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DE102012003866B4 - Method for contacting a semiconductor substrate, in particular for contacting solar cells, and solar cells - Google Patents

Method for contacting a semiconductor substrate, in particular for contacting solar cells, and solar cells Download PDF

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DE102012003866B4
DE102012003866B4 DE102012003866A DE102012003866A DE102012003866B4 DE 102012003866 B4 DE102012003866 B4 DE 102012003866B4 DE 102012003866 A DE102012003866 A DE 102012003866A DE 102012003866 A DE102012003866 A DE 102012003866A DE 102012003866 B4 DE102012003866 B4 DE 102012003866B4
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screen printing
seed structure
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DE102012003866A
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German (de)
Inventor
Jürgen Werner
Renate Zapf-Gottwick
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Universitaet Stuttgart
Original Assignee
Universitaet Stuttgart
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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 DE 10 2009 053 776 A1 ist ein Verfahren zum Kontaktieren einer Solarzelle gemäß der vorstehend genannten Art bekannt. Hierbei wird ein Dotierstoff zum Bilden einer Emitterschicht eingebracht. Dabei wird mit einem Metall beschichtete Folie mit der Rückseite des Siliziumwafers in Kontakt gebracht und das Metall mithilfe eines Lasers auf den Wafer übertragen. Dies geschieht nach dem sogenannten LIFT-Verfahren (Laser Induced Forward Transfer). Daran können sich zusätzliche Siebdruckschritte anschließen, wobei die N-Typ- und die P-Typ-Bereiche getrennt kontaktiert werden. Ferner kann eine Verstärkung der mit Laser erzeugten Strukturen galvanisch oder stromlos erfolgen.From the DE 10 2009 053 776 A1 a method for contacting a solar cell according to the aforementioned type is known. Here, a dopant is introduced to form an emitter layer. In this case, a metal-coated film is brought into contact with the back side of the silicon wafer and the metal is transferred to the wafer by means of a laser. This is done by the so-called LIFT method (Laser Induced Forward Transfer). This can be followed by additional Siebdruckschritte, wherein the N-type and the P-type regions are contacted separately. Furthermore, an amplification of the structures produced by laser can be carried out galvanically or de-energized.

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 DE 10 2009 020 774 A1 sind ein Verfahren zum Kontaktieren eines Halbleitersubstrates mittels eines LIFT-Prozesses gemäß der vorstehend genannten Art und eine Solarzelle mit einem solchermaßen hergestellten Frontkontakt bekannt.From the DE 10 2009 020 774 A1 For example, a method for contacting a semiconductor substrate by means of a LIFT process according to the aforementioned type and a solar cell with a front contact produced in this way are known.

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 DE 43 30 961 C1 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von strukturierten Metallisierungen auf Oberflächen bekannt, bei dem gleichfalls zunächst eine Laserbekeimung der Substratoberfläche, etwa der ITO-Oberfläche einer LCD-Zelle, mittels eines LIFT-Verfahrens durchgeführt wird und anschließend eine galvanische Verstärkung zum Beispiel in einem Nickelbad vorgenommen wird.From the DE 43 30 961 C1 Furthermore, a method for the production of structured metallizations on surfaces is known, in which also first a laser nucleation of the substrate surface, such as the ITO surface of an LCD cell is performed by means of a LIFT method and then carried out a galvanic reinforcement, for example in a nickel bath becomes.

Auch hierbei ergeben sich die zuvor beschriebenen Nachteile.Here, too, the disadvantages described above arise.

Aus der WO 2008/080893 A1 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitfähigen Oberflächen auf einem elektrisch nicht leitfähigen Substrat bekannt, bei dem zunächst eine Dispersion von einem Träger durch Bestrahlung mit einem Laser auf das Substrat übertragen wird, anschließend die auf das Substrat übertragene Dispersion zur Bildung einer Basisschicht getrocknet wird und schließlich ein stromloses oder galvanisches Beschichten der Basisschicht erfolgt.From the WO 2008/080893 A1 Further, a method for producing electrically conductive surfaces on an electrically non-conductive substrate is known, in which first a dispersion is transferred from a support to the substrate by irradiation with a laser, then the dispersion transferred to the substrate is dried to form a base layer and finally one electroless or galvanic coating of the base layer takes place.

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 US 2007/0169806 A1 ist ferner ein Verfahren zur Kontaktierung von Solarzellen bekannt, bei dem zunächst an der Frontseite der Solarzelle eine partielle Ablation der Passivierungsschicht mit Hilfe eines Laser-Verfahrens erfolgt und anschließend die so freigelegten Flächenbereiche mit Hilfe eines Ink-Jet-Verfahrens bedruckt werden.From the US 2007/0169806 A1 Furthermore, a method for contacting solar cells is known, in which first a partial ablation of the passivation layer takes place by means of a laser process on the front side of the solar cell, and then the thus exposed surface areas are printed by means of an inkjet process.

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:

1 einen vereinfachten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Solarzelle; 1 a simplified cross section through a solar cell according to the invention;

2a) bis 2c) verschiedene Phasen eines LIFT-Prozesses zur Erzeugung der Saatstruktur; und 2a) to 2c) different phases of a LIFT process to produce the seed structure; and

3 eine schematische Darstellung einer Solarzelle mit einer aufgesetzten Siebdruckform. 3 a schematic representation of a solar cell with an attached screen printing form.

In 1 ist ein Querschnitt durch eine Silizium-Solarzelle gezeigt, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Die Solarzelle 10 weist an ihrer Frontseite einen Emitter 12 (n-Typ) auf, gefolgt von einer Basisschicht 14 (p-Typ), auf die ein Rückseitenkontakt 16 bestehend aus Aluminium flächig aufgebracht ist. Optional ist der Rückseitenkontakt 16 mit einer Passivierungsschicht 23 aus amorphem Silizium überzogen.In 1 is a cross section through a silicon solar cell shown with a total of 10 is designated. The solar cell 10 indicates at its front an emitter 12 (n type) followed by a base layer 14 (p-type), to which a backside contact 16 consisting of aluminum is applied flat. Optionally, the backside contact 16 with a passivation layer 23 coated in amorphous silicon.

Auf dem Emitter 12 befindet sich an der Frontseite eine Passivierungsschicht, die etwa aus Siliziumnitrid bestehen kann. An ausgewählten Stellen ist durch die Passivierungsschicht 18 hindurch mittels eines LIFT-Prozesses, wie nachfolgend noch erläutert wird, eine Saatstruktur 20 erzeugt, die als dünne Mittelschicht ausgebildet ist und den Emitter 12 unmittelbar kontaktiert. Hierauf ist eine Verstärkungsschicht in Form einer Siebdruckschicht 22 aus einer Kupferlegierung aufgebracht. Durch die Kombination aus Saatstruktur 20 und Siebdruckschicht 22 sind so an der Frontseite der Solarzelle 10 die Frontkontakte 19 gebildet. Es ergibt sich ein H-förmiges Gitter mit schmalen Leiterbahnen 19, den Fingern, die den eingesammelten Strom auf Stromsammelschienen, wie Busbars (nicht dargestellt), leiten.On the emitter 12 At the front is a passivation layer, which may consist of silicon nitride. At selected points is through the passivation layer 18 through a LIFT process, as will be explained below, a seed structure 20 generated, which is formed as a thin middle layer and the emitter 12 contacted directly. On top of this is a reinforcing layer in the form of a screen printing layer 22 made of a copper alloy. By the combination of seed structure 20 and screen printing layer 22 are so on the front of the solar cell 10 the front contacts 19 educated. The result is an H-shaped grid with narrow tracks 19 , the fingers that direct the collected power on busbars, such as busbars (not shown).

Das Prinzip des LIFT-Prozesses ist im Einzelnen in der DE 10 2009 020 774 A1 erläutert, die hier vollständig durch Bezugnahme eingeschlossen wird.The principle of the LIFT process is more specific in the DE 10 2009 020 774 A1 which is hereby incorporated by reference in its entirety.

Mittels des LIFT-Prozesses wird nun durch die Passivierungsschicht 18 hindurch eine metallische Saatstruktur 20 erzeugt, die beispielsweise aus Nickel besteht. Hierzu wird gemäß 2a) in unmittelbarer Nachbarschaft vor der Substratschicht, also vor der Passivierungsschicht 18, ein Trägermaterial 32 in Form einer dünnen Glasschicht oder einer dünnen Folie angeordnet, die auf ihrer der Solarzelle 10 zugewandten Seite mit einer dünnen Metallschicht 34 versehen ist. Es kann sich hierbei beispielsweise um eine Nickelschicht handeln.The LIFT process will now pass through the passivation layer 18 through a metallic seed structure 20 generated, which consists for example of nickel. This is done according to 2a) in the immediate vicinity in front of the substrate layer, ie before the passivation layer 18 , a carrier material 32 arranged in the form of a thin layer of glass or a thin film, on its the solar cell 10 facing side with a thin metal layer 34 is provided. This may be, for example, a nickel layer.

In 2b) ist nun dargestellt, wie aus der dünnen Metallschicht 34 ein Teil abgelöst wird und gemäß 2c) durch die Passivierungsschicht 18 hindurch unmittelbar auf die Oberfläche des Emitters 12 geschossen wird. Hierzu wird ein gepulster Laser 24 verwendet, der durch eine Linse 28 und einen Spalt 30 hindurch einen Laserstrahl 26 durch die transparente Trägerschicht 32 auf die Metallschicht 34 richtet. Durch die hohe Energie des gepulsten Laserstrahls wird die Metallschicht 34 lokal abgelöst und verdampft durch die Passivierungsschicht 18 hindurch, um sich auf der Oberfläche des Emitters 12, wie in 2c) gezeigt, als Saatstruktur 20 niederzuschlagen. Diese Schicht ist hier als ”Saatstruktur” bezeichnet, da sie durch einen zusätzlichen Verfahrensschritt, das Siebdrucken, verstärkt wird.In 2 B) is now shown as from the thin metal layer 34 a part is replaced and according to 2c) through the passivation layer 18 through directly on the surface of the emitter 12 is shot. For this purpose, a pulsed laser 24 used by a lens 28 and a gap 30 through a laser beam 26 through the transparent carrier layer 32 on the metal layer 34 directed. The high energy of the pulsed laser beam makes the metal layer 34 locally detached and evaporated by the passivation layer 18 through to get on the surface of the emitter 12 , as in 2c) shown as a seed structure 20 quell. This layer is referred to herein as a "seed structure" because it is enhanced by an additional process step, screen printing.

Es versteht sich, dass die Darstellung in den 1 bis 3 rein schematisch ist und nicht die tatsächlichen Größenverhältnisse wiedergibt.It is understood that the representation in the 1 to 3 is purely schematic and does not reflect the actual proportions.

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 2a) bis c) erzeugte Saatstruktur wird gemäß 3 anschließend verstärkt.The according to the 2a) to c) seed structure is according to 3 then reinforced.

Hierzu wird ein Siebdruckverfahren verwendet. Beim Siebdruck wird gemäß 3 zunächst eine Siebdruckform 36 mit einem Sieb 40 auf der Oberfläche derart auf der Solarzelle positioniert, dass die Ausnehmungen im Sieb 40 genau mit den Linien der Saatstruktur 20 korrespondieren. Anschließend wird mit einem Rakel (nicht dargestellt) eine Siebdruckpaste aufgetragen, sodann die Siebdruckform 36 entfernt und die Solarzelle 10 anschließend in einem geeigneten Ofen behandelt, um die Siebdruckpaste einzubrennen. Dies erfolgt vorzugsweise mit einer im Wesentlichen kupferhaltigen Siebdruckpaste bei einer Temperatur von weniger als 400°C, vorzugsweise bei höchstens 330°C.For this purpose, a screen printing method is used. When screen printing is in accordance with 3 first a screen printing form 36 with a sieve 40 positioned on the surface of the solar cell so that the recesses in the sieve 40 exactly with the lines of the seed structure 20 correspond. Subsequently, a screen printing paste is applied with a doctor blade (not shown), then the screen printing form 36 removed and the solar cell 10 then treated in a suitable oven to burn in the screen printing paste. This is preferably done with a substantially copper-containing screen printing paste at a temperature of less than 400 ° C, preferably at most 330 ° C.

Durch eine ausreichend präzise Siebdruckform 36 und eine genaue Positionierung vor dem Auftragen der Siebdruckpaste wird sichergestellt, dass sich die erzeugte Siebdruckschicht 22 nur innerhalb der Flächenbereiche der Saatstruktur 20 befindet, maximal mit dem Umriss der Saatstruktur 20 korrespondiert.Due to a sufficiently precise screen printing form 36 and accurate positioning before applying the screen printing paste will ensure that the screen printing layer produced 22 only within the surface areas of the seed structure 20 maximum, with the outline of the seed structure 20 corresponds.

Hierdurch wird sichergestellt, dass kein direkter Kontakt zwischen der Siebdruckschicht 22 und der Passivierungsschicht 18 oder der Oberfläche des Emitters 12 entsteht.This ensures that there is no direct contact between the screen printing layer 22 and the passivation layer 18 or the surface of the emitter 12 arises.

Da die Saatstruktur 20 mit ausreichender Stärke hergestellt ist, vorzugsweise mit einer Stärke von etwa 1 bis 10 Nanometer, wodurch eine durchgehende Schicht sichergestellt ist, wird auf diese Weise eine sichere Diffusionssperrschicht zwischen der Siebdruckschicht 22 aus einer Kupferlegierung und der Passivierungsschicht 18 bzw. dem Emitter 12 gewährleistet.Because the seed structure 20 is prepared with sufficient strength, preferably with a thickness of about 1 to 10 nanometers, whereby a continuous layer is ensured, in this way a secure diffusion barrier layer between the screen printing layer 22 made of a copper alloy and the passivation layer 18 or the emitter 12 guaranteed.

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 20 und der präzise aufgetragenen Siebdruckschicht 22 ergeben sich Frontkontakte 19 mit einem sehr niedrigen Kontaktwiderstand und einem geringen Linienwiderstand.The combination of the nickel or nickel alloy seed structure 20 and the precisely applied screen printing layer 22 arise front contacts 19 with a very low contact resistance and a low line resistance.

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 22 bei einer Temperatur unterhalb von 400°C, vorzugsweise bei höchstens 330°C, erfolgt, kann zusätzlich die Rückseite 16 mit einer Passivierungsschicht 23, vorzugsweise aus amorphem Silizium, belegt werden.As the burning of the screen printing layer 22 at a temperature below 400 ° C, preferably at most 330 ° C, takes place, in addition, the back 16 with a passivation layer 23 , preferably made of amorphous silicon, are occupied.

Claims (11)

Verfahren zum Kontaktieren eines Halbleitersubstrates, insbesondere zur Kontaktierung von Solarzellen (10), 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 mindestens eine Siebdruckschicht (22) auf die Saatstruktur (20) mittels eines Siebdruckverfahrens aufgedruckt wird, wobei die Saatstruktur (20) erste Flächenbereiche aufweist und die Siebdruckschicht (22) mit zweiten Flächenbereichen mittels des Siebdruckverfahrens derart erzeugt wird, dass die zweiten Flächenbereiche mit einer Außenkontur der ersten Flächenbereiche übereinstimmen oder innerhalb davon verlaufen.Method for contacting a semiconductor substrate, in particular for contacting solar cells ( 10 ), in particular for the production of front contacts ( 19 ) to solar cells ( 10 ), in which initially a metallic seed structure ( 20 ) is produced on the surface to be contacted by means of a LIFT process and then at least one screen printing layer ( 22 ) on the seed structure ( 20 ) is printed by means of a screen printing process, wherein the seed structure ( 20 ) has first surface areas and the screen printing layer ( 22 ) is produced with second surface areas by means of the screen printing method such that the second surface areas coincide with or extend within an outer contour of the first area areas. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Saatstruktur (20) aus Nickel oder einer Nickellegierung hergestellt wird und die Siebdruckschicht (22) aus einer kupfer- oder nickelhaltigen Siebdruckpaste hergestellt wird.Process according to claim 1, wherein the seed structure ( 20 ) is made of nickel or a nickel alloy and the screen printing layer ( 22 ) is made of a copper or nickel-containing screen printing paste. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Saatstruktur (20) als Diffusionssperrschicht hergestellt wird.Process according to Claim 2, in which the seed structure ( 20 ) is prepared as a diffusion barrier layer. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Saatstruktur (20) und die Siebdruckschicht (22) aus Nickel oder einer Nickellegierung hergestellt werden.Process according to claim 1, wherein the seed structure ( 20 ) and the screen printing layer ( 22 ) are made of nickel or a nickel alloy. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Saatstruktur (20) mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 100 Nanometer, vorzugsweise von 0,5 bis 50 Nanometer, weiter bevorzugt von 1 bis 10 Nanometer hergestellt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the seed structure ( 20 ) is produced with a layer thickness of 0.1 to 100 nanometers, preferably from 0.5 to 50 nanometers, more preferably from 1 to 10 nanometers. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Saatstruktur (20) mittels eines weiteren LIFT-Prozesses verstärkt wird, bevor die Siebdruckschicht (22) aufgetragen wird.Method according to one of the preceding claims, in which the seed structure ( 20 ) is reinforced by means of a further LIFT process before the screen printing layer ( 22 ) is applied. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Saatstruktur (20) durch eine Deckschicht, vorzugsweise durch eine Passivierungsschicht (18) hindurch, vorzugsweise auf einer Frontseite einer Solarzelle (10), erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the seed structure ( 20 ) by a cover layer, preferably by a passivation layer ( 18 ), preferably on a front side of a solar cell ( 10 ), is produced. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Siebdruckpaste durch eine Siebdruckform (36) auf der Saatstruktur (20) aufgetragen wird, die bei einer Temperatur von weniger als 400°C, vorzugsweise höchstens bei 330°C eingebrannt wird.Method according to one of the preceding claims, in which a screen-printing paste is replaced by a screen-printing form ( 36 ) on the seed structure ( 20 ), which is baked at a temperature of less than 400 ° C, preferably at most 330 ° C. Verfahren zum Kontaktieren einer Solarzelle (10), bei dem eine rückseitige Passivierungsschicht (23), vorzugsweise aus amorphem Silizium, aufgebracht wird.Method for contacting a solar cell ( 10 ), in which a backside passivation layer ( 23 ), preferably of amorphous silicon. Solarzelle mit einem Frontkontakt (19) oder mit einem rückseitigen Kontakt, der eine Saatstruktur (20) aus Nickel oder einer Nickellegierung und darauf eine Siebdruckschicht (22) aus Kupfer, einer Kupferlegierung, aus Nickel oder einer Nickellegierung aufweist, wobei die Saatstruktur (20) als Diffusionssperrschicht gegenüber der Siebdruckschicht (22) ausgebildet ist, und wobei die Saatstruktur (20) erste Flächenbereiche aufweist und die Siebdruckschicht (22) zweite Flächenbereiche aufweist, die mit einer Außenkontur der ersten Flächenbereiche übereinstimmen oder innerhalb davon verlaufen.Solar cell with a front contact ( 19 ) or with a back contact having a seed structure ( 20 ) of nickel or a nickel alloy and thereon a screen printing layer ( 22 ) of copper, a copper alloy, nickel or a nickel alloy, the seed structure ( 20 ) as a diffusion barrier layer opposite the screen printing layer (US Pat. 22 ), and wherein the seed structure ( 20 ) has first surface areas and the screen printing layer ( 22 ) has second surface areas which coincide with or extend within an outer contour of the first surface areas. Solarzelle nach Anspruch 10, bei der die Saatstruktur (20) eine Schichtdicke von 0,1 bis 100 Nanometer, vorzugsweise von 0,5 bis 50 Nanometer, weiter bevorzugt von 1 bis 10 Nanometer aufweist.Solar cell according to Claim 10, in which the seed structure ( 20 ) has a layer thickness of 0.1 to 100 nanometers, preferably 0.5 to 50 nanometers, more preferably 1 to 10 nanometers.
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