Damit der generierte, elektrische Strom einer Solarzelle zur Verrichtung von Arbeit genutzt werden kann, ist es notwendig die Zelle zu kontaktieren. Dies geschieht durch eine Metallisie-rung von Emitter und Basis. Da bei konventionellen Solarzellen die Vorderseite gleichzeitig als Eintrittsfläche der Photonen in die Zelle dient, darf die Frontmetallisierung nicht ganzflächig aufgetragen werden. Die verwendete Gitterstruktur („grid“) bzw.
der Abstand der Gridfinger ist dabei von verschiedenen
Parame-tern wie Emitterwiderstand, Diffusionslänge im Emitter aber auch Fingerbreite und Zellgröße abhängig. Bezüglich der Abschattung ist es von Vorteil, die Finger einer Solarzelle so dünn wie möglich zu wählen. Allerdings vergrößert sich mit abnehmendem Querschnitt der Serienwider-stand der Finger. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendete Fingerbreite betrug ca. 20-25 µm mit einem Abstand zwischen den Fingern von ca. 800 µm. Ohne Berücksichtigung des „Busbars“, der alle Finger an einem Ende der Zelle vereinigt, resultiert daraus eine Abschattung von ca. 2,5%.
PROZESSIERUNG VON SOLARZELLEN
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1.1.5.1 Photolithographie
Das Design des vorderseitigen Kontaktes wird bei Hocheffizienzzellen meist photolithographisch festgelegt. Der entsprechende Prozessablauf ist in Abbildung 1.2 skizziert. Zunächst werden die Zellen für 30 Minuten auf 170°C erhitzt, um eine möglichst trockene Oberfläche zu gewährleis-ten. Zusätzlich erfolgt die Abscheidung einer wenige Atomlagen dicken, hydrophoben Silan-schicht, indem die Wafer für 10 Minuten einer HMDSi-Atmosphäre ausgesetzt werden. Diese Maßnahme ist notwendig, da ansonsten beim anschließenden Auftragen und Trocknen des Photo-lacks kleine Bläschen an der Waferoberfläche entstehen können, die später zu einer Störung der Frontgridstruktur führen.
Abbildung 1.2: Skizze zur photolithographischen Definierung der vorderseitigen Gridstruktur.
Der Photolack wird auf die Zellen geträufelt, bei 1500-2000 U/min gleichmäßig verteilt und schließlich für ca. 5 Minuten bei 100 °C getrocknet. Die Dauer der anschließenden Belichtung mit einer Quecksilberdampflampe beträgt einige Sekunden und richtet sich nach der Dicke des Photo-lacks. Eine auf den Lack gedrückte Maske bestimmt dabei die Position der belichteten Bereiche und somit die Anordnung der späteren Frontmetallisierung. Durch das Belichten werden im Pho-tolack die Bindungen zwischen den darin enthaltenen Polymersträngen aufgebrochen. Gleichzei-tig zersetzt sie auch die Silanschicht, so dass sich anschließend an diesen Stellen Lack und Silan in einer Entwicklerlösung entfernen lassen. Vor dem Aufdampfen des Metalls auf die Vorderseite der Zelle muss noch das Siliziumdioxid an den für das Frontgrid definierten Stellen entfernt („ge-öffnet“) werden, damit ein Kontakt zwischen Emitter und Gridfinger zustande kommen kann.
Dies geschieht in verdünnter, mit Ammoniumfluorid (NH4F) gepufferten Flusssäure. Die Puffe-rung schützt den Lack vor einer zu starken Ausdünnung während der Öffnung der SiO2-Schicht.
Anschließend werden die Wafer zur Metallisierung in eine Aufdampfanlage eingebaut.
i Hexamethyldisilazan
1.1. DER STANDARDPROZESS 17
1.1.5.2 Aufdampfen der Metallisierung
Im Gegensatz zur industriellen Fertigung von Solarzellen, bei der in der Regel die Siebdrucktech-nik Anwendung findet, werden die vorderseitigen Kontakte für hocheffiziente Solarzellen mittels Elektronenstrahl- oder thermischem Verdampfer aufgebracht. Die einzelnen Schritte sind in Abbildung 1.3 skizziert.
Abbildung 1.3: Prozessabfolge während der Metallisierung.
Aufgrund seiner guten Leitfähigkeit wird in der Regel Silber für vorderseitige Metallisierung ver-wendet. Dies bildet jedoch zu Silizium einen hohen Kontaktwiderstand, so dass es für niederoh-mige Emitter ohne weitere Maßnahmen als Metallisierung ungeeignet ist. Dies Problem lässt sich durch Aufdampfen mehrerer Schichten unterschiedlicher Metalle umgehen. Zunächst sorgt eine 50 nm dicke Titanschicht mit einer relativ geringen Barrierenhöhe von 0,5 eV [1] für einen aus-reichenden Kontakt zum Silizium. Gleichzeitig ist Titan leicht oxidierbar und führt somit zu einer Reduktion von SiO2-Resten und zu einer guten Haftung an den Emitter. Zum Schutz vor weiterer Oxidation der Titanschicht folgt eine ebenfalls 50 nm dicke, kaum korrosionsanfällige Palladium-schicht. Abschließend wird eine 3-3.5 µm dicke Silberschicht aufgebracht, die aufgrund ihrer gu-ten Leitfähigkeit dazu beiträgt, die Widerstandsverluste im Frontgrid gering zuhalgu-ten.
Das so aufgedampfte Metall muss außer an den vordefinierten Plätzen der Finger und des Busbars wieder abgelöst werden. Hierfür erfolgt zunächst das Entfernen des Photolacks in Aceton durch die unterstützende Wirkung eines Ultraschallbades. Beim anschließenden „lift-off“ wird Gas in die entstandenen Hohlräume geblasen, wodurch sich die unerwünschten Metallschichten ablösen, und nur das eigentliche Frontgrid übrig bleibt.
Die Kontaktierung der Rückseite ist vergleichsweise unproblematisch. Hier sorgt eine 2 µm dicke, ganzflächig aufgedampfte Aluminiumschicht für einen guten Kontakt zum BSF und einen gerin-gen Serienwiderstand in der Metallisierung. Eine anschließende Sinterung bei 380 °C in einer Ar/H2-Atmosphäre verdichtet die Metallschichten und
verbes-sert den Kontakt zum Silizium. Nebenbei kann eine während der Metallisierung durch den Elektronenstrahl verursachte Schädigung der SiO2/Si-Grenzschicht ausgeheilt werden [35].
Im Rahmen dieser Arbeit wurden ausschließlich 5 x 5 und 2,5 x 5 cm2 große Wafer verwendet, um Solarzellen mit einer Fläche von 2 x 2 cm2 zu prozessieren. Somit hat ein Wafer
PROZESSIERUNG VON SOLARZELLEN
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Platz für vier bzw. zwei Solarzellen, deren Anordnung für den ersten Fall in Abbildung 1.4 skiz-ziert ist. Im Anschluss an die Metallisierung und den Sinterschritt werden sie mit Hilfe einer Säge aus dem Wafer getrennt. Dabei erfolgt gleichzeitig das Entfernen parasitärer p-n-Übergänge am Waferrand, die Vorder- und Rückseite miteinander verbinden können und somit zu Kurzschlüssen führen.
Abbildung 1.4: Anordnung der vier 2x2 cm² großen Zellen auf einem Wafer mit einer Fläche von 5x5 cm².