Fertigungslinienabschnitt für den Stabilisierungsschritt

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren von Silizium-Heterojunction-Solarzellen mit wenigstens einem Stabilisierungsschritt, wobei der Stabilisierungsschritt durchgeführt wird, nachdem zuvor auf kristallinen Siliziumsolarwafern amorphe Siliziumschichten, und vorzugsweise transparente Schichten oder auch bereits metallische Kontaktmaterialien aufgetragen worden sind, sowie einen entsprechend ausgestatteten Fertigungslinienabschnitt.

Silizium-Heterojunction-Solarzellen sind leistungsfähige Solarzellen (kurz HJT-Solarzellen), die höhere Wirkungsgrade erreichen als andere Solarzelletypen, die derzeit in der industriellen

Massenproduktion hergestellt werden. An dem Hetero-pn-Übergang dieser Solarzelle treffen zwei unterschiedliche Halbleitermaterialien aufeinander. Während des Herstellungsverfahrens von Silizium-Heterojunction-Solarzellen wird zunächst ein kristalliner Siliziumwafer, der später die Basis der Solarzelle bildet, bereitgestellt. Das kristalline Silizium dieses Solarwafers ist das erste

Halbleitermaterial. Auf diesem Wafer wird zumindest eine Schicht aus einem anderen

Siliziummaterial, insbesondere amorphes Silizium, abgeschieden, um den Ermittler der Solarzelle auszubilden. In der Regel wird auch auf der dem Emitter gegenüberliegenden Seite der Solarzelle eine weitere Schicht aus amorphen Siliziummaterial, abgeschieden, beispielsweise um einen Potenzialgradienten über die Solarzelle auszubilden und um Ladungsträger, also mit dem Fotoeffekt hergestellte Elektronen und Löcher, zu den äußeren Kontakten der Solarzelle zu leiten. Zwischen den Grenzflächen des kristallinen Siliziums und den dotierten anderen Siliziumschichten werden häufig noch dünne undotierte amorphe Zwischenschichten abgeschieden. Amorphes Silizium hat eine größere Bandlücke als das kristalline Silizium und kann deshalb kurzwelliges Licht effektiver in Elektroenergie umwandeln als das kristalline Silizium. In der Kombination der beiden

Siliziummaterialien kann das auf der Erde einfallenden Sonnen-Spektrum effektiver genutzt werden als von reinen kristallinen Si-Solarzellen. Die HJT- Solarzellen weisen auch weniger

Rekombinationszentren, an denen Elektronen und Löcher rekombinieren können, auf, als herkömmliche Solarzellen. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die getrennten Elektronen und Löcher die externen Kontakte der Solarzelle erreichen und der Wirkungsgrad der Solarzelle steigt entsprechend. HJT-Solarzellen können durch zu hohe Temperaturen im Herstellungsverfahren beschädigt werden, weil die amorph oder nanokristallin abgeschiedenen Schichten schon bei Temperaturen von etwa 200 °C ihre Struktur verändern bzw. kristallisieren und dabei die Solarzelle irreversibel schädigen können. In Herstellungsverfahren von HJT-Solarzellen aus dem Stand der Technik werden deshalb üblicherweise nur geringe Temperaturen unter 200 °C verwendet, beispielsweise in US 2015/0013758 Al. Zur Herstellung metallischer Kontakte z.B. aus Metallpasten und/oder Folien-Drahtelektroden und zur Stabilisierung hergestellter Solarzelleneigenschaften wären teilweise auch höhere Temperaturen wünschenswert, dennoch werden maximal mögliche

Temperaturen im Stand der Technik bei etwa 350 °C gesehen, beispielsweise in US 7 754 962 B2.

US 7 754 962 B2 beschreibt auch einen vorteilhaften Stabilisierungseffekt durch eine Kombination von Beleuchten und Tempern, wobei bestehende Temperaturobergrenzen nicht überschritten werden dürfen.

Hocheffektive Solarzellen können nur dann in nennenswerten Umfang in die industrielle Fertigung einziehen, wenn die Kosten des Herstellungsverfahrens bzw. die Energiegestehungskosten mit diesen Solarzellen hinreichend niedrig sind. Für die Heterojunction-Technologie besteht seit Jahren oder Jahrzehnten die Herausforderung, Wege für die erforderliche Kostenreduzierung zu finden.

Außerdem werden höhere Effizienzen der HJT-Solarzellen benötigt (als bei ausgereiften etablierten Technologien). Eine Degradation der anfänglichen Wirkungsgrade von aus den Solarzellen hergestellten Solarmodulen ist zu minimieren oder möglichst zu vermeiden, um letztlich für viele Jahre hohe nutzbare Wirkungsgrade zu garantieren. An der Lösung dieser allgemeinen Aufgaben haben alle Teilschritte des Herstellungsverfahrens ihren Beitrag zu leisten, auch der

Stabilisierungsschritt am Ende des Herstellungsverfahrens, dessen Aufgabe darin besteht, anfänglich hohe Wirkungsgrade der Solarzellen zu stabilisieren und allmähliche Verschlechterungen bzw.

Degradationen des Wirkungsgrades zu minimieren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen effizienten Stabilisierungsschritt zu finden, der hohe Solarzellenwirkungsgrade ermöglicht.

Die Aufgabe wird von Herstellungsverfahren von Silizium-Heterojunction-gelöst, in welchem der Stabilisierungsschritt eine Erwärmung der Solarzelle auf Temperaturen über 200°C und eine

Beleuchtung aus einer Lichtquelle beinhaltet, wobei die Lichtquelle Licht in einem

Wellenlängenbereich < 2500 nm emittiert und wobei eine von der Lichtquelle abgegebene Lichtdosis > 8000 Ws/m ² beträgt. Licht-Quanten unterschiedlicher Energie haben verschiedene Wirkungen auf die Solarzelle. Entsprechend dem Sonnenlichtspektrum wird Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und in den angrenzenden Bereichen, nämlich dem nahen Infrarotbereich und dem

Ultraviolettbereich, als Licht bezeichnet. Licht mit einer Photonenenergie über 1,1 eV und entsprechend einer Wellenlänge unter 1100 nm liegt im Arbeitsbereich der Silizium-Solarzelle, weil die Energie der Photonen und der daraus erzeugten Photoelektronen größer als die Bandlücke von kristallinem Silizium ist. Andere Effekte als die Erzeugung von Photoelektronen, die an

Stabilisierungsvorgängen in der Solarzelle beteiligt sind, benötigen andere kritische

Photonenenergien. Bei der Stabilisierung der Solarzelle laufen verschiedene Effekte mit

unterschiedlichen physikalischen und chemischen Wirkmechanismen ab. Teilweise finden diese Mechanismen infolge hinreichend großer Wärme statt. Teilweise sind hinreichend energiereiche Photonen oder hinreichend energiereiche Ladungsträger erforderlich, um benötigte Effekte in der Solarzelle auszulösen. Zu den verschiedenen ablaufenden Effekten gehören das Finden stabilerer Bindungszustände von Atomen in amorphen Schichten, das Lösen schwach gebundener

Wasserstoffatome, das Diffundieren von Wasserstoff und das Binden von Wasserstoff an freie Bindungsplätze. Eine Lichtdosis von 8000 Ws/m ² kann beispielsweise dadurch bereitgestellt werden, dass eine Strahlungsleistungsdichte von 1000W/m ² für 8s einwirkt. Wenn die gleiche Lichtleistung auf eine kleinere Fläche konzentriert wird, steigt die Lichtdosis auf der kleineren Fläche

entsprechend. Eine Strahlungsleistungsdichte von 1000W/m ² wird auch als 1 Sonne, bezeichnet, weil die Erde mit einer solchen Strahlungsleistungsdichte von der Sonne beschienen wird.

Beide Verfahrensbestandteile, die Wärmebehandlung und die Beleuchtung, leisten einen Beitrag zur Stabilisierung der Solarzelle. Stabilisierung bedeutet, dass Degradationen von Leistungsparametern der hergestellten Solarzelle reduziert werden. Zu den Leistungsparametern zählen der

Kurzschlussstrom, der Serienwiderstand, die Leerlaufspannung, der Füllfaktor und der Wirkungsgrad (ETA). Teilweise bewirkt der Stabilisierungsschritt auch eine Verbesserung des anfänglichen

Wirkungsgrades, wenn als Referenz ein Herstellungsverfahren ohne den Stabilisierungsschritt verwendet wird. Die Beleuchtung der Solarzelle wird mit intensivem Licht durchgeführt. Da der Effekt der Lichtbehandlung in der Regel bei einer stärkeren Beleuchtung schneller abläuft, wird die Stärke der Beleuchtung möglichst groß gewählt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen liegt die Stärke der Beleuchtung zwischen 1 Sonne und 100 Sonnen. Obere Grenzen der Beleuchtungsstärke ergeben sich aus der mit der Beleuchtung einhergehenden Heizung der Solarzelle sowie aus der Verfügbarkeit geeigneter Lichtquellen. Das Produkt aus der Beleuchtungsleistungsdichte und der Behandlungszeit ergibt eine einwirkende Lichtdosis, z.B. ergibt eine Bestrahlung mit 1000 W/m ² über eine Zeitdauer von 10 s eine Dosis von 10000 Ws/m ² . Bei großen Lichtleistungen, treten teilweise auch nichtlineare Effekte auf, sodass die Dosis nur teilweise eine geeignete Bezugsgröße ist. Mit handelsüblichen LED- Strahlern können Leistungsstrahlungsdichten von 50000W/m ² realisiert werden, mit einer

Fokussierung des Lichtes auch entsprechend mehr.

Im Interesse einer effektiven und schnellen Fertigung der Solarzellen werden alle Teilschritte des Verfahrens möglichst schnell durchgeführt. Entsprechend kann auch der Stabilisierungsschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens auf kurze Prozesszeiten und schnelle Durchlaufzeiten hin getrimmt sein. Der Stabilisierungsschritt erfolgt vorzugsweise innerhalb einer kurzen Taktzeit (von z.B. 30 s), die in der Herstellungslinie bzw. in einem Abschnitt derselben vorgegeben ist. In der Bearbeitungszeit kann eine konstante Beleuchtungsstärke verwendet werden. Es kann aber auch eine Zeit und/oder ortsabhängige Beleuchtungsstärke zum Einsatz kommen. Die Beleuchtung kann auch pulsartig zerhackt erfolgen. An das Herstellungsverfahren können verschiedene Anforderungen gestellt werden. Während in der Massenproduktion eine hohe Wirtschaftlichkeit und eine

Kostenminimierung immer wichtige Zielgrößen sind, können in anderen Fällen auch andere

Zielgrößen, wie z.B. ein höchster Wirkungsgrad unabhängig von der Wirtschaftlichkeit, höher bewertet sein. Je nach konkret stehenden Anforderungen kann das Verfahren entsprechend ausgestaltet sein. Der Stabilisierungsschritt kann an verschiedenen Stellen des

Herstellungsverfahrens stattfinden, beispielsweise nachdem zuvor bereits die verschiedenen Abscheidungen von Siliziumschichten, Passivierungsschichten und optischen Schichten stattgefunden haben. Es kann aber auch schon ein Stabilisierungsschritt nach der Abscheidung einer Siliziumschicht durchgeführt werden, beispielsweise noch innerhalb der Abscheideanlage. Es können mehrere Stabilisierungsschritte bzw. Teil-Stabilisierungsschritte jeweils nach einer Schichtabscheidung durchgeführt werden.

Vorzugsweise werden aus Gründen der Effektivität in dem Stabilisierungsschritt alle abgeschiedenen Schichten gemeinsam nachbehandelt, wobei vorzugsweise auch bereits metallische

Kontaktmaterialien aufgebrachten worden sind, sodass der Stabilisierungsschritt unter mehreren verschiedenen Teil-Aufgaben auch eine Teilaufgabe bei der Herstellung der metallischen Kontakte erfüllen kann.

Der elektrische Anschluss von HJT-Solarzellen erfolgt in der Regel in zwei Stufen von innen nach außen. Im inneren der Solarzelle werden in der ersten Stufe die Siliziumoberflächen in der Regel ganzflächig von transparenten leitfähigen Schichten, insbesondere TCO-Schichten wie z.B. ITO, eingeschlossen, wobei die transparenten Schichten neben elektrischen Aufgaben auch weitere Aufgaben haben, insbesondere die von Antireflexionsschichten und/oder Einkapslungsschichten. Außen können die transparenten leitfähigen Schichten mit Metallfingern oder anderen Metallstrukturen verbunden werden, welche als Teil der zweiten Stufe der Solarzellenschlüsse betrachtet werden können. Diese Metallstrukturen können aus Niedertemperatur-Metallpasten, beispielsweise durch Siebdrucken, hergestellt werden, wobei aus den Metallpasten erst während einer Wärmebehandlung Anschlussstrukturen mit metallischen Eigenschaften entstehen. Außer den Metallfingern können auch Sammelleitungen (Busbars) per Siebdruck hergestellt werden. Es können aber auch andere Druck-Technologien, leitfähige Klebstoffe und Ähnliches zum Einsatz kommen, wobei verschiedene Technologien zur Herstellung metallischer Kontakte Temperaturbehandlungen benötigen, die häufig auch als Curing bezeichnet werden. Busbarlose Solarzellen können

beispielsweise mit Folien- Draht-Elektroden der Smartwire-Connnection-Technologie (SWCT) später zu Solarmodulen weiterverarbeitet werden. Die Metall-Temperaturbehandlung bzw. das Metall- Curing und der Stabilisierungsschritt können zu einem einzigen Schritt des Herstellungsverfahrens zusammengefasst sein.

Nach der Herstellung der Metallkontakte werden Solarzellen in der Regel vermessen und klassifiziert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Stabilisierungsschritt bei der Messung bereits absolviert, sodass eine Klassifizierung der Solarzellen mit stabilen Solarzellen erfolgt. Andere Stabilisierungsverfahren, die erst nach der Vermessung der Solarzellen erfolgen, sind mit größeren Schwankungen von Solarzelleigenschaften verbunden. Da in Solarmodulen einige oder alle

Solarzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind und die schlechteste Solarzelle die Leistung der gesamten Reihenschaltung bestimmt, ist eine zuverlässige elektrische Charakterisierung von Solarzellen ohne anschließende Verschlechterung durch schwankende Degradationen von großer Bedeutung. Somit können später gleich gute Solarzellen in Module verbaut und maximale

Modulleistungen erreicht werden.

Der Stabilisierungsschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann eine

Temperaturbehandlung mit einer höchstens 10 Sekunden langen Temperaturspitze mit

Temperaturen über 350°C aufweisen. Änderungen der (amorphen) Schicht-Struktur, im Extremfall Kristallisationsprozesse, sind nicht nur von der Temperatur, sondern auch von der Zeit der

Temperaturbehandlung abhängig. Für längere Bearbeitungszeiten ist die Regel zu beachten, dass Temperaturen über 200°C der HJT-Solarzelle schaden können. Kurzzeitig für bis zu 10 s können aber auch Si-HJT-Solarzellen über 350°C erwärmt werden. Bei Zeiten unter einer Minute sind auch höhere Temperaturen als 200°C möglich, beispielsweise 220°C für 20s. Solche hohen Temperaturspitzen bewirken einerseits kurze Bearbeitungszeiten und entsprechend kurze Durchlaufzeiten. Andererseits können die kurzen Temperaturspitzen auch verbesserte Stabilisierungseffekte bewirken. Die

Temperaturspitze kann auch Temperaturen über 400°C erreichen, wenn die Zeiten mit Werten zwischen 1 und 5 Sekunden hinreichend kurz sind. Bei niedrigeren Temperaturen unter 200°C sind aus Produktivitätsgründen zwar auch kurze Bearbeitungszeiten im Sekundenbereich wünschenswert. Bei gewichtigen Gründen kann aber auch eine lange Beleuchtungs- und/oder

Temperaturbehandlungszeit von beispielsweise einigen Stunden oder Tagen gewählt werden, beispielsweise um maximale Stabilisierungseffekte für wenige Demonstrations-Solarzellen zu erreichen. In geeignet aufgebauten Anlagen sind auch für die Massenproduktion sehr lange Prozesse wirtschaftlich durchführbar.

Wenn in einem vorangegangenen Schritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens metallische Kontaktmaterialien aufgetragen worden sind, kann die Temperaturbehandlung auch einen Beitrag bei der Herstellung metallischer Kontakte aus den metallischen Kontaktmaterialien leisten. Anders herum betrachtet, kann der vorhandene Bearbeitungsschritt der Temperaturbehandlung

metallischer Kontaktmaterialien so modifiziert und ergänzt werden, dass in dem vorhandenen Verfahrensschritt zusätzlich eine bessere Stabilisierung der Solarzelle erreicht wird.

Die Lichtbehandlung als Teil des Stabilisierungsschrittes kann mit Halogen- oder LED-Lampen für wenigstens ls durchgeführt werden. Das Licht von Halogenlampen weist neben dem Strahlungsanteil im sichtbaren Spektralbereich auch große Strahlungsanteile im nahen Infraroten und im infraroten Spektralbereich auf, so dass Halogenstrahler auch gut als Wärmequellen für eine gleichzeitige Beheizung während der Beleuchtung eingesetzt werden können. Ein weiterer Vorteil von

Halogenlampen ist deren Temperaturunempfindlichkeit. In langsameren Verfahrensschritten kann auch die gesamte verfügbare Zeit ausgenutzt werden. Wenn beispielsweise in einem Trocknungsofen 5 min Prozesszeit verfügbar sind, dann kann die gesamte Prozesszeit zur Behandlung mit Wärme und Licht genutzt werden. Die Lichtquellen, beispielsweise die Halogenlampen können dabei gleichzeitig auch als Wärmequellen genutzt werden. In Durchlaufanlagen ergeben sich aus der Kombination von Platz und Taktzeit oft kürzere mögliche Behandlungszeiten. Mit LED-Lampen sind bei gleicher Erwärmung der Solarzellen größere Lichtstärken als mit Halogenlampen möglich. Wenn LED-Lampen ordnungsgemäß gekühlt und angesteuert werden, können sie deutlich größere Lebensdauern erreichen als Halogenlampen. Die Halogen- oder LED-Lampen können aus mehreren einzelnen Lampenelementen zusammengesetzt sein. Durch die Erwärmung bei starker Beleuchtung ist die nutzbare maximale Leistungsdichte bei ungekühlten Substraten begrenzt. Bei gekühlten Substraten kann eine höhere Strahlungsleistungsdichte eingesetzt werden, wobei die Grenzen bei LED-Lampen höher liegen als bei Halogen-Lampen. Wenn Wärmefilter verwendet werden, sind noch höhere Leistungen möglich.

Bei einer Lichtbehandlung mit LED-Lampen kann eine Leistungsdichte zwischen 100 und 100000 W/m ² genutzt werden. Da LED-Lampen weniger Wärmestrahlung abgeben als Halogenlampen, können schon mit ungekühlten Substraten hohe Leistungsdichten genutzt werden. Mit geeigneten Kühlungsmaßnahmen können noch höhere Leistungsdichten realisiert werden. Bei langen

Behandlungszeiten, beispielsweise in einer Licht-Lager-Vorrichtung für minuten-, stunden- oder tagelange Stabilisierungsschritte, kann auch schon mit einer geringen Strahlungsleistungsdichte von beispielsweise 100 W/m ² eine Sättigung des Stabilisierungseffektes erreicht werden. Die

Lichtbehandlung kann auch mit einer hochintensiven Lichtquelle, insbesondere einem Laser oder einer Blitzlampe mit einer Leistungsdichte bis zu 100000 W/m ² , durchgeführt werden. Mit Laserlicht sind hohe Leistungsdichten realisierbar, die optisch infolge der Kohärenz des Laserlichtes präzise handhabbar sind. Mit Lasern sind daher besonders schnelle und präzise Bearbeitungen möglich.

Auch mit Blitzlampen können hohe Leistungsdichten erreicht werden.

Die Erwärmung und die Beleuchtung der Solarzelle kann im erfindungsgemäßen

Herstellungsverfahren teilweise oder vollständig durch eine Lichtquelle erfolgen. Da bestehende Temperaturgrenzen der HJT-Solarzelle zu beachten sind und bei starker Beleuchtung immer auch eine entsprechende Erwärmung erfolgt, kann die die Beleuchtung begleitende Erwärmung auch als Heizung genutzt werden. Auf diese Weise können bestehende Leistungs- und Temperaturgrenzen optimal ausgenutzt werden. Der Stabilisierungsschritt kann mit dieser Option anlagentechnisch besonders effektiv und einfach umgesetzt werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird in einem zweiten Aspekt auch von einem Fertigungslinienabschnitt zur Durchführung des Stabilisierungsschrittes des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gelöst, wobei der Fertigungslinienabschnitt einen Heizabschnitt zur Durchführung der

Temperaturbehandlung und einen Lichtbehandlungsabschnitt zur Durchführung der Lichtbehandlung aufweist. Der Heizabschnitt und der Lichtbearbeitungsabschnitt können separate Abschnitte sein. Die beiden Abschnitte können beispielsweise räumlich hintereinander in einer Durchlaufanlage angeordnet sein. Die beiden Abschnitte können aber auch als separate Bereiche einer Anlage oder als separate Anlagen ausgebildet sein.

Die beiden Bereiche können auch einander überlappen, beispielsweise kann sich der

Lichtbehandlungsabschnitt im Wesentlich durch eine gesamte Durchlaufanlage erstrecken und der Heizabschnitt kann in einem mittleren Teilabschnitt derselben Durchlaufanlage realisiert sein. Es kann auch eine zeitliche Separation der Temperaturbehandlung und der Lichtbehandlung durch unterschiedliche Anfangs- und/oder Endzeiten des Betriebs von Licht- und Wärmequellen realisiert sein, wobei der Wärmebehandlungsabschnitt und der Lichtbehandlungsabschnitt dabei auch räumlich identisch sein können.

Der Heizabschnitt und der Lichtbehandlungsabschnitt können auch räumlich und zeitlich

zusammengelegt sein, sodass die Erwärmungs-Komponente und die Beleuchtungs-Komponente des Stabilisierungsschrittes räumlich und zeitlich zusammenfallen und einen gemeinsamen

Verfahrensschritt ergeben.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der erfindungsgemäße Fertigungslinienabschnitt als ein Durchlaufofen-Abschnitt mit transparenten Transportrollen ausgebildet. Die Solarzellen werden in diesem Durchlaufofen sowohl an ihrer aufliegenden Seite als auch auf ihrer gegenüberliegenden Vorderseite von Halogenstrahlern bestrahlt, welche gleichzeitig als Wärmequelle und als Lichtquelle dienen. Der gesamte Durchlauf durch den Durchlaufofen-Abschnitt dauert zwischen ls und 30 s. In einem mittleren Temperaturbehandlungsabschnitt sind die Halogenstrahler derart dicht aneinander und an den vorbeifahrenden Solarzellen angeordnet, dass während des Durchlaufs die Solarzellen für 5 s auf über 400°C erwärmt werden.