DE19915666A1

DE19915666A1 - Method and device for selective contacting of solar cells

Info

Publication number: DE19915666A1
Application number: DE19915666A
Authority: DE
Inventors: Ralf Preu; Stefan Glunz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2000-10-19
Also published as: WO2000060674A1; EP1183739A1

Abstract

The invention relates to a method and a device for electrically contacting a material surface which is coated with at least one dielectric layer. The invention is characterised in that light from a light source is directed onto an arrangement consisting of a number of optical microlenses that are arranged in an array and through which the light is directed onto the dielectric layer; and in that a liquid or viscous medium is introduced between the arrangement consisting of the number of optical microlenses that are arranged in an array and the dielectric layer. This layer is essentially transparent to the light of the light source and material is removed locally from the dielectric layer through the specific illumination thereof until the material surface is exposed locally, respectively. The invention is also characterised in that metallisation takes place through the dielectric layer at the points where the material surface has been locally exposed, starting from the material surface.

Description

Technical field

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung eines mit wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen, elektrisch zu kontaktierenden Oberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der Emitter und/oder Basisschicht einer Solarzelle, die jeweils mit einer dielektrischen Passivierungsschicht überzogen sind.The invention relates to a method and an apparatus for electrical Contacting a coated with at least one dielectric layer electrically contactable surface, in particular for contacting the Emitter and / or base layer of a solar cell, each with a dielectric Passivation layer are coated.

State of the art

Die industrielle Fertigung von Solarzellen unterliegt bereits rein aus Wettbewerbsgründen den Bestrebungen Solarzellen mit möglichst hohem Wirkungsgrad, d. h. einer möglichst hohen elektrischen Stromausbeute aus dem auf die Solarzelle eintreffenden solaren Energiefluß, herzustellen und zugleich den Fertigungsaufwand und damit eng verbunden die Herstellungskosten gering zu halten.The industrial production of solar cells is already subject to purely Competition reasons the efforts solar cells with the highest possible Efficiency, d. H. the highest possible electrical current yield from the the solar cell arriving solar energy flow, to manufacture and at the same time the Manufacturing costs and closely related to the manufacturing costs low hold.

Zum näheren Verständnis der bei einer optimierten Fertigung von Solarzellen zu beachtenden Maßnahmen sollen die nachstehenden Ausführungen dienen:
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Üblicherweise bestehen sie aus einem Halbleitermaterial - meist werden Solarzellen aus Silizium gefertigt -, das n- bzw. p-leitende Halbleiterbereiche aufweist. Die Halbleiterbereiche werden in an sich bekannter Weise als Emitter bzw. Basis bezeichnet. Durch auf die Solarzelle einfallendes Licht werden innerhalb der Solarzelle positive und negative Ladungsträger erzeugt, die an der Grenzfläche zwischen dem n- (Emitter) und p-dotierten (Basis) Halbleiterbereich, am sogenannten pn-Übergang räumlich voneinander getrennt werden. Mittels metallischer Kontakte, die mit dem Emitter und mit der Basis verbunden sind können diese voneinander getrennten Ladungsträger abgeführt werden.The following explanations are intended to provide a better understanding of the measures to be taken in the optimized production of solar cells:
Solar cells are components that convert light into electrical energy. They usually consist of a semiconductor material - usually solar cells are made of silicon - which has n- or p-type semiconductor regions. The semiconductor regions are referred to as emitters or bases in a manner known per se. Light incident on the solar cell generates positive and negative charge carriers within the solar cell, which are spatially separated from one another at the interface between the n- (emitter) and p-doped (base) semiconductor region, at the so-called pn junction. These separate charge carriers can be removed by means of metallic contacts which are connected to the emitter and to the base.

In der einfachsten Form bestehen Solarzellen aus ganzflächigen Basis- 2 und Emitterbereichen 3, wobei der Emitter 3 auf der dem Licht zugewandten Seite, der Vorderseite der Solarzelle liegt. Zur Veranschaulichung sei an dieser Stelle auf Fig. 1 verwiesen, die eine bekannte Solarzelle 1 zeigt.In the simplest form, solar cells consist of full-surface base 2 and emitter regions 3 , the emitter 3 being on the side facing the light, the front of the solar cell. For illustration, reference is made to FIG. 1, which shows a known solar cell 1 .

Zur elektrischen Kontaktierung der Basis 2 wird für gewöhnlich die Rückseite der Solarzelle 1 mit einer ganzflächigen Metallschicht 4 versehen, auf die geeignete Rückseitenkontaktleiterbahnen 5, bspw. aus AlAg aufgebracht sind. Der Emitterbereich 3 wird mit einem Metall-Grid 6 kontaktiert mit dem Ziel, möglichst wenig Licht durch Reflexion am Metallkontakt für die Solarzelle zu verlieren, d. h. das Metall-Grid 6 weist eine Fingerstruktur auf, um möglichst wenig Solarzellenfläche zu verdecken. Zur Optimierung der Leistungsausbeute der Solarzelle 1 wird zudem versucht die optischen Verluste auf Grund von Reflexion möglichst klein zu halten. Erreicht wird dies durch die Abscheidung sogenannter Antireflexionsschichten 7 (ARC) auf der Vorderseitenoberfläche der Solarzelle 1. Die Schichtdicke der Antireflexionsschichten 7 ist so gewählt, daß sich im energetisch wichtigsten Spektralbereich gerade destruktive Interferenz des reflektierten Lichtes ergibt. Verwendete Antireflexmaterialien sind z. B. Titandioxid, Siliciumnitrid und Siliciumdioxid. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Reflexionsminderung durch Herstellung einer geeigneten Oberfächentextur mittels einem Ätz oder mechanischen Bearbeitungsverfahren erzielt werden, wie es auch aus der in Fig. 2 dargestellten Solarzelle hervorgeht. Hier ist der Emitterbereich 3 sowie auch die auf dem Emitter aufgebrachte Antireflexionsschicht 7 derart strukturiert ausgebildet, daß das auf die strukturierte Oberfläche der Solarzelle 1 einfallende Licht an den pyramidenartig ausgebildeten Strukturen eine erhöhte Einkopplungswahrscheinlichkeit hat. Auch im Falle der Solarzelle gemäß der Fig. 2 erfolgt die elektrische Kontaktierung des Emitters 3 mit einem möglichst feingliedrigen Metall-Grid 6, von dem lediglich ein schmaler Kontaktfinger in Fig. 2 dargestellt ist. Die Antireflexionsschicht 7 kann überdies auch als Passivierungsschicht dienen, die zum einen für einen mechanischen Oberflächenschutz sorgt aber zudem auch intrinsische Wirkungen besitzt hinsichtlich der Reduzierung von Oberflächenrekombinationsprozessen, auf die im weiteren genauer eingegangen wird.For the electrical contacting of the base 2 , the back of the solar cell 1 is usually provided with an all-over metal layer 4 , to which suitable backside contact conductor tracks 5 , for example made of AlAg, are applied. The emitter region 3 is contacted with a metal grid 6 with the aim of losing as little light as possible by reflection from the metal contact for the solar cell, ie the metal grid 6 has a finger structure in order to cover as little solar cell area as possible. In order to optimize the power yield of the solar cell 1 , attempts are also made to keep the optical losses due to reflection as small as possible. This is achieved by the deposition of so-called anti-reflection layers 7 (ARC) on the front surface of the solar cell 1 . The layer thickness of the antireflection layers 7 is selected such that destructive interference of the reflected light results in the most important spectral range in terms of energy. Antireflective materials used are e.g. B. titanium dioxide, silicon nitride and silicon dioxide. As an alternative or in addition to this, reflection reduction can be achieved by producing a suitable surface texture by means of an etching or mechanical processing method, as can also be seen from the solar cell shown in FIG. 2. Here, the emitter region 3 and also the anti-reflection layer 7 applied to the emitter are structured in such a way that the light incident on the structured surface of the solar cell 1 has an increased coupling-in probability at the pyramid-like structures. In the case of the solar cell according to FIG. 2, the emitter 3 is electrically contacted with a metal grid 6 which is as fine as possible, of which only a narrow contact finger is shown in FIG. 2. The antireflection layer 7 can also serve as a passivation layer, which on the one hand provides mechanical surface protection but also has intrinsic effects with regard to the reduction of surface recombination processes, which will be discussed in more detail below.

Bei der elektrischen Kontaktierung einer Solarzelle ist zwischen der Vorder- und Rückseite zu unterscheiden. Während auf der Rückseite der Solarzelle versucht wird einen Kontakt herzustellen, der sich hauptsächlich durch einen niedrigen Kontakt- und Leitungswiderstand auszeichnet, muß auf der Vorderseite zusätzlich möglichst viel Licht in die Solarzeile eingekoppelt werden. Deshalb wird auf der Vorderseite normalerweise eine Kammstruktur, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, erzeugt, um sowohl die Widerstands- als auch die Abschattungsverluste klein zu halten. Auf der Rückseite der Solarzelle kommen für gewöhnlich sowohl ganzflächige als auch strukturierte z. B. gitterartige Kontakte zum Einsatz.When making electrical contact with a solar cell, a distinction must be made between the front and rear. While an attempt is made on the back of the solar cell that is mainly characterized by a low contact and line resistance, as much light as possible must be coupled into the solar array on the front. Therefore, a comb structure, as can be seen in FIG. 1, is normally created on the front in order to keep both the resistance and the shading losses small. On the back of the solar cell usually come both full-area and structured z. B. grid-like contacts for use.

Die Oberflächen von Solarzellen hoher Wirkungsgrade zeichnen sich neben guten elektrischen Kontaktierungen zusätzlich durch eine niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit aus, d. h. die Wahrscheinlichkeit, daß Minoritätsladungsträger an die Oberfläche der Solarzelle gelangen und dort rekombinieren und somit nicht zum Photostrom beitragen, wodurch es zu einer erheblichen Wirkungsgradreduktion kommt, ist gering.The surfaces of solar cells with high efficiency are characterized by good ones electrical contacts additionally by a low Surface recombination rate from, d. H. the probability that Minority charge carriers reach the surface of the solar cell and there recombine and thus do not contribute to the photocurrent, making it a significant reduction in efficiency is low.

Realisiert werden kann dies entweder dadurch, daß a) keine Minoritätsladungsträger an die Oberfläche gelangen, oder daß b) sie an der Oberfläche nur mit geringer Wahrscheinlichkeit rekombinieren.This can be realized either in that a) no minority charge carriers reach the surface, or that b) they are only slightly on the surface Recombine probability.

Die Methode a) kann dadurch realisiert werden, indem im Bereich der Oberfläche eine hohe Dotierung an Fremdatomen erzeugt wird oder, daß an der Oberfläche feste Ladungen in der Grenzschicht eingebaut werden. Eine hohe Dotierung ist durch die Emitterdotierung auf der Vorderseite in verschieden starker Ausprägung realisiert, auf der Rückseite kann hierzu unterstützend ein sogenanntes Rückseitenfeld, ein sogenanntes "Back Surface Field" eingebaut werden.The method a) can be realized in the area of the surface a high doping on foreign atoms is generated or that on the surface fixed charges can be built into the boundary layer. A high doping is due to the emitter doping on the front in different degrees realized, a so-called Rear side field, a so-called "Back Surface Field" can be installed.

Eine hohe Dotierung ist jedoch stets mit dem Nachteil verbunden, daß zwar die Rekombinationswahrscheinlichkeit an den Oberflächen der Solarzelle reduziert werden kann, dafür erhöht sich jedoch die Rekombinationswahrscheinlichkeit innerhalb der Solarzellenschicht. Ladungen können z. B. auch durch eine Schicht aus Siliciumnitrid, die besonders gut als Antireflexionsschicht dient, eingebaut werden.A high doping is always associated with the disadvantage that the The probability of recombination on the surfaces of the solar cell is reduced can, however, the recombination probability increases inside the solar cell layer. Charges can e.g. B. also by a layer Silicon nitride, which serves particularly well as an anti-reflection layer, can be installed.

Die Methode b) kann dadurch realisiert werden, daß die Oberflächenrekombinationszustände verringert werden, z. B. dadurch, daß an der Oberfläche aufgebrochene und somit nicht abgesättigte Siliziumbindungen durch eine Schicht aus Siliziumnitrid oder Silizumdioxid abgesättigt werden die, wie oben beschrieben, an der Vorderseite auch als Antireflexschicht verwendet werden können. Diese Passivierung kann sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite angewendet werden und ist ein wichtiges Merkmal hocheffizienter Solarzellen.Method b) can be implemented in that the Surface recombination states are reduced, e.g. B. in that Surface broken and thus unsaturated silicon bonds through a layer of silicon nitride or silicon dioxide can be saturated, as above described, can also be used on the front as an anti-reflective layer can. This passivation can be done on the front as well as on the back are used and is an important feature of highly efficient solar cells.

Ein weiteres Merkmal derartiger hocheffizienter Solarzellen sind schmale (<40 µm) und hohe Vorderseitenkontakte (<10 µm) mit niedrigem Kontakt- und Leitungswiderstand. Die als Grid-Finger ausgebildeten Oberflächenkontakte sollen möglichst wenig Solarzellenfläche abdecken, also müssen sie möglichst schmal ausgebildet sein, sollen überdies für die Abführung der in der Solarzelle getrennten Ladungsträger einen möglichst geringen Leitungswiderstand aufweisen, also sollte ihr Leitungsquerschnitt möglichst groß sein.Another feature of such highly efficient solar cells are narrow (<40 µm) and high front contacts (<10 µm) with low contact and Line resistance. The surface contacts designed as grid fingers should cover as little solar cell area as possible, so they have to be as narrow as possible should also be designed for the removal of those separated in the solar cell Charge carriers have the lowest possible line resistance, so should their cable cross-section should be as large as possible.

Die wichtigsten bekannten Metallisierungstechnologien für die Vorder- und Rückseitenkontakte einer Solarzelle sind:The main known metallization technologies for the front and Rear contacts of a solar cell are:

Screen printing process

Per Siebdruck wird eine Silberpaste in der gewünschten Struktur auf die Oberfläche der Solarzelle aufgebracht. Die Paste enthält Bestandteile, die bei einem nachfolgenden Hochtemperaturprozeß zu einer Ätzung der Antireflexschicht führt. Hierdurch wird ein guter elektrischer Kontakt hergestellt. Dies ist der in der Industrie am weitesten verbreitete Prozeß. Die minimale Breite der Vorderseitenkontakte liegt zur Zeit bei ca. 60 µm, in der industriellen Fertigung bei ca. 120 µm.A silver paste with the desired structure is applied to the surface by screen printing applied to the solar cell. The paste contains ingredients that are used in a subsequent high temperature process leads to an etching of the anti-reflective layer. This creates a good electrical contact. This is the one in the industry most common process. The minimum width of the front contacts is currently around 60 µm, in industrial production around 120 µm.

Laser trench

Mittels eines Lasers werden Gräben in die Oberfläche der Solarzelle eingebracht, die anschließend durch eine stromlose chemische Abscheidung mit einem Metall aufgefüllt werden.Using a laser, trenches are made in the surface of the solar cell then by electroless chemical deposition with a metal be replenished.

Evaporation

Die Metallschicht wird durch Aufdampfen aufgebracht. Auf der Vorderseite der Solarzelle kann eine Metall-Schattenmaske verwendet werden, um eine geeignete Kontaktstruktur herzustellen.The metal layer is applied by vapor deposition. On the front of the Solar cell, a metal shadow mask can be used to find a suitable one Establish contact structure.

Photolithography and evaporation

Zuerst wird eine meist passivierende, dielektrische Schicht z. B. Siliciumdioxid aufgebracht. Durch Belichtung, Entwicklung und Auswaschen eines photosensiblen Filmes, dem sogenannten Ätzresist wird die gewünschte Struktur bis zur vorher aufgebrachten dielektrischen Schicht freigelegt. Durch anschließendes Ätzen wird letztere bis zum Siliziumwafer geöffnet. Auf der Vorderseite wird anschließend ganzflächig eine dünne z. T. mehrlagige Metallschicht als Kontakt aufgebracht, z. B. durch Aufdampfen. Dann wird durch die sogenannte LiftOff-Technik im stehengebliebenen Bereich des photosensiblen Films dieser mit einem geeignete Lösungsmittel entfernt und hierdurch auch die darauf liegende Metallschicht. So entsteht die Struktur, die dann noch galvanisch verstärkt werden kann. Hiermit können sehr feine und hohe Linien hergestellt werden.First, a mostly passivating, dielectric layer z. B. silicon dioxide upset. By exposing, developing and washing out a photosensitive Film, the so-called etching resist, the desired structure up to the previous applied dielectric layer exposed. By subsequent etching the latter opened up to the silicon wafer. Then on the front all over a thin z. T. multilayer metal layer applied as a contact, z. B. by vapor deposition. Then the so-called LiftOff technology in the stopped area of the photosensitive film this with a suitable Solvent removed and thereby also the metal layer lying thereon. So the structure is created, which can then be galvanically reinforced. Herewith very fine and high lines can be produced.

Auf der Rückseite der Solarzelle kann die Metallisierung sofort nach der Schichtöffnung und dem Entfernen des photosensiblen Ätzresist erfolgen. Der Rückseitenkontakt kann dann ganzflächig, bspw. durch Aufdampfen, aufgebracht werden.The metallization on the back of the solar cell can be done immediately after the Layer opening and the removal of the photosensitive etching resist. The Backside contact can then be applied over the entire surface, for example by vapor deposition become.

Mit den bekannten photolithographischen Verfahren können Strukturgrößen bis unter 1 µm hergestellt werden. Die Photolithographie ist aber ein verhältnismäßig kostenaufwendiges Verfahren und wird deshalb kaum im industriellen Bereich der Solarzellenfertigung angewendet. Die meisten Prozesse mit denen bisher Solarzellen mit einem Wirkungsgrad über 20% hergestellt werden enthalten mehrere photolithographische Prozeßschritte. Die bereits unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebene Solarzelle ist mit den beiden vorstehend beschriebenen Photolithographieschritten hergestellt worden.With the known photolithographic processes, structure sizes down to less than 1 µm can be produced. However, photolithography is a relatively expensive process and is therefore rarely used in the industrial area of solar cell production. Most of the processes with which solar cells with an efficiency of more than 20% have so far been produced contain several photolithographic process steps. The solar cell already described with reference to FIG. 2 was produced using the two photolithography steps described above.

Ein Verfahren, mit dem auf einer teilweise der Photolithographie ähnlichen Weise ein Solarzellenvorderseitenkontakt hergestellt werden kann, ist in US Patent Nr. 5,011,565 "Dotted contact solar cell and method of making same" von Dube et al. dargestellt worden. Das Patent beschreibt einen Solarzellentyp und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Vorderseite der Solarzelle ist dabei mit einer dielektrischen Schicht versehen die mit einem Laser, insbesondere einem YAG-Laser mit in Linien angeordneten Punkten geöffnet wird. Die Punkte sind mit einem gewissen Abstand angebracht. Die eigentlich Kontaktformierung geschieht dann durch eine Abscheidung von Nickel und Kupfer in einem chemischen Bad. Dabei werden die Abstände zwischen den Punktkontakten überbrückt. A process that uses a method that is partially similar to photolithography Solar cell front contact can be made in US Patent No. 5,011,565 "Dotted contact solar cell and method of making same" by Dube et al. been shown. The patent describes a type of solar cell and a method its manufacture. The front of the solar cell is with a dielectric Layer provided with a laser, in particular a YAG laser in lines arranged points is opened. The points are at a certain distance appropriate. The actual contact formation then takes place through a Deposition of nickel and copper in a chemical bath. The Spaces between the point contacts are bridged.

Die heute industriell mit den vorstehend kurz umrissenen Technologien des Siebdruckes, Lasergrabens sowie Aufdampfens hergestellten Solarzellen weisen einen Wirkungsgrad auf, der deutlich unter dem der mit der Technologie der Photolithographie hergestellten Solarzellen liegt. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet aber einen deutlichen Mehrwert der Solarzelle. Die Anwendung der mittels Photolithographie durchgeführte Technologie ist jedoch im Augenblick so aufwendig, daß sie trotz der hohen erzielbaren Wirkungsgrade nicht realisiert wird.The industrially today with the technologies of the Screen printing, laser trenching and evaporation produced solar cells an efficiency that is significantly lower than that with the technology of Photolithography made solar cells. A higher efficiency means but a significant added value of the solar cell. The application of the means However, technology implemented using photolithography is so expensive right now that it is not realized despite the high achievable efficiencies.

Das in der US 5,011,565 beschriebene Verfahren verlangt ein sehr genaues und schnelles Positioniersystem. So müssen für eine Solarzelle in der Größenordnung 10.000 Punkte gesetzt werden. Durch das Überbrücken der Abstände wird zwar die Kontaktfläche klein gehalten, dafür wird aber eine gleichmäßige chemische Abscheidung erschwert. Die Verwendung der beschriebenen chemischen Bäder kann sich auch aus umweltrechtlichen Gesichtspunkten als problematisch erweisen. Die Verwendung des relativ langpulsigen YAG-Lasers, der Lichtpulse im Nanosekunden-Bereich erzeugt und einen sehr hohen Energieeintrag pro Puls hat, führt zu einer starken lokalen Temperaturbelastung der Solarzelle, außerdem ist das Absorptionsverhalten von Siliziumnitrid in dem vom YAG-Laser erzeugten Spektralbereich nicht besonders günstig.The method described in US 5,011,565 requires a very precise and fast positioning system. So for a solar cell in the order of magnitude 10,000 points are set. By bridging the distances, the The contact area is kept small, but instead an even chemical is used Separation difficult. The use of the chemical baths described can also be problematic from an environmental point of view. The use of the relatively long-pulse YAG laser, the light pulses in the Generated in the nanosecond range and has a very high energy input per pulse, leads to a strong local temperature load of the solar cell, moreover that is Absorption behavior of silicon nitride in that generated by the YAG laser Spectral range not particularly favorable.

Presentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung eines mit wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen, elektrisch zu kontaktierenden Oberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der Emitter und/oder Basisschicht einer Solarzelle, die jeweils mit einer dielektrischen Passivierungsschicht überzogen sind, derart weiterzubilden, daß die vorstehend dargelegten, beim Stand der Technik auftretenden Nachteile umgangen werden können. Insbesondere sollte eine Fertigung leistungsfähiger Solarzellen im industriellen Maßstab möglich sein, die zum einen den hohen Ansprüchen der Erzielung guter Wirkungsgrade gerecht wird, als auch eine möglichst preisgünstige Produktion der Solarzellen begünstigt. The invention has for its object a method and a device for electrical contacting of at least one dielectric layer coated, electrically contactable surface, in particular for Contacting the emitter and / or base layer of a solar cell, each with a dielectric passivation layer are coated in such a way that the above-mentioned disadvantages occurring in the prior art can be avoided. In particular, manufacturing should be more efficient Solar cells on an industrial scale may be possible, on the one hand the high Demands of achieving good efficiencies, as well as possible favorably priced production of solar cells.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 8 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der die Hochleistungssolarzellen hergestellt werden können. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.The object of the invention is achieved in claim 1 specified. The subject matter of claim 8 is a device according to the invention, with which the high-performance solar cells can be manufactured. The Features of the invention that advantageously form the subject of the invention Subclaims.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines mit wenigstens einer dielektrischen Schicht überzogenen, elektrisch zu kontaktierenden Oberfläche, insbesondere zur Kontaktierung der Emitter und/oder Basisschicht einer Solarzelle, die jeweils mit einer dielektrischen Passivierungsschicht überzogen sind, dadurch ausgezeichnet, daß Licht einer Lichtquelle auf eine Anordnung gerichtet wird, die aus einer Vielzahl, arrayförmig angeordneter optischer Mikrolinsen besteht, deren einzelne Fokuspunkte im Bereich der dielektrischen Schicht liegen. An den Fokuspunkten wird jeweils durch Belichtung Material der dielektrischen Schicht lokal abgetragen, bis die elektrisch zu kontaktierende Oberfläche an den Stellen der Fokuspunkte lokal freigelegt wird. Schließlich erfolgt an den Stellen der lokal freigelegten Oberfläche eine Metallisierung, ausgehend von der elektrisch zu kontaktierenden Oberfläche durch die dielektrische Schicht hindurch.According to the invention, the method for making electrical contact with a at least one dielectric layer coated, to be contacted electrically Surface, in particular for contacting the emitter and / or base layer of a Solar cells, each covered with a dielectric passivation layer, characterized in that light from a light source is directed onto an arrangement which consists of a large number of optical microlenses arranged in an array, whose individual focus points are in the area of the dielectric layer. To the Focus points are localized by exposure material of the dielectric layer removed until the surface to be contacted electrically at the locations of the Focus points is exposed locally. Finally takes place locally exposed surface a metallization, starting from the electrically contacting surface through the dielectric layer.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde durch die Passivierungsschicht, die auch als Antireflexionsschicht dient, hindurch ein bestimmtes Muster oder eine bestimmte Anordnung von Kontaktöffnungen zu schaffen, an denen die zu kontaktierende Oberfläche, vorzugsweise die Emitter und Basisschicht der Solarzelle, vollständig lokal freigelegt ist. Die lokale Abtragung der Passivierungsschicht erfolgt vorzugsweise mittels Laserablation, d. h. durch unmittelbare Laserlichteinwirkung auf die Oberfläche der Passivierungsschicht wird diese im Wege der Sublimation entfernt, bis die blanke Emitter- oder Basisoberfläche freigelegt ist.The invention is based on the idea of the passivation layer, which is also called Anti-reflective layer serves through a certain pattern or a certain To provide arrangement of contact openings at which to be contacted Surface, preferably the emitter and base layer of the solar cell, completely is exposed locally. The passivation layer is removed locally preferably by means of laser ablation, d. H. by direct exposure to laser light the surface of the passivation layer becomes sublimation removed until the bare emitter or base surface is exposed.

In Abhängigkeit der Materials, aus der die Passivierungsschicht besteht ist die richtige Arbeitswellenlänge des Lasers zu wählen, um einen effektiven Materialabtrag zu gewährleisten. Im Falle von einer Siliziumnitridschicht als Passivierungsschicht eignen sich Wellenlängen im UV-Spektralbereich, da Siliziumnitrid UV-Wellenlängen stark absorbiert. Excimerlaser eignen sich in diesem Falle besonders. Depending on the material from which the passivation layer consists, the choose the correct working wavelength of the laser in order to remove material effectively to ensure. In the case of a silicon nitride layer as a passivation layer Wavelengths in the UV spectral range are suitable, since silicon nitride has UV wavelengths strongly absorbed. Excimer lasers are particularly suitable in this case.

Um die Anordnung der Kontaktöffnungen in der Passivierungsschicht in einer gewünschten Konstellation festzulegen wird ein Mikrolinsen-Array entsprechend ausgebildet und für die Abbildung des Laserstrahls auf die Passivierungsschicht verwendet. Mikrolinsen-Arrays sind Anordnungen - Größe im cm²-Bereich - von sphärischen und/oder zylindrischen optischen Linsen. Die Linsen haben zumindest in einer Achse Ausdehnungen von unter 1 mm. Mikrolinsen-Arrays sind bereits für den Einsatz in der Photolithographie entwickelt worden, wobei sich deren Einsatz auf die Belichtung eines photoempfindlichen Filmes beschränkt (siehe R. Völkel et al.; "Microlens Lithography and Smart Masks"; Microelectronic Enginieering 35; ISSN 0167-9317; 1997; S. 513-516).In order to determine the arrangement of the contact openings in the passivation layer in a desired constellation, a microlens array is designed accordingly and used for imaging the laser beam on the passivation layer. Microlens arrays are arrangements - size in the cm ² range - of spherical and / or cylindrical optical lenses. The lenses have dimensions of less than 1 mm in at least one axis. Microlens arrays have already been developed for use in photolithography, their use being limited to the exposure of a photosensitive film (see R. Völkel et al .; "Microlens Lithography and Smart Masks"; Microelectronic Engineering 35; ISSN 0167-9317 ; 1997; pp. 513-516).

Je nach Anordnung der Vielzahl der einzelnen optischen Linsen, die vorzugsweise arrayförmig in einem Quarzglassubstrat integriert sind, sind durch ihre Fokuspunkte die Stellen definiert, an denen ein erhöhter Energieeintrag zum gezielten Materialabtrag stattfindet.Depending on the arrangement of the large number of individual optical lenses, the preferred Are integrated in an array in a quartz glass substrate, are by their focus points defines the places where an increased energy input for targeted Material removal takes place.

Die Vorrichtung mit der der gezielte lokale Materialabtrag an der Passivierungsschicht vorgenommen wird weist als Lichtquelle, wie bereist erwähnt einen Laser auf, der vorzugsweise gepulst betrieben wird. Besonders eignen sich Lichtpulse mit einer Pulsdauer, die im Femtosekundenbereich liegt, um die thermische Belastung der angrenzenden Materialschichten gering zu halten. Im Lichtweg des Lasers sind dem Laser zwei optische Linsen zur Strahlaufweitung nachgeordnet, die derart ausgelegt sind, daß der Laserstrahl die flächige Anordnung von Mikrolinsen vorzugsweise vollständig ausleuchtet. Das Mikrolinsen Array erzeugt in den Foki der einzelnen Mikrolinsen eine derart hohe Strahlungsintensität, daß dort ein Verdampfen der Passivierungsschicht und somit eine Öffnung erreicht wird. Der Prozeß findet vorzugsweise in einer Inertgasatmosphäre statt, um eine Materialverschlechterung auszuschließen. Die Anordnung von zylindrischen und sphärischen Linsen im Mikrolinsen-Array wird derart ausgelegt, daß durch das Fokussieren die benötigte Struktur von Punkten und/oder Linien auf der Passivierungsschicht erzeugt wird. Auch können auch zwei übereinander befindliche Linsen oder Mikrolinsenarrays verwendet werden um z. B. T-förmige Strukturen zu realisieren.The device with which the targeted local material removal at the Passivation layer is made as a light source, as already mentioned a laser, which is preferably operated in a pulsed manner. Are particularly suitable Light pulses with a pulse duration that is in the femtosecond range, around the keep thermal stress on the adjacent material layers low. in the The laser's light path is two optical lenses for expanding the beam downstream, which are designed such that the laser beam the flat arrangement preferably fully illuminated by microlenses. The microlens array is created such a high radiation intensity in the foci of the individual microlenses that there evaporation of the passivation layer and thus an opening is achieved. The Process preferably takes place in an inert gas atmosphere in order to Exclude material deterioration. The arrangement of cylindrical and spherical lenses in the microlens array is designed such that by Focus on the required structure of points and / or lines on the Passivation layer is generated. Also two can be one above the other Lenses or microlens arrays are used to e.g. B. T-shaped structures realize.

Die Mikrolinsen haben eine sehr große Tiefenschärfe und können deshalb auch bei unebenen Substraten eingesetzt werden.The microlenses have a very large depth of field and can therefore also with uneven substrates are used.

Nach lokalem Freilegen der zu kontaktierenden Oberfläche kann eine selektive Kontaktierung mittels ganzflächigem Metallauftrag für die Rückseite, oder Lift-Off Technik mit anschließender galvanischer Verstärkung für die Vorderseite erfolgen. Eine weitere mögliche Vorderseitenkontaktierung ist eine Abscheidung aus einem chemischen Bad, wie es in dem US Patent Nr. 5,011,565 beschrieben ist.After local exposure of the surface to be contacted, a selective Contacting by means of full-surface metal application for the back or lift-off Technology with subsequent galvanic reinforcement for the front. Another possible front side contact is a deposition from a chemical bath as described in U.S. Patent No. 5,011,565.

Brief description of the invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is hereinafter described without limitation of the general The inventive concept based on exemplary embodiments with reference to the Drawing described as an example. Show it:

Fig. 1 Solarzelle nach dem Stand der Technik, Fig. 1 A solar cell according to the prior art,

Fig. 2 optimierte Solarzelle mit Passivierungsschicht nach dem Stand der Technik, Fig. 2 optimized solar cell with a passivation layer according to the prior art,

Fig. 3 Anordnung zur lokalen Materialabtragung mittels Laser. Fig. 3 arrangement for local material removal using a laser.

WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION, INDUSTRIAL APPLICABILITY

In den Fig. 1 und 2 sind jeweils bekannte Solarzellen dargestellt, die in der Beschreibungseinleitung zur Würdigung des Standes der Technik beschrieben worden sind. Insbesondere die in Fig. 2 dargestellte Solarzelle, die aus Gründen der Optimierung sowohl auf der Vorder- als auch Rückseite eine Passivierungsschicht zu Zwecken der oberflächigen Entspiegelung als auch aus Gründen intrinsischer Effekte zur Vermeidung von Oberflächenrekombinationen von Ladungsträgern, vorsieht, gilt es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung herzustellen.In Figs. 1 and 2 known solar cells are shown in each case, which have been described in the introduction to the assessment of the prior art. In particular, the solar cell shown in FIG. 2, which for reasons of optimization provides a passivation layer on both the front and back for purposes of surface anti-reflective treatment and for reasons of intrinsic effects to avoid surface recombination of charge carriers, applies to the method according to the invention to manufacture using the device according to the invention.

Zunächst wir die Bearbeitung der Solarzellenrückseite beschrieben:
Auf die Solarzellenrückseite wird eine passivierende Schicht 7 aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von etwa 100 nm aufgebracht. Die beschichtete Solarzelle 1 wird unter die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung gebracht. Als Lichtquelle 9 wird ein UV-Laser mit sehr kurzer Pulslänge verwendet, da Siliziumnitrid im ultravioletten Spektralbereich eine erhöhte Absorption zeigt und durch den geringen Energieeintrag die Materialbeanspruchung klein gehalten werden kann. Zur Strahlaufweitung des Laserstrahl sind zwei optische Linsen 10, 11 vorgesehen, die derart ausgelegt und relativ zueinander angeordnet sind, daß der Laserstrahl zur vollständigen Ausleuchtung des flächigen Mikrolinsen-Arrays 12 aufgeweitet wird. Der aufgeweitete Laserstrahl triff als paralleles Lichtbündel auf die Oberfläche der Mikrolinsenarrayanordnung 12 und wird durch die Vielzahl der einzelnen fokussierenden Mikrolinsen auf die Oberfläche der Passivierungsschicht 7 konzentriert. Da das Mikrolinsenarray 12 aus Quarzglas mit sphärischen Linsen im Abstand von ca. 500-2000 µm besteht, läßt sich im Fokus ein 2-dimensionales Punktgitter mit Punktabständen von ebenfalls ca. 500-2000 µm herstellen. Die Punktgröße wird durch ein leichtes Auswandern aus dem Fokus geeignet gewählt, z. B. mit einem Radius von 30 µm. Durch das konzentrierte Laserlicht wird das Siliziumnitrid verdampft und das Silizium freigelegt. Durch eine ganzflächige Metallisierungstechnologie z. B. Aufdampfen oder Sputtern einer z. B. 2 µm starken Aluminiumschicht, wird der Kontakt auf der Rückseite hergestellt. Anschließend folgt eine Temperaturerhöhung in einer reduzierenden Atmosphäre auf ungefähr 400°C zur Kontaktverbesserung.First we describe the processing of the back of the solar cell:
A passivating layer 7 made of silicon nitride with a thickness of approximately 100 nm is applied to the back of the solar cell. The coated solar cell 1 is brought under the device shown in FIG. 3. A UV laser with a very short pulse length is used as the light source 9 , since silicon nitride shows increased absorption in the ultraviolet spectral range and the material stress can be kept low due to the low energy input. For the beam expansion of the laser beam, two optical lenses 10 , 11 are provided, which are designed and arranged relative to one another in such a way that the laser beam is expanded for the complete illumination of the flat microlens array 12 . The expanded laser beam hit as parallel light beam to the surface of the microlens array assembly 12 and is focused by the plurality of individual micro-focusing lenses on the surface of the passivation layer. 7 Since the microlens array 12 consists of quartz glass with spherical lenses at a distance of approximately 500-2000 µm, a 2-dimensional point grating with point distances of approximately 500-2000 µm can also be produced in the focus. The point size is selected appropriately by a slight emigration from the focus, e.g. B. with a radius of 30 microns. The concentrated laser light evaporates the silicon nitride and exposes the silicon. Through an all-over metallization technology such. B. evaporation or sputtering a z. B. 2 µm thick aluminum layer, the contact is made on the back. This is followed by an increase in temperature in a reducing atmosphere to approximately 400 ° C. to improve the contact.

Nun folgt die Beschreibung der Bearbeitung der Vorderseite der Solarzelle:
Die bereits mit einem Emitter versehene Vorderseite einer Solarzelle wird mit einer ca. 80 nm dicken passivierenden Siliziumnitrid-Antireflexschicht beschichtet. Anschließend wird eine z. B. ca. 1 µm dicke Schicht eines im ultravioletten Spektralbereich stark absorbierenden Lackes aufgebracht. Dieses Substrat wird unter die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung gebracht. Als Lichtquelle wird wiederum ein UV-Laser verwendet. Durch die Verwendung des Mikrolinsenarrays mit zylindrischen Linsen läßt sich im Fokus eine Gruppe paralleler Linien erzeugen unter denen sowohl der Lack als auch die Siliziumnitridschicht geöffnet sind. Eine senkrecht zu diesen Linien verlaufende Linie wird durch eine gekreuzt angeordnete zylindrische Mikrolinse erzeugt, die die erste Gruppe miteinander verbindet. Durch eine ganzflächige Metallisierungstechnologie z. B. Aufdampfen oder Sputtern, werden die Kontakte auf der Vorderseite hergestellt. Durch eine anschließende Behandlung in einem geeigneten Lösungsmittel kann das oben beschrieben Lift Off-Verfahren angewendet werden, um die Metallschicht abzulösen. Die Kontakte können dann galvanisch verstärkt werden.Now the description of the processing of the front of the solar cell follows:
The front side of a solar cell, which is already provided with an emitter, is coated with a passivating silicon nitride antireflection layer which is approximately 80 nm thick. Then a z. B. about 1 micron thick layer of a highly absorbent lacquer in the ultraviolet spectral range. This substrate is placed under the device shown in FIG. 3. A UV laser is again used as the light source. By using the microlens array with cylindrical lenses, a group of parallel lines can be created in the focus, under which both the lacquer and the silicon nitride layer are open. A line running perpendicular to these lines is generated by a crossed cylindrical microlens which connects the first group to one another. Through an all-over metallization technology such. B. vapor deposition or sputtering, the contacts are made on the front. By subsequent treatment in a suitable solvent, the lift-off process described above can be used to detach the metal layer. The contacts can then be galvanically reinforced.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung optimierte Solarzellen hergestellt werden können, die zur elektrischen Kontaktierung Kontaktstrukturen mit Dimensionen < 40 µm aufweisen. Derartig kleine Strukturen sind sonst nur durch Photolithographie realisierbar, jedoch ist dies eine komplizierte und kostenaufwendige Technologie.In summary, it can be stated that using the inventive method and the inventive device optimized solar cells can be produced, which are used for electrical contacting Have contact structures with dimensions <40 microns. Such small structures are otherwise only possible through photolithography, but this is a complicated one and expensive technology.

Desweiteren können Metallisierungstechniken verwendet werden, mit denen ein niederer Kontaktwiderstand und Leitungswiderstand realisiert werden kann, was sich z. B. durch eine Reduktion der Kontaktfläche ebenfalls vorteilhaft auf den Wirkungsgrad auswirkt. Im Vergleich zu einer photolithographisch erzeugten Struktur ist das Verfahren wesentlich einfacher. Außerdem ist das Verfahren prinzipiell kontaktlos, womit sich die Bruchgefahr in der Fertigung reduzieren läßt. Im Vergleich zu dem bekannten Verfahren gemäß dem US Patent 5,011,565 kann, da die Energie weniger Laserpulse ausreicht, um die Schicht auszulösen, durch die Fokussierung mittels der Mikrolinsen an Stelle einer Schattenmaske die Lichtausbeute um einen Faktor 10-200 erhöht werden. Dadurch reduziert sich die Prozeßzeit entsprechend. Außerdem kann bei einer groß- bzw. ganzflächigen Strukturierung die Strahlführung über den Wafer deutlich vereinfacht werden, wodurch sich auch die Anforderungen an die Substratpositionierung verringern. Furthermore, metallization techniques can be used with which a lower contact resistance and line resistance can be realized, which is e.g. B. also advantageously by reducing the contact area to the Efficiency affects. Compared to a photolithographically generated structure the process is much easier. The procedure is also fundamental contactless, which can reduce the risk of breakage in production. In comparison to the known method according to US Pat. No. 5,011,565, because the energy of fewer laser pulses is sufficient to trigger the layer through which Focusing using the microlenses instead of a shadow mask Luminous efficiency can be increased by a factor of 10-200. This reduces the Process time accordingly. In addition, with a large or full area Structuring the beam guidance over the wafer can be significantly simplified, which also reduces the requirements for substrate positioning.

Die Schichten werden ohne Prozeßzeitverlängerung in kleineren Schritten abgetragen. Da zusätzlich sehr kurze Laserpulse verwendet werden, ergibt sich eine sehr geringe Wärmebelastung und somit ein geringer Schaden im Halbleitermaterial. Siliziumnitrid absorbiert im ultravioletten Spektralbereich deutlich besser als im sichtbaren Bereich. Dadurch kann zusätzlich eine Belastung des darunterliegenden Materials durch Transmission von Laserstrahlung durch die sehr dünne Siliziumnitridschicht vermieden werden. Schließlich können die Mikrolinsen aus kristallinem Quarz hergestellt werden, das im gegebenen Spektralbereich nur eine sehr geringe Absorption aufweist. The layers are made in smaller steps without increasing the process time worn away. Since very short laser pulses are used in addition, one results very low heat load and therefore little damage in the semiconductor material. Silicon nitride absorbs much better in the ultraviolet spectral range than in visible area. This can additionally burden the underlying Material through transmission of laser radiation through the very thin Silicon nitride layer can be avoided. Finally, the microlenses can crystalline quartz are produced, which in the given spectral range only one has very low absorption.

Reference list

11

Solarzelle
Solar cell

22nd

Basis-Bereich
Base area

33rd

Emitter-Bereich
Emitter area

44th

Kontaktelektroden
Contact electrodes

55

Rückseitenkontaktfläche
Rear contact surface

66

Metall-Grid
Metal grid

77

Antireflexionsschicht, Passivierungsschicht
Anti-reflective layer, passivation layer

88th

Rückseitenkontakte
Rear contacts

99

Lichtquelle, Laser
Light source, laser

1010th

, ,

1111

optische Linsen
optical lenses

1212th

Mikrolinsenarray
Microlens array

Claims

1. A method for electrically contacting a surface to be electrically contacted with at least one dielectric layer, in particular for contacting the emitters ( 3 ) and / or base layer ( 2 ) of a solar cell ( 1 ), each of which is coated with a dielectric passivation layer ( 7 ) are,
characterized in that light from a light source ( 9 ) is directed onto an arrangement which consists of a plurality of optical microlenses ( 12 ) arranged in an array, the individual focal points of which lie in the region of the dielectric layer ( 7 ),
that material of the dielectric layer ( 7 ) is removed locally at the focal points by exposure until the surface to be electrically contacted is exposed locally at the locations of the focal points, and
that at the locations of the locally exposed surface, metallization takes place starting from the surface to be contacted electrically through the dielectric layer.

2. The method according to claim 1, characterized in that the removal of material in an inert gas atmosphere is carried out.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the exposure of the dielectric layer ( 7 ) is pulsed.

4. The method according to claim 3, characterized in that a laser ( 9 ), preferably a UV light-emitting laser, is used for the exposure, which generates light pulses with a pulse duration down into the femtosecond range.

5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the surface to be contacted electrically a semiconductor substrate, preferably made of an n- or p-doped silicon Wafer, on which a silicon oxide or as a dielectric layer Silicon nitride layer is applied.

6. The method according to any one of claims 1 to 5,
characterized in that a lacquer layer absorbing the light from the light source ( 9 ) is applied to the dielectric layer and then exposed using the arrayed optical microlenses ( 12 ), so that the lacquer layer and the dielectric layer ( 7 ) at the locations of the Focus points are removed locally,
that after exposing the surface to be electrically contacted at the local points of the focal points, the surface of the lacquer layer and the exposed surface to be electrically contacted is covered over the entire area with a metal layer, and
that using a solvent, the areas of the surface to be electrically contacted are exposed which are covered by the dielectric layer on which the lacquer layer and the metal layer are provided.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the metallization by evaporation, sputtering or by electroless deposition from a chemical bath, from metal.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that following the metallization Temperature increase in a reducing atmosphere to approximately 400 ° C he follows.

9. Device for electrically contacting a surface to be electrically contacted with at least one dielectric layer, in particular for contacting the emitters ( 3 ) and / or base layer ( 2 ) of a solar cell ( 1 ), each of which is coated with a dielectric passivation layer ( 7 ) characterized in that a light source ( 9 ) is provided, the light of which is directed onto a plurality of optical microlenses ( 12 ) arranged in an array, the individual focal points and / or lines arranged in an array lying in the region of the dielectric layer ( 7 ) .

10. The device according to claim 9, characterized in that the light source ( 9 ) is a laser, which in the laser beam path, the laser beam expanding optical lens ( 10 ) is arranged downstream, which in turn is a collecting lens ( 11 ), through which the expanded Laser beam is transferred into a parallel light beam, which is used for complete illumination of the planar arrangement of the optical microlenses ( 12 ).

11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the arrayed optical microlenses ( 12 ) are spherical or cylindrical microlenses which are arranged on a quartz wafer.

12. The device according to claim 11, characterized in that several in a row in the light beam path Optical microlenses arranged in an array are provided.