DE102018105438A1 - Process for producing a photovoltaic solar cell and photovoltaic solar cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle mit den Verfahrensschrittena. Bereitstellen mindestens eines Solarzellenprecursors mit zumindest einer Basis und zumindest einem Emitter;b. Anordnen einer Metallfolie an einer Rückseite des Solarzellenprecursors.Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B zur elektrischen Verbindung der Metallfolie mit dem Solarzellenprecursor in einem Verfahrensschritt B1 eine Mehrzahl metallischer Kontaktelemente an der Rückseite des Solarzellenprecursors ausgebildet werden, welche mit der Basis oder mit dem Emitter elektrisch leitend verbunden sind und in einem Verfahrensschritt B2 die Metallfolie mit den metallischen Punktontakten in Kontakt gebracht und mit diesen elektrisch leitend und mechanisch verbunden wird.The invention relates to a method for producing a photovoltaic solar cell with the Verfahrensschrittena. Providing at least one solar cell precursor having at least one base and at least one emitter; b. Arranging a metal foil on a rear side of the solar cell precursor. The invention is characterized in that in step B for electrical connection of the metal foil to the solar cell precursor in a step B1, a plurality of metallic contact elements are formed on the back side of the solar cell precursor Emitter are electrically connected and brought in a process step B2, the metal foil with the metallic point contacts in contact and electrically conductively and mechanically connected.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine photovoltaische Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 16.The invention relates to a method for producing a photovoltaic solar cell according to the preamble of
Bei der Herstellung von photovoltaischen Solarzellen wird typischerweise an einer Oberfläche der Solarzelle zumindest teilflächig eine metallische Schicht angeordnet, um eine Basis oder einen Emitter der Solarzelle elektrisch zu kontaktieren.In the production of photovoltaic solar cells, a metallic layer is typically at least partially arranged on a surface of the solar cell to electrically contact a base or an emitter of the solar cell.
Typischerweise wird bei photovoltaischen Solarzellen an der bei Benutzung der einfallenden Strahlung abgewandten Seite eine metallische Schicht zur elektrischen Kontaktierung und typischerweise auch zur Verbesserung der optischen Eigenschaften angeordnet.In the case of photovoltaic solar cells, a metallic layer for electrical contacting and typically also for improving the optical properties is typically arranged on the side facing away from the incident radiation when used.
Aus
Aus
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle und ein Verfahren zur deren Herstellung zur Verfügung zu stellen, wobei die Solarzelle mit einer Metallfolie kontaktiert ist und gegenüber dem vorbekannten Verfahren eine verbesserte elektronische Kontaktierungsgüte und somit einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht.The present invention has for its object to provide a solar cell and a method for their preparation are available, wherein the solar cell is contacted with a metal foil and over the prior art method an improved electronic Kontaktierungsgüte and thus enables higher efficiency.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle gemäß Anspruch 1 sowie durch eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Solarzelle finden sich in den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a method for producing a photovoltaic solar cell according to
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Solarzelle ausgebildet, insbesondere einer vorteilhaften Ausführungsform hiervon. Die erfindungsgemäße Solarzelle wird bevorzugt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, insbesondere einer vorteilhaften Ausführungsform hiervon.The inventive method is preferably designed to form a solar cell according to the invention, in particular an advantageous embodiment thereof. The solar cell according to the invention is preferably formed by means of the method according to the invention, in particular an advantageous embodiment thereof.
Bei den eingangs erwähnten, vorbekannten Verfahren zur Kontaktierung einer Solarzelle mittels einer Metallfolie (nachfolgend auch abkürzend „Folie“) wird eine Aluminiumfolie in direktem Kontakt mit der Rückseite eines Precursors bei der Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle gebracht. Dieser Precursor weist eine Halbleiterschicht und eine rückseitige dielektrische Schicht auf. Die Aluminiumfolie wird mittels eines Lasers lokal aufgeschmolzen, sodass die Schmelze die dielektrische Schicht lokal durchdringt und somit ein lokaler Kontakt zu der Halbleiterschicht ausgebildet wird. Beim Aufschmelzen entsteht ein Gemisch aus aufgeschmolzenem Halbleitermaterial und Aluminium, sodass beim Erstarren in der Halbleiterschicht im Bereich der lokalen Kontaktierung ein lokales Back-Surface-Field (BSF) ausgebildet ist, welches die Ladungsträgerrekombination im Bereich der Kontakte verringert.In the above-mentioned, previously known methods for contacting a solar cell by means of a metal foil (hereinafter also abbreviated to "foil"), an aluminum foil is brought into direct contact with the back side of a precursor in the production of a photovoltaic solar cell. This precursor comprises a semiconductor layer and a backside dielectric layer. The aluminum foil is locally melted by means of a laser, so that the melt locally penetrates the dielectric layer and thus a local contact to the semiconductor layer is formed. During melting, a mixture of molten semiconductor material and aluminum is formed, so that upon solidification in the semiconductor layer in the region of the local contacting, a local back-surface field (BSF) is formed which reduces the charge carrier recombination in the region of the contacts.
Untersuchungen zeigen, dass die elektronische Qualität dieses BSF bei lokalem Aufschmelzen einer Metallfolie jedoch geringer ist als bei anderen Herstellungsverfahren, bei welchen lokal metallische Strukturen ausgebildet werden, beispielsweise mittels Siebdruck. Dies ist darin begründet, dass die Tiefe des erzeugten BSF sowie die kristalline Qualität des wieder erstarrten Halbleitermaterials geringer ist und somit aufgrund einer höheren Ladungsträgerrekombination das Potenzial bei Offenklemmspannung und folglich auch im Wirkungsgrad geringer ist.Investigations show that the electronic quality of this BSF with local melting of a metal foil, however, is lower than in other production processes in which locally metallic structures are formed, for example by means of screen printing. This is due to the fact that the depth of the BSF produced and the crystalline quality of the re-solidified semiconductor material is lower and thus the potential for open-circuit voltage and consequently also for efficiency is lower due to a higher charge carrier recombination.
Zwar stellt das vorbekannte Verfahren eine kostengünstige Möglichkeit zur elektrischen Kontaktierung dar, um eine ausreichende mechanische Haftung der Metallfolie zu erzielen, sind jedoch größere lokale Kontaktierungsflächen notwendig, als hinsichtlich einer Optimierung der elektronischen Qualität der Kontaktierung wünschenswert ist. Eine optimale Ausgestaltung des BSF und der Größe der lokalen Kontaktierungen ist zwar grundsätzlich beispielsweise durch die Verwendung von Photolithographieverfahren möglich, hierdurch entstehen jedoch erheblich höhere Herstellungskosten.Although the previously known method represents a cost-effective possibility for electrical contacting in order to achieve adequate mechanical adhesion of the metal foil, larger local contacting areas are necessary than is desirable in terms of optimizing the electronic quality of the contacting. Although an optimal embodiment of the BSF and the size of the local contacts is in principle possible, for example, by the use of photolithography methods, this results in considerably higher production costs.
Die vorliegende Erfindung bietet nun eine Weiterentwicklung bei der elektrischen Kontaktierung der Solarzelle mittels einer metallischen Folie, welche ein höheres Wirkungsgradpotenzial eröffnet bei dennoch geringeren Kosten im Vergleich mit anderen Herstellungsverfahren, die ein gleiches Potenzial bei der Kontaktierung aufweisen:The present invention now offers a further development in the electrical contacting of the solar cell by means of a metallic foil, which opens up a higher efficiency potential at nevertheless lower costs in comparison with other production processes which have the same potential for contacting:
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle umfasst einen Verfahrensschritt A, bei welchem ein Bereitstellen mindestens eines Solarzellenprecursors mit zumindest einer Basis und zumindest einem Emitter erfolgt. In einem Verfahrensschritt B erfolgt ein Anordnen einer Metallfolie an eine Rückseite des Solarzellenprecursors.The method according to the invention for producing a photovoltaic solar cell comprises a method step A, in which provision is made of at least one solar cell precursor having at least one base and at least one emitter. In a method step B, a metal foil is arranged on a rear side of the solar cell precursor.
Wesentlich ist, dass im Verfahrensschritt B zur elektrischen Verbindung der Metallfolie mit dem Solarzellenprecursor in einem Verfahrensschritt
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit vor Anordnung der Metallfolie an einer Rückseite des Solarzellenprecursors metallische Kontaktelemente ausgebildet. Hierdurch können die metallischen Kontaktelemente hinsichtlich der Kontaktfläche und eines lokalen BSF im Bereich der Kontaktelemente optimiert werden, um eine hohe elektronische Qualität und insbesondere niedrige Ladungsträgerrekombination an den Kontaktelementen zu erzielen. Weiterhin wird durch die Verwendung der Metallfolie, welche mit den Kontaktelementen elektrisch leitend verbunden wird, in kostengünstiger Weise eine rückseitige Metallisierung mit geringem Serienwiderstandsverlusten geschaffen. Die Verwendung der Metallfolie bietet darüber hinaus die Vorteile einer erhöhten optischen Qualität, da die Metallfolie für aus der Rückseite des Precursors austretende Strahlung als Spiegel wirkt und somit die Absorptionswahrscheinlichkeit auf die Solarzelle auftreffender Photonen erhöht wird.In the method according to the invention, metallic contact elements are thus formed on a rear side of the solar cell precursor prior to the arrangement of the metal foil. As a result, the metallic contact elements with regard to the contact surface and a local BSF in the region of the contact elements can be optimized in order to achieve a high electronic quality and, in particular, low charge carrier recombination at the contact elements. Furthermore, the use of the metal foil, which is electrically conductively connected to the contact elements, creates in a cost-effective manner a backside metallization with low series resistance losses. The use of the metal foil also offers the advantages of increased optical quality, since the metal foil acts as a mirror for radiation emerging from the back of the precursor and thus increases the probability of absorption of photons incident on the solar cell.
Ebenso wird die der Metallfolie zugewandte Oberfläche des Solarzellenprecursors, insbesondere eine Isolierungs- und/oder Passivierungsschicht durch die Metallfolie nicht beeinflusst. Dieser „schonende“ mechanische Kontakt kann darüber hinaus aufgrund eines verbesserten Luftspalts die optischen Eigenschaften der Solarzelle verbessern und erlaubt eine substantielle Vereinfachung der Isolierungs- und/oder Passivierungsschicht. Weiterhin kann die Passivierschichtdicke wesentlich reduziert werden, was wiederum die Herstellung dieser Solarzelle günstiger macht.Likewise, the surface of the solar cell precursor facing the metal foil, in particular an insulation and / or passivation layer, is not influenced by the metal foil. This "gentle" mechanical contact can also improve the optical properties of the solar cell due to an improved air gap and allows a substantial simplification of the insulation and / or passivation layer. Furthermore, the Passivierschichtdicke can be significantly reduced, which in turn makes the production of this solar cell cheaper.
Vorzugsweise wird somit Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
Vorteilhafterweise wird vor Verfahrensschritt
Hierdurch wird in kostengünstiger Weise die Ausbildung der Kontaktelemente ermöglicht und gleichzeitig ein direkter elektrischer Kontakt zwischen Metallfolie und Emitter bzw. Basis des Solarzellenprecursors vermieden. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Isolierungsschicht zusätzliche als Passivierungsschicht zur Verringerung der Oberflächenrekombination ausgebildet ist.As a result, the formation of the contact elements is made possible in a cost effective manner and at the same time avoids direct electrical contact between the metal foil and the emitter or base of the solar cell precursor. In particular, it is advantageous that the insulation layer is additionally formed as a passivation layer for reducing surface recombination.
Vorteilhafterweise wird hierbei vor Verfahrensschritt
Hierdurch wird in kostengünstiger Weise eine Definition der Position sowie der Größe der Kontaktelemente durch Definition der lokalen Öffnungen in der dielektrischen Schicht gewährleistet.As a result, a definition of the position and the size of the contact elements by defining the local openings in the dielectric layer is ensured in a cost effective manner.
In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform werden im Verfahrensschritt
Hierdurch ergibt sich zwar der Nachteil, dass weniger exakt Position und insbesondere Größe der Kontaktelemente vorgebbar ist und dass - insbesondere im Fall der heute üblichen Ausführungsform des Passivierschichtstapels mit Siliziumnitrid Schutzschicht- zusätzliche Stoffe wie beispielsweise Glasfritte zum Durchdringen der Isolierungsschicht dem metallischen Material für die Kontaktelemente beigemischt werden müssen. Ein Vorteil des Verfahrens ist jedoch, dass geringere Anforderungen an eine Isolierungs- oder Passivierungsschicht bei Verwendung einer Metallfolie, insbesondere einer Aluminiumfolie im Vergleich mit bisher üblichen ganzflächigen Rückseitenmetallisierungen gestellt werden. Dies ermöglicht, die Dicke einer Isolierungs- oder Passivierungsschicht zu reduzieren und alternative Materialien einzusetzen, insbesondere auch solche, die nicht mehr gegenüber Siebgedrucktem Aluminiumpasten resistent sind. Im Gegenzug entfällt weiterhin der Verfahrensschritt des vorherigen Öffnens der Isolierungsschicht.Although this results in the disadvantage that less precise position and in particular size of the contact elements can be specified and that - especially in the case of today usual embodiment of Passivierschichtstapels with silicon nitride protective layer - added additional substances such as glass frit for penetrating the insulating layer of the metallic material for the contact elements Need to become. An advantage of the method, however, is that lower requirements for an insulation or passivation layer when using a metal foil, in particular an aluminum foil in comparison with hitherto customary full-surface backside metallizations. This makes it possible to reduce the thickness of an insulation or passivation layer and to use alternative materials, especially those which are no longer resistant to screen-printed aluminum pastes. In return, the process step of the previous opening of the insulation layer is eliminated.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist als weiteren Vorteil auf, dass bei Anordnen der metallischen Folie an der Rückseite des Solarzellenprecursors nur ein geringes Risiko besteht, dass sich die Metallfolie außerhalb der Kontaktelemente elektrisch leitend mit Emitter oder Basis des Precurors verbindet. Bei vorbekannten Verfahren, welche beispielsweise Metallpartikel enthaltende Pasten mittels Siebdruck ganzflächig aufbringen, besteht das Risiko, dass an unerwünschten Stellen die rückseitige Metallisierung durch eine Isolierungsschicht Halbleiterbereiche kontaktiert und so zu einer erhöhten Rekombination oder Kurzschlüssen führt (sogenanntes „Spiking“). Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass einerseits Kontaktelemente mit hoher elektronischen Qualität erzeugt werden können und andererseits das Risiko von Spiking ausgeschlossen oder zumindest erheblich verringert ist. Daher kann eine Isolierungsschicht dünn ausgebildet werden. Bevorzugt weist die Isolierungsschicht daher eine Dicke < 50 nm, insbesondere < 30 nm, bevorzugt < 10 nm auf.The inventive method has as a further advantage that when arranging the metallic foil on the back of the solar cell precursors there is only a slight risk that the metal foil outside the contact elements electrically conductively connects to the emitter or base of the precursor. In previously known methods, for example, applying paste containing paste particles by means of screen printing over the entire surface, there is the risk that at undesirable sites the backside metallization contacted by an insulating layer semiconductor regions and thus leads to increased recombination or short circuits (so-called "spiking"). The method according to the invention has the advantage that on the one hand contact elements with high electronic quality can be produced and on the other hand the risk of spiking is excluded or at least considerably reduced. Therefore, an insulation layer can be made thin. The insulating layer therefore preferably has a thickness of <50 nm, in particular <30 nm, preferably <10 nm.
Wie zuvor beschrieben, wird durch die Verwendung der Metallfolie das Risiko von Spiking vermieden und andererseits bietet die Metallfolie einen optischen Spiegel zur Verbesserung der rückseitigen Reflexionseigenschaften. Im Gegenzug zu anderen Solarzellenstrukturen sind daher rückseitig weitere Schichten nicht zwingend notwendig. Bevorzugt wird zwischen Metallfolie und der Rückseite des Solarzellenprecursors keine weitere Schicht als die vorgenannte Isolierungsschicht angeordnet.As described above, the use of the metal foil avoids the risk of spiking, and on the other hand, the metal foil provides an optical mirror for improving the rear reflection characteristics. In return for other solar cell structures, therefore, further layers are not absolutely necessary on the back side. Preferably, no further layer is arranged between the metal foil and the back side of the solar cell precursor than the aforementioned insulating layer.
Die metallischen Kontaktelemente werden bevorzugt ohne Fritte ausgebildet. Hierdurch werden nachteilige Beeinträchtigungen des Halbleitermaterials durch Fritte vermieden.The metallic contact elements are preferably formed without a frit. As a result, adverse effects of the semiconductor material are avoided by frit.
Gemäß dem heute geltenden Model zur Ausbildung des rückseitigen BSF wird Silizium während des Hochtemperaturprozesses geschmolzen und bewegt sich in die poröse siebgedruckte Aluminiumschicht. Dabei entstehen im Silizium Hohlräume welche für die Solarzellen schlecht sind und zu einem reduzierten Wachstum des wichtigen lokalen BSF Bereichs führt. Gleichzeitig verringert sich die Leitfähigkeit der Aluminiumpaste durch die Vermischung mit Silizium. Der Austausch der Materialien kann reduziert werden, indem weniger Aluminium aufgedruckt wird. Das Drucken kleiner Punkte, wie es der hier beschriebene Ansatz erlaubt, führt somit weiterhin auch zu einem verbesserten lokalen BSF.Silicon is melted during the high temperature process and moves into the porous screen-printed aluminum layer, according to the present-day model for forming the backside BSF. This creates cavities in the silicon which are poor for the solar cells and lead to a reduced growth of the important local BSF area. At the same time, the conductivity of the aluminum paste is reduced by mixing with silicon. The replacement of materials can be reduced by printing less aluminum. The printing of small dots, as permitted by the approach described here, thus continues to lead to an improved local BSF.
Die Isolierungsschicht ist bevorzugt als Aluminiumoxidschicht ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf an sich bekannte Prozessschritte zur Herstellung einer solchen Schicht zurückgegriffen werden kann.The insulating layer is preferably formed as an aluminum oxide layer. This has the advantage that recourse can be had to process steps known per se for the production of such a layer.
Die Kontaktelemente werden bevorzugt mittels eines Druckverfahrens, insbesondere bevorzugt mittels Siebdruck oder Inkjetdruck ausgebildet. Hierdurch kann auf an sich bekannte und zum Erzeugen von metallischen Kontaktstrukturen bei photovoltaischen Solarzellen bereits eingesetzte Verfahren und Apparaturen zurückgegriffen werden.The contact elements are preferably formed by means of a printing method, particularly preferably by screen printing or inkjet printing. This makes it possible to resort to methods and apparatuses which are known per se and have already been used for producing metallic contact structures in photovoltaic solar cells.
In Verfahrensschritt
In einer alternativen Ausführungsform wird die Metallfolie mittels eines Leitklebers elektrisch leitend und mechanisch mit Kontaktelementen verbunden. Hierdurch kann auf eine weitere Erwärmung verzichtet werden.In an alternative embodiment, the metal foil is electrically conductively and mechanically connected to contact elements by means of a conductive adhesive. This can be dispensed with further heating.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Metallfolie an der dem Solarzellenprecursor zugewandten Seite zumindest jeweils im Bereich der Kontaktelemente, bevorzugt ganzflächig, mit einem Lot, bevorzugt ein Lot mit einem Schmelzpunkt kleiner 600 °C, beschichtet ist und mittels Wärmeeinwirkung das Lot mit den Punktontakten elektrisch leitend und mechanisch verbunden wird. Hierdurch ist in einfacher Weise, insbesondere mittels Löten, die Verbindung zwischen Metallfolie und Kontaktelementen herstellbar. Als Lot wird bevorzugt Zinn als Basis und in Verbindung mit weiteren Legierungselementen wie Kupfer, Silber, Wismut oder Blei verwendet.In a further advantageous embodiment, the metal foil on the side facing the solar cell precursor is at least in each case in the region of the contact elements, preferably over the entire surface, with a solder, preferably a solder having a melting point less than 600 ° C, coated and electrically by means of heat the solder with the point contacts conductive and mechanically connected. As a result, in a simple manner, in particular by means of soldering, the connection between metal foil and contact elements can be produced. The solder used is preferably tin as a base and in combination with other alloying elements such as copper, silver, bismuth or lead.
Wie zuvor beschrieben vereint die vorliegende Erfindung die Vorteile von rückseitigen metallischen Kontaktelementen, welche hinsichtlich der Kontakteigenschaften, insbesondere hinsichtlich einer niedrigen Kontaktrekombination, optimiert sind, mit den Vorteilen des Verwendens einer metallischen Folie. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Kontaktelemente länglich ausgebildet sind, insbesondere als Linienkontakte. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der Kontaktelemente als Punktkontakte, um Materialaufwand und Ladungsträgerrekombination zu reduzieren. Ebenso können zwei oder mehrere Punktkontakte über metallische Verbindungselemente elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Ebenso kann eine Teilmenge der Kontaktelemente als Punktkontakte und eine andere Teilmenge als Linienkontakte ausgebildet sein.As described above, the present invention combines the advantages of backside metal contact elements, which are optimized in terms of contact properties, particularly with respect to low contact recombination, with the advantages of using a metallic foil. It is within the scope of the invention that the contact elements are elongate, in particular as line contacts. Particularly advantageous is the formation of the contact elements as point contacts to reduce material costs and charge carrier recombination. Likewise, two or more point contacts can be electrically conductively connected to one another via metallic connecting elements. Likewise, a subset of the contact elements be designed as point contacts and another subset as line contacts.
Vorteilhafterweise sind jedoch die Kontaktelemente außerhalb von Halbleiterschichten des Solarzellenprecursors ausschließlich mittels einer Metallfolie elektrisch leitend miteinander verbunden. In dieser vorteilhaften Ausführungsform finden sich somit keine weiteren metallischen Kontaktstrukturen wie beispielsweise Kontaktierungsfinger oder Busbars an der Rückseite der Solarzelle, welche die Kontaktelemente miteinander verbinden. Hierdurch werden die für diese Prozessschritte sonst notwendigen Kosten und insbesondere auch Beeinträchtigungen des Halbleitermaterials bei Herstellung solcher weiteren metallischen Kontaktstrukturen vermieden.Advantageously, however, the contact elements outside of semiconductor layers of the solar cell precursor are electrically conductively connected to one another exclusively by means of a metal foil. In this advantageous embodiment, there are thus no further metallic contact structures, such as, for example, contacting fingers or busbars on the rear side of the solar cell, which connect the contact elements to one another. As a result, the otherwise necessary for these process steps costs and in particular impairments of the semiconductor material in the production of such further metallic contact structures are avoided.
Die Metallfolie wird bevorzugt die Rückseite des Solarzellenprecursors vollständig bedeckend ausgebildet. Hierdurch wird eine hohe Leitfähigkeit und gleichzeitig vollflächig die optische Verbesserung an der Rückseite des Solarzellenprecursors erzielt.The metal foil is preferably formed completely covering the back of the solar cell precursor. As a result, a high conductivity and at the same time the entire surface of the optical improvement is achieved at the back of the solar cell precursor.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die zur konventionellen Verschaltung per Löten notwendigen lötbaren Metalle nicht mehr in Form von Lötpads direkt auf der Zelle aufgebracht werden müssen, sondern auf der Folie angeordnet sein können. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Metallfolie daher an der dem Solarzellenprecursor abgewandten Seite zumindest ein, bevorzugt mehrere Lötpads auf. Ein Lötpad ist bevorzugt definiert, als eine Zone, in welcher der Zellverbinder an die Rückseitenelektrode angelötet wird. Lötpads sind bevorzugt als Rechtecke mit einer Breite von bevorzugt 2-3 mm und einer Länge von bevorzugt 10-20 mm ausgebildet. Pro Zellverbinder werden typischerweise 4-10 Pads benötigt.Another advantage of the invention is that the solderable metals necessary for conventional wiring by soldering no longer have to be applied directly to the cell in the form of soldering pads, but can be arranged on the film. In an advantageous embodiment, the metal foil therefore has at least one, preferably a plurality of solder pads, on the side facing away from the solar cell precursor. A solder pad is preferably defined as a zone in which the cell connector is soldered to the backside electrode. Solder pads are preferably formed as rectangles with a width of preferably 2-3 mm and a length of preferably 10-20 mm. Per cell connectors typically require 4-10 pads.
Bei den bekannten „Multi Busbar“-Verschaltungskonzepten, bei denen immer mehr „Busbars und damit auch Zellverbinder ausgebildet werden, nimmt die Anzahl an benötigten Lötpads nochmals deutlich zu, da in diesem Fall typischerweise zwischen 10-20 Zellverbinder pro Zelle ausgebildet werden und die Anzahl der Pads auf typischerweise 40-200 steigen wird.In the known "multi-busbar" switching concepts in which more and more busbars and thus also cell connectors are formed, the number of soldering pads required increases again significantly, since in this case typically between 10-20 cell connectors per cell are formed and the number the pads will rise to typically 40-200.
Bei klassischen Solarzellen werden typischerweise die Pads aus Silber hergestellt und in einem extra Druckschritt Ag-Paste verdruckt. Die gedruckte AI-Paste enthält gewisse Aussparungen, um das Silber nicht komplett zu überdrucken. An den Lötpads können demnach keine Kontakte zur Basis ausgebildet werden, weil sich eine AI-Hochdotierung ausbilden würde und die Qualität der Kontakte damit schlecht ist.In the case of classic solar cells, the pads are typically made of silver and Ag paste is printed in an extra printing step. The printed AI paste contains some notches so as not to completely overprint the silver. Accordingly, no contacts to the base can be formed on the solder pads, because an Al high doping would form and the quality of the contacts is therefore poor.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Ausbildung von „Lötpads“ auf der Folie. Vorteilhafterweise weist die Metallfolie daher an der dem Solarzellenprecursor abgewandten Seite mindestens ein, bevorzugt eine Mehrzahl von Lötpads auf. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die „Löt-Pads“ als ein vollflächiges Löt-Pad ausgebildet, bevorzugt durch eine vollflächig aufgebrachte Beschichtung der Folie mit einer lötfähigen Schicht oder Schichtstapeln. Diese Beschichtung kann beispielsweise im Rolle zu Rolle Verfahren über Physikalische Gasphasenabscheidung erzeugt werden. Neben einer Vollflächigen Beschichtung ist auch eine lokale Beschichtung der Folie möglich, beispielsweise mit Druck oder nasschemischen Verfahren. Neben lötfähigen Metallen können auch leitfähige Klebstoffe abgeschieden werden.The inventive method allows the formation of "solder pads" on the film. Advantageously, the metal foil therefore has at least one, preferably a plurality of soldering pads on the side facing away from the solar cell precursor. In a preferred embodiment, the "solder pads" are formed as a full-surface solder pad, preferably by a full-surface applied coating of the film with a solderable layer or layer stacks. This coating can be produced, for example, in the roll to roll process via physical vapor deposition. In addition to a full-surface coating, a local coating of the film is also possible, for example with pressure or wet-chemical methods. In addition to solderable metals and conductive adhesives can be deposited.
Neben einer Beschichtung kann ein Lötfähiger Bereich auch durch Modifikation der Folienoberfläche ohne ein weiteres Material erreicht werden, indem die Folie an den entsprechenden Bereichen in ihrer Oberflächenmorpholie verändert wird oder das bei der Lötung hinderliche Aluminiumoxid an der Folienoberseite entfernt wird.In addition to a coating, a solderable region can also be achieved by modifying the film surface without any further material by changing the film at the corresponding regions in its surface morphology or by removing the aluminum oxide on the film top, which hinders soldering.
Dadurch kann die Verbindung zwischen Metallfolie und Solarzellenprecursor vorteilhaft ausgebildet werden, beispielsweise durch eine vollflächig homogene Bedeckung mit Kontaktelementen, da keine Bereiche mehr für Lötpads ausgespart werden müssen. Weiterhin kann der elektrische Widerstand an der Lötstelle reduziert werden, da der Widerstand zwischen gedruckten AI-Bereichen und gedruckten Ag-Pads bei einer Standardsolarzelle einen erheblichen elektrischen Widerstand verursacht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auf der Rückseite nur noch AI-Paste gedruckt und nicht mehr auch zusätzlich Ag-Paste gedruckt wird und der Feuerprozess daher ausschließlich an die Ausbildung der lokalen Rückseitenkontakte angepasst werden kann.As a result, the connection between the metal foil and the solar cell precursor can be formed advantageously, for example, by a homogeneous homogeneous coverage with contact elements, since no more areas have to be cut out for soldering pads. Furthermore, the electrical resistance at the solder joint can be reduced since the resistance between printed AI regions and printed Ag pads in a standard solar cell causes considerable electrical resistance. Another advantage is that only AI paste is printed on the back and no longer additional Ag paste is printed and the firing process can therefore be adapted exclusively to the formation of the local backside contacts.
Das Ausbilden der Kontakte erfordert typischerweise eine Wärmebehandlung, insbesondere ein sogenanntes „Feuern“ der Kontakte. Diese Wärmebehandlung wird bevorzugt vor Verfahrensschritt
Der Solarzellenprecursor kann an sich bekannter Weise ausgebildet sein. Insbesondere kann an einer bei Benutzung der Lichtquelle zugewandten Vorderseite ein Emitter ausgebildet sein, welcher mit einer vorderseitigen metallischen Kontaktierungsstruktur, insbesondere an sich bekannten Kontaktierungsgittern kontaktiert ist. Ebenso können vorderseitig Strukturen und/oder Schichtsysteme zur Erhöhung der optischen Qualität und/oder zur Verringerung der vorderseitigen Ladungsträgerrekombination vorgesehen sein. Die Ausbildung von Emitter sowie weiteren Strukturen und Schichten erfolgt bevorzugt vor Ausbilden der rückseitigen Kontaktierung, das heißt vor Durchführen von Verfahrensschritt B mit den Verfahrensschritten
Die Kontaktierungspunkte können eine beliebige Form aufweisen. Bevorzugt überdeckt jeder Kontaktierungspunkt eine Kreisfläche mit einem Durchmesser liegt in einem Bereich von 10 µm bis 500 |jm, bevorzugt 50 µm bis 200 µm.The contact points can have any shape. Preferably, each contact point covers a circular area with a diameter in a range of 10 .mu.m to 500 .mu.m, preferably 50 .mu.m to 200 .mu.m.
In der vorteilhaften Ausführungsform mit Vorsehen einer Isolierungsschicht ist die unter einem Kontaktelement liegende Öffnung der Isolierungsschicht bevorzugt kleiner als der Durchmesser des metallischen Kontaktelementes. Die Größe des sich ausbildenden lokalen BSF ist bevorzugt ebenfalls größer als die Öffnung in der dielektrischen Schicht. Um Serienwiderstandsverluste im Halbleitermaterial der Solarzelle zu vermeiden, weisen die Kontaktierungspunkte bevorzugt einen Abstand zum nächsten Nachbar kleiner 1000µm auf.In the advantageous embodiment with provision of an insulation layer, the opening of the insulation layer lying below a contact element is preferably smaller than the diameter of the metallic contact element. The size of the local BSF that forms is preferably also larger than the opening in the dielectric layer. In order to avoid series resistance losses in the semiconductor material of the solar cell, the contacting points preferably have a distance to the nearest neighbor of less than 1000 .mu.m.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der gedruckte Metallpunkt größer als die darunterliegende Öffnung der Isolierungsschicht ausgebildet und die mittels Laserstrahlung erzeugte elektrische leitende und mechanische Verbindung zwischen Metallfolie und Kontaktelement auf einem Abschnitt der Metallfolie neben der Öffnung der Isolierungsschicht erzeugt und somit nicht an der Stelle, an der der eigentliche elektrische Kontakt zwischen Punktontakt und einer Halbleiterschicht des Solarzellenprecursors ausgebildet ist.In a preferred embodiment, the printed metal spot is formed to be larger than the underlying opening of the insulating layer and the laser-generated electrical conductive and mechanical bond between metal foil and contact element is formed on a portion of the metal foil adjacent to the opening of the insulating layer and thus not at the location where the actual electrical contact between point contact and a semiconductor layer of the solar cell precursor is formed.
Der Flächenbedeckungsgrad der Öffnung in der Isolierungsschicht ist bevorzugt < 5%, weiter bevorzugt kleiner 3%, insbesondere im Bereich von 1%. Eine bevorzugter Öffnungsdurchmesser liegt bei ca 30-100 µm. Der sich daraus ableitende Abstand dieser Öffnungen liegt im Bereich < 1mm. Der auf einer solchen Öffnung gut zu applizierende metallische Punkt hat die Größe der Öffnung +50-100 µm. Idealerweise ist der Metallkontakt so klein wie möglich, nicht aber kleiner als die Öffnung in der dielektrischen Schicht.The area coverage of the opening in the insulation layer is preferably <5%, more preferably less than 3%, especially in the range of 1%. A preferred opening diameter is about 30-100 microns. The resulting distance from these openings is in the range <1mm. The metallic point to be applied well on such an opening has the size of the opening + 50-100 μm. Ideally, the metal contact is as small as possible, but not smaller than the opening in the dielectric layer.
Die eingangs erwähnte Aufgabe ist weiterhin gelöst durch eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 16. Die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle weist eine Basis und einen Emitter und zumindest eine an einer Rückseite der Solarzelle angeordnete metallische Rückseitenkontaktierung auf.The above-mentioned object is further achieved by a photovoltaic solar cell according to claim 16. The photovoltaic solar cell according to the invention has a base and an emitter and at least one arranged on a rear side of the solar cell metallic Rückseitenkontaktierung.
Wesentlich ist, dass die metallische Rückseitenkontaktierung eine Mehrzahl metallischer Kontaktelemente aufweist, welche elektrisch leitend mit Basis oder dem Emitter verbunden sind und dass die metallische Rückseitenkontaktierung eine Metallfolie aufweist, welche Kontaktelemente überdeckt und elektrisch leitend und mechanisch mit diesen verbunden ist.It is essential that the metallic back contact has a plurality of metallic contact elements, which are electrically conductively connected to the base or the emitter and that the metallic back contact has a metal foil, which covers contact elements and is electrically conductively and mechanically connected thereto.
Hierdurch ergeben sich die vorangehend erwähnten Vorteile.This results in the advantages mentioned above.
Bevorzugt ist zwischen Metallfolie und Basis und/oder Emitter eine Isolierungsschicht angeordnet, welche von den Kontaktelementen durchdrungen wird und welche eine Dicke < 100 nm, insbesondere < 30 nm, bevorzugt < 10 nm aufweist.Preferably, an insulating layer is arranged between the metal foil and the base and / or emitter, which is penetrated by the contact elements and which has a thickness of <100 nm, in particular <30 nm, preferably <10 nm.
Als metallische Folie wird bevorzugt eine Aluminiumfolie verwendet. Die metallische Folie weist bevorzugt eine Dicke im Bereich 6µm bis 50 µm auf.As the metallic foil, an aluminum foil is preferably used. The metallic foil preferably has a thickness in the range of 6 μm to 50 μm.
Die metallische Folie ist bevorzugt als flexible metallische Folie ausgebildet. Wesentlich ist, dass die metallische Folie vor Anordnung an den Solarzellenprecursor bereits als Folie ausgebildet ist und somit im Gegensatz zu anderen Herstellungsverfahren keine metallische Schicht durch Druckverfahren oder Abscheideverfahren darstellt.The metallic foil is preferably formed as a flexible metallic foil. It is essential that the metallic foil is already formed as a film before being arranged on the solar cell precursor and thus, in contrast to other production methods, does not represent a metallic layer by means of printing processes or deposition processes.
Die Kontaktelemente können aus dem gleichen Metall der Metallfolie oder aus einem von diesem verschiedenen Metall ausgebildet werden.The contact elements may be formed from the same metal of the metal foil or from a different metal therefrom.
Die Kontaktelemente sind bevorzugt aus Aluminium ausgebildet, insbesondere bei Kontaktierung eines p-Dotierten Bereichs mittels der Kontaktelemente, also der Kontaktierung der Basis bei einer Standard Bor-dotierten Siliziumsolarzelle. Weiterhin können auch p-dotierte Bereiche wie der Emitter einer n-Typ Solarzelle gut mit Aluminium kontaktiert werden.The contact elements are preferably made of aluminum, in particular when contacting a p-doped region by means of the contact elements, that is, the contacting of the base in a standard boron-doped silicon solar cell. Furthermore, p-doped regions such as the emitter of an n-type solar cell can be contacted well with aluminum.
Daneben sind auch Legierungen auf der Basis von Aluminium denkbar, wie zB Legierungen aus Al-Ag. Auch andere Metall wie beispielsweise aufgeplatetes Nickel oder Kupfer, die lokale einen sehr guten Kontakt ausbilden, können verwendet werden.In addition, alloys based on aluminum are conceivable, such as alloys of Al-Ag. Other metals, such as platinum-plated nickel or copper, which form very good contact with local, can also be used.
Die Metallfolie ist bevorzugt aus Aluminium ausgebildet, insbesondere bevorzugt eine Aluminiumfolie. Ebenso liegen Folien aus anderen Metallen und auch teilweise beschichtete und/oder mehrlagige Folien im Rahmen der Erfindung.The metal foil is preferably formed of aluminum, particularly preferably an aluminum foil. Likewise, films of other metals and also partly coated and / or multilayer films are within the scope of the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Herstellung photovoltaischer Silizium-Solarzellen geeignet, bei welchen zumindest die Basis und bevorzugt auch der Emitter in einer Halbleiterschicht, welche eine Siliziumschicht ist, ausgebildet sind. Insbesondere ist das vorliegende Verfahren zur Ausbildung von photovoltaischen Solarzellen, welche auf Silizium-Wafern basieren, geeignet. Die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle ist daher bevorzugt als Silizium-Solarzelle, insbesondere bevorzugt als auf einem Silizium-Wafer basierende Silizium-Solarzelle ausgebildet.The method according to the invention is particularly suitable for producing photovoltaic silicon solar cells, in which at least the base, and preferably also the emitter, in a semiconductor layer, which is a silicon layer, are formed. In particular, the present method is suitable for forming photovoltaic solar cells based on silicon wafers. The photovoltaic solar cell according to the invention is therefore preferably designed as a silicon solar cell, in particular preferably as a silicon solar cell based on a silicon wafer.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von einem Ausführungsbeispiel und den Figuren erläutert. Dabei zeigt
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Weiterhin ist in den Figuren die nach Fertigstellung der Solarzelle der Lichtquelle zugewandte Vorderseite jeweils untenliegend und entsprechend die Rückseite, welche bei Benutzung der Lichtquelle abgewandt ist, obenliegend dargestellt.In the figures, like reference numerals designate like or equivalent elements. Furthermore, in the figures, after the completion of the solar cell of the light source facing the front respectively below and according to the back, which faces away when using the light source, overhead.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß
In einem Verfahrensschritt B erfolgt eine Anordnung einer Metallfolie an der Rückseite des Solarzellenprecursors
Der Solarzellenprecursor ist aus einem p-dotierten Siliziumwafer ausgebildet, weist somit eine p-dotierte Basis auf. Ebenso kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Solarzellenprecursor aus einem n-dotierten Siliziumwafer ausgebildet werden, und somit eine n-dotierte Basis und einen rückseitigen, p-dotierten Emitter aufweisen.The solar cell precursor is formed from a p-doped silicon wafer, thus has a p-doped base. Likewise, in another embodiment, the solar cell precursor can be formed from an n-doped silicon wafer, and thus have an n-doped base and a backside, p-doped emitter.
Der Verfahrensschritt B weist Verfahrensschritte
In einem Verfahrensschritt
Dieser Zustand ist in
Die Punktkontakte
Im Verfahrensschritt
Dieser Verfahrensschritt ist in
Wie weiterhin in
Die in den
Bei dem in
Anschließend wird mittels Siebdruck jeweils an den Stellen, an welchen ein Punktkontakt erzeugt werden soll, jeweils eine Metallpartikel- und Glasfritte enthaltende Paste aufgebracht. Mittels Erwärmung in einem Ofen (ein sogenannter „Feuerungsschritt“) werden die metallischen Punktkontakte erzeugt, welche mit der Basis des Solarzellenprecursors
Anschließend erfolgt, wie bereits beim ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt, in einem Verfahrensschritt
Dies ist in
Das in
Zunächst wird ein Solarzellenprecursor
Anschließend wird mittels eines Laserstrahls
Anschließend wird mittels Siebdruck an den lokalen Öffnungen jeweils eine Metallpartikel enthaltende Paste aufgebracht und in einem anschließenden Temperaturschritt werden die metallischen Punktkontakte
Das Ergebnis nach Verfahrensschritt
Anschließend wird wie auch bei den beiden vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erläutert, die Metallfolie
Die Punktkontakte werden bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen aus Aluminium ausgebildet. Die Metallfolie ist eine Aluminiumfolie.The point contacts are formed in the present embodiments of aluminum. The metal foil is an aluminum foil.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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JP H05 - 110 122 A (Maschinenübersetzung), AIPN [online] JPO [abgeru-fen am 30.01.2019] * |
Also Published As
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