DE102012100285B4

DE102012100285B4 - Solarzellen Rückseitenstruktur

Info

Publication number: DE102012100285B4
Application number: DE102012100285.1A
Authority: DE
Inventors: Janko Cieslak; Matthias Hofmann; Andrey STEKOLNIKOV; Hans-Christoph Ploigt
Original assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2032-01-14
Also published as: DE102012100285A1

Abstract

Solarzelle, aufweisend einen Halbleiterwafer (1) mit einer Rückseitenoberfläche und einer auf der Rückseitenoberfläche angeordneten Rückseitenelektrodenstruktur (2), wobei die Rückseitenelektrodenstruktur (2) einen ersten Lötkontakt (2.1) mit einer ersten Lötkontaktfläche, einen zweiten Lötkontakt (2.2) mit einer zweiten Lötkontaktfläche und eine Rückseitenmetallisierung (3) aufweist, die über die Hälfte der Rückseitenoberfläche bedeckt, wobei die Lötkontakte (2.1, 2.2) aus einem anderen Material als die Rückseitenmetallisierung bestehen, wobei von dem ersten Lötkontakt (2.1) zu dem zweiten Lötkontakt (2.2) ein elektrisch leitender Verbindungskanal (4) entlang einer Erstreckungsrichtung (E) verläuft, der den ersten Lötkontakt (2.1) mit dem zweiten Lötkontakt (2.2) elektrisch kontaktiert und auf der Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers eine Leitkanalfläche bedeckt, wobei die Leitkanalfläche kleiner ist als die erste Lötkontaktfläche und/oder die Leitkanalfläche kleiner ist als die zweite Lötkontaktfläche.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle aufweisend einen Halbleiterwafer mit einer Rückseitenoberfläche und einer auf der Rückseitenoberfläche angeordneten Rückseitenelektrodenstruktur, wobei die Rückseitenelektrodenstruktur einen ersten Lötkontakt mit einer ersten Lötkontaktfläche, einen zweiten Lötkontakt mit einer zweiten Lötkontaktfläche und eine Rückseitenmetallisierung aufweist. Die Rückseitenmetallisierung bedeckt über die Hälfte der Rückseitenoberfläche.
Der Grundbestandteil einer solchen kristallinen Solarzelle ist ein Halbleiterwafer. Hierbei handelt es sich um eine flache Scheibe eines Halbleitermaterials, beispielsweise Silizium, mit einer Dicke von ca. 80 bis 200 Mikrometern. Der Halbleiterwafer ist üblicherweise quadratisch oder mit abgeschrägten Ecken (pseudosquare) geformt und weist eine Kantenlänge von 10,16 bis 15,24 cm (4 bis 6 Zoll) auf.
Bei einer derart beidseitig kontaktierten kristallinen Solarzelle ist die Frontseitenelektrodenstruktur üblicherweise als Gitter aufgebaut, welches mittels Siebdruckverfahren unter Einsatz einer silberhaltigen Siebdruck-Metallpaste aufgedruckt wird. Hierbei ist ein Kompromiss zwischen großflächigem elektrischem Kontakt und damit geringem Serienwiderstand sowie andererseits einer möglichst geringen Abschattung zu wählen.
Auf der lichtabgewandten Seite spielt die Abschattung keine Rolle. Aus der DE 10 2011 055 143 A1 ist beispielsweise eine Solarzelle bekannt, bei der eine Lötkontakte aufweisende Rückseitenelektrodenstruktur mindestens 6%, 10%, 20% oder 50% und weniger als 95% der Rückseitenoberfläche bedeckt und der Rest Freibereiche darstellen, in denen die Rückseitenelektrodenstruktur eine Passivierungsschicht oder den Halbleiterwafer nicht bedeckt. US 2011/0 197 964 A1 beschreibt Solarzellen, bei denen eine Rückseitenelektrodenstruktur die Rückseitenoberfläche teilflächig oder vollflächig bedeckt. Hier kann daher eine vollflächige Metallisierung aufgebracht werden, üblicherweise gebildet aus einer aluminiumhaltigen Paste. Da sich diese jedoch nicht mit elektrischen Zellverbindern, üblicherweise metallische Bändchen mit einem Kupferkern, welche mehrere benachbarte Solarzellen miteinander elektrisch verbinden, verlöten lässt, ist es nötig, auf der lichtabgewandten Seite die vorangehend genannten Lötkontaktflächen auszubilden. Üblicherweise sind diese Lötkontaktflächen aus einer silberhaltigen Paste aufgebaut und werden als langgestreckte Streifen von der Breite des Zellverbinders, als sogenannte Busbars, ausgebildet, wobei sich ihre Länge nahezu über die komplette Solarzelle erstreckt. Später werden sie mit den elektrischen Zellverbindern überlappt und an diskreten Kontaktpunkten verlötet.
Nachteilig hierbei ist, dass für derartige Lötkontaktflächen eine große Menge an Silberpaste benötigt wird. Da Silber in der Solarzellenproduktion einen hohen Kostenfaktor darstellt sowie als Schwermetall bei der Entsorgung alter Solarmodule eine kritische Komponente ist, ist man bestrebt, die verwendete Silbermenge möglichst gering zu halten.
Ein Lösungsansatz hierzu ist es, die rückseitigen Lötkontaktflächen nicht als durchgängigen Busbar auszubilden, sondern stattdessen den Busbar zwischen den Lötpunkten zu unterbrechen. Es entsteht somit eine Mehrzahl von Kontaktinseln, sogenannte Pads, an welchen der elektrische Zellverbinder mit der lichtabgewandten Seite verlötet werden kann. Weiterhin sind Busbars variierender Dicke aus der DE 10 2010 002 521 A1 bekannt.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass sie sehr anfällig für Fertigungsfehler ist. Ist ein Lötpunkt zwischen Zellverbinder und Pad durch einen technischen Fehler nur unzureichend ausgebildet, so ist die Stromleitfähigkeit in diesem Kontakt stark vermindert. Während jedoch beim durchgängigen Busbar der Strom über den hoch leitfähigen Silberbusbar ohne merkliche Verluste an den nächstliegenden Kontaktpunkt weitergeleitet wird, so ist dies hier nicht möglich. Die aus Aluminium aufgebauten Anteile der Rückseitenelektrodenstruktur haben einen deutlich höheren elektrischen Widerstand als die aus Silber aufgebauten Busbar-Bereiche. Der zusätzliche Weg zum nächsten Zellverbinder-Kontaktpunkt bewirkt für den Strom eine signifikante Erhöhung des elektrischen Widerstands der Zelle und damit eine Reduktion des Wirkungsgrads der Solarzelle.
Ein Ansatz, die Aluminium- bzw. Silbermenge in einer Rückseitenelektrode zu verringern, ist, ein leitfähiges Oxid wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid als Rückseitenelektrode zu verwenden. Dies ist beispielsweise aus der WO 2007/106 756 A2 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Rückseitenstruktur zu zeigen, welche einerseits einen möglichst geringen Silberverbrauch, andererseits hinsichtlich eines möglichst geringen Serienwiderstandes nach dem Verlöten mit Zellverbindern eine hohe Zuverlässigkeit bei der automatisierten Verarbeitung garantiert.
Diese Aufgabe wird durch eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass von dem ersten Lötkontakt zu dem zweiten Lötkontakt ein elektrisch leitender Verbindungskanal entlang einer Erstreckungsrichtung verläuft, der den ersten Lötkontakt mit dem zweiten Lötkontakt elektrisch kontaktiert und auf der Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers eine Leitkanalfläche bedeckt, wobei die Leitkanalfläche kleiner ist als die erste Lötkontaktfläche und/oder die Leitkanalfläche kleiner ist als die zweite Lötkontaktfläche.
Erreicht wird dies beispielsweise dadurch, dass die als Pads ausgebildeten Lötkontakte durch schmale Streifen verbunden sind. Diese streifenförmigen Leitkanäle werden dabei so dimensioniert, dass einerseits eine gute Leitfähigkeit gewahrt bleibt, andererseits der Materialverbrauch an Silberpaste so gering wie möglich gehalten wird.
Ein weiterer Vorteil gegenüber Pads ohne Verbindungskanälen ist die größere Kontaktfläche zwischen Silber- und Aluminiumpaste.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lötkontakt erste Kontaktabmessungen, der zweite Lötkontakt zweite Kontaktabmessungen und der Verbindungskanal quer zur Erstreckungsrichtung eine Kanalbreite aufweist, wobei die Kanalbreite entlang der Erstreckungsrichtung kleiner ist als die kleinste der ersten Kontaktabmessungen und/oder die Kanalbreite entlang der Erstreckungsrichtung kleiner ist als die kleinste der zweiten Kontaktabmessungen. Abhängig von der Geometrie der als Lötpads ausgeformten Lötkontakte ergeben sich deren Kontaktabmessungen. Sind die Lötpads quadratisch oder rechteckig aufgebaut liegen Kontaktabmessungen in Form einer Länge und einer Breite vor. Sind die Lötpads rund oder oval bzw. sternförmig, so sind damit Kontaktabmessungen in Form eines oder mehrerer Durchmesser impliziert.
Dies bedeutet, dass die Leitkanäle schmaler ausgebildet sind als die Längsrichtung der Lötpads. Damit kann gegenüber einem durchgängigen Busbar mit konstanter Breite eine Einsparung der Silberpaste erreicht werden,
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalbreite entlang der Erstreckungsrichtung kleiner ist als 75% der kleinsten der ersten Kontaktabmessungen und/oder die Kanalbreite entlang der Erstreckungsrichtung kleiner ist als 75% der kleinsten der zweiten Kontaktabmessungen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalbreite entlang der Erstreckungsrichtung kleiner ist als 50% der kleinsten der ersten Kontaktabmessungen und/oder die Kanalbreite entlang der Erstreckungsrichtung kleiner ist als 50% der kleinsten der zweiten Kontaktabmessungen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalbreite im Bereich von 0,1 bis 1 mm, bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 0,8 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm liegt.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lötkontakte und der Verbindungskanal aus dem gleichen Material bestehen.
Bevorzugtes Material ist hierbei eine silberhaltige Paste, die mittels Siebdruck auf die Halbleiterrückseite aufgebracht wird. Somit können Lötkontakte und Verbindungskanäle in einem Arbeitsschritt aufgebracht werden, was den Fertigungsaufwand reduziert.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass über die Hälfte der Leitkanalfläche mit der leitfähigen Rückseitenmetallisierung bedeckt ist.
Durch diese Überdeckung ergibt sich eine große Kontaktfläche, welche den Serienwiderstand der Solarzelle reduziert und sich damit positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass vom ersten Lötkontakt zum zweiten Lötkontakt eine Mehrzahl von Verbindungskanälen verläuft.
Eine Mehrzahl von Verbindungskanälen erhöht zwar den Verbrauch an silberhaltiger Leitpaste, verringert jedoch den Serienwiderstand der Rückseitenelektrodenstruktur. Zudem wird die Rückseitenelektrodenstruktur durch die erhöhte Redundanz weniger anfällig gegen Fertigungsfehler.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Verbindungskanälen eine Fläche umschließen, die größer ist als die erste Lötkontaktfläche und/oder größer ist als die zweite Lötkontaktfläche.
Vorteilhaft ist hier die Redundanz der Verbindungskanäle. Die größere umschlossene Fläche erlaubt, dass Lötbändchen später so zu positionieren, dass es nicht auf den Verbindungskanälen aufliegt. Somit ist eine schlechtere Kontaktierung aufgrund der Unebenheiten des Verbindungskanals ausgeschlossen.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle eine Vielzahl von Lötkontakten mit identischen Lötkontaktflächen aufweist, wobei zwischen benachbarten Lötkontakten ein oder mehrere Verbindungskanäle verlaufen.
Die Erfindung wird nachfolgend exemplarisch anhand zweier in den 1 und 2 gezeigter Ausführungsbeispiele erläutert.
1 zeigt eine Rückseite einer quadratischen Solarzelle. Die Erstreckungsrichtung E der Solarzelle verläuft vom unteren Rand der Abbildung nach oben hin, was durch einen Pfeil am linken Rand verdeutlicht wird.
Der flächenmäßig größte Teil der Solarzellenrückseite ist mit einer insbesondere aus einer Aluminiumschicht aufgebauten Rückseitenmetallisierung 3 bedeckt. Diese Rückseitenmetallisierung ist grafisch nicht hervorgehoben, so dass dieser Bereich weiß verbleibt. Als Öffnungen innerhalb der Rückseitenmetallisierung 3 befinden sich neun Lötkontakte (2, 2.1, 2.2) in drei Reihen zu je drei Lötkontakten. Die Lötkontakte sind hierbei als gleich große langgestreckte Rechtecke mit der Breite B1 und der Länge L1 dargestellt. Da sie beispielsweise mit einer silberhaltigen Paste aufgebaut sind und somit aus einem anderen Material als die Rückseitenmetallisierung bestehen, sind die Lötkontakte (2, 2.1, 2.2) in schwarzer Farbe dargestellt. Um die Übersichtlichkeit zu wahren, ist nur eine Auswahl der Lötkontakte mit Bezugszeichen versehen.
In der linken sowie mittleren Spalte der Lötkontakte ist jeweils ein Lötkontakt mit dem darüberliegenden durch zwei Verbindungskanäle 4 verbunden. Diese Verbindungskanäle 4 sind aus dem gleichen Material aufgebaut wie die Lötkontakte selbst und kontaktieren die benachbarten Lötkontakte elektrisch. Die Verbindungskanäle 4 verlaufen dabei bogenförmig nach außen gewölbt und überbrücken die Länge L2 zwischen den Lötkontakten. Sie sind durch eine gestrichelte Linie dargestellt, da sie von der Rückseitenmetallisierung 3 bedeckt sind.
2 zeigt die gleiche Solarzellenrückseite mit neun Pads wie in 1. Gleiche Bauelemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die vorangehend gemachten Ausführungen verwiesen. Jedoch verlaufen bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel die Verbindungskanäle 4 nicht entlang der Erstreckungsrichtung E, sondern senkrecht dazu. In der Abbildung demnach horizontal mit der eingezeichneten Länge L2. Zudem verläuft jeweils zwischen zwei benachbarten Lötkontakten 2 genau ein Verbindungskanal 4. Auch hier sind die Verbindungskanäle durch eine gestrichelte Linie dargestellt, da sie ebenfalls von der Rückseitenmetallisierung 3 überdeckt sind. Die Verbindungskanäle 4 weisen alle entlang der Erstreckungsrichtung E betrachtet die eingezeichnete Breite B2 auf.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterwafer
2: Rückseitenelektrodenstruktur
2.1: Erster Lötkontakt
2.2.: Zweiter Lötkontakt
3: Rückseitenmetallisierung
4: Verbindungskanal
L1: Länge des Lötkontakts in Erstreckungsrichtung E
B1: Breite des Lötkontakts quer zur Erstreckungsrichtung E
L2: Länge des Verbindungskanals
B2: Breite des Verbindungskanals
E: Erstreckungsrichtung

Claims

Solarzelle, aufweisend einen Halbleiterwafer (1) mit einer Rückseitenoberfläche und einer auf der Rückseitenoberfläche angeordneten Rückseitenelektrodenstruktur (2), wobei die Rückseitenelektrodenstruktur (2) einen ersten Lötkontakt (2.1) mit einer ersten Lötkontaktfläche, einen zweiten Lötkontakt (2.2) mit einer zweiten Lötkontaktfläche und eine Rückseitenmetallisierung (3) aufweist, die über die Hälfte der Rückseitenoberfläche bedeckt, wobei die Lötkontakte (2.1, 2.2) aus einem anderen Material als die Rückseitenmetallisierung bestehen, wobei von dem ersten Lötkontakt (2.1) zu dem zweiten Lötkontakt (2.2) ein elektrisch leitender Verbindungskanal (4) entlang einer Erstreckungsrichtung (E) verläuft, der den ersten Lötkontakt (2.1) mit dem zweiten Lötkontakt (2.2) elektrisch kontaktiert und auf der Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers eine Leitkanalfläche bedeckt, wobei die Leitkanalfläche kleiner ist als die erste Lötkontaktfläche und/oder die Leitkanalfläche kleiner ist als die zweite Lötkontaktfläche.
Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lötkontakt (2.1) erste Kontaktabmessungen (L1, B1), der zweite Lötkontakt (2.2) zweite Kontaktabmessungen (L1, B1) und der Verbindungskanal (4) quer zur Erstreckungsrichtung (E) eine Kanalbreite (B2) aufweist, wobei die Kanalbreite (B2) entlang der Erstreckungsrichtung kleiner ist als die kleinste der ersten Kontaktabmessungen (L1, B1) und/oder die Kanalbreite (B2) entlang der Erstreckungsrichtung kleiner ist als die kleinste der zweiten Kontaktabmessungen (L1, B1).
Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalbreite (B2) entlang der Erstreckungsrichtung (E) kleiner ist als 75% der kleinsten der ersten Kontaktabmessungen (L1, B1) und/oder die Kanalbreite (B2) entlang der Erstreckungsrichtung kleiner ist als 75% der kleinsten der zweiten Kontaktabmessungen (L1, B1).
Solarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalbreite (B2) entlang der Erstreckungsrichtung (E) kleiner ist als 50% der kleinsten der ersten Kontaktabmessungen (L1, B1) und/oder die Kanalbreite (B2) entlang der Erstreckungsrichtung (E) kleiner ist als 50% der kleinsten der zweiten Kontaktabmessungen (L1, B1).
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalbreite (B2) im Bereich von 0,1 bis 1 mm liegt.
Solarzelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötkontakte (2) und der Verbindungskanal (4) aus dem gleichen Material bestehen.
Solarzelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Hälfte der Leitkanalfläche (4) mit der leitfähigen Rückseitenmetallisierung (3) bedeckt ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom ersten Lötkontakt (2.1) zum zweiten Lötkontakt (2.2) eine Mehrzahl von Verbindungskanälen (4) verläuft.
Solarzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Verbindungskanälen (4) eine Fläche umschließen, die größer ist als die erste Lötkontaktfläche und/oder größer ist als die zweite Lötkontaktfläche.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle eine Vielzahl von Lötkontakten (2) mit identischen Lötkontaktflächen aufweist, wobei zwischen benachbarten Lötkontakten (2) ein oder mehrere Verbindungskanäle (4) verlaufen.