LIFT method causes a low contact resistance to the solar cell. The screen printing layer brings in combination with a low line resistance.
Hierbei weist die Saatstruktur vorzugsweise eine Schichtdicke von 0,1 bis 100 Nanometer, vorzugsweise von 0,5 bis 50 Nanometer, weiter bevorzugt von 1 bis 10 Nanometer auf.In this case, the seed structure preferably has a layer thickness of 0.1 to 100 nanometers, preferably 0.5 to 50 nanometers, more preferably 1 to 10 nanometers.
Mit einer derartigen Schichtdicke ist die Wirkung als Diffusionssperrschicht sicher gewährleistet.With such a layer thickness, the effect as a diffusion barrier layer is assured.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further features and advantages will become apparent from the following description of a preferred embodiment with reference to the drawings. Show it:
In
Auf dem Emitter
Das Prinzip des LIFT-Prozesses ist im Einzelnen in der
Mittels des LIFT-Prozesses wird nun durch die Passivierungsschicht
In
Es versteht sich, dass die Darstellung in den
Vorzugsweise wird für den LIFT-Prozess ein gepulster Laser verwendet. Es kann sich beispielsweise um einen Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 oder 1.064 Nanometer handeln.Preferably, a pulsed laser is used for the LIFT process. It may, for example, be a Nd: YAG laser with a wavelength of 532 or 1,064 nanometers.
Die gemäß der
Hierzu wird ein Siebdruckverfahren verwendet. Beim Siebdruck wird gemäß
Durch eine ausreichend präzise Siebdruckform
Hierdurch wird sichergestellt, dass kein direkter Kontakt zwischen der Siebdruckschicht
Da die Saatstruktur
Auf diese Weise werden die nachteiligen Einflüsse einer Kupferdiffusion, die schon bei Raumtemperatur auftritt, sicher vermieden.In this way, the adverse effects of copper diffusion, which occurs even at room temperature, safely avoided.
Durch die Kombination zwischen der aus Nickel oder einer Nickellegierung bestehenden Saatstruktur
Das Herstellverfahren, das aus einem LIFT-Prozess kombiniert mit einem nachfolgenden Siebdruckschritt besteht, lässt sich im industriellen Maßstab in zuverlässiger Weise sehr kostengünstig mit geringem Energieaufwand durchführen.The manufacturing process, which consists of a LIFT process combined with a subsequent screen printing step, can be carried out reliably on a very industrial scale in a very cost-effective manner with low energy consumption.
Da das Einbrennen der Siebdruckschicht
Claims (11)
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