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Verwendung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum strukturierten
Aufbringen einer Paste, insbesondere einer metallhaltigen thermoplastischen
Paste, auf ein Substrat. Das vorliegende Verfahren wird zur Aufbringung
von metallischen Kontakten, elektrisch leitenden, dielektrischen
oder elektrisch isolierenden Strukturen auf ein Substrat im Rahmen
der Dickfilmtechnologie eingesetzt. Es eignet sich dabei besonders
zum Aufbringen von Pastenstrukturen auf unebene Substratoberflächen. Insbesondere
findet es zur Herstellung oder Aufbringung von elektrisch leitenden
Kontakten und Strukturen auf Solarzellen Anwendung.
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Zur
Erreichung einer hohen Effizienz bei Solarzellen ist es erforderlich,
dass die im Halbleitersubstrat der Solarzelle aufgrund der Sonneneinstrahlung entstehenden
Ladungsträger
weitestgehend verlustfrei über
elektrische Kontakte an der Oberfläche des Halbleitersubstrats
in einen äußeren Stromkreis
abgeführt
werden. Dafür
müssen
die elektrischen Kontakte einen ungestörten Austritt der Ladungsträger aus
den n- und p-dotierten Halbleiterbereichen in den elektrischen Kontaktkörper gewährleisten.
Dies erfordert einen optimalen Kontakt zwischen der Oberfläche des
Halbleitersubstrats und den darauf aufgebrachten elektrischen Kontaktkörpern. Zur
Vermeidung von ohmschen Verlusten bei der Ableitung der Ladungsträger in den
elektrischen Kontaktkörpern müssen die
Kontaktkörper
zudem eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dies wird
durch einen niedrigen spezifischen Widerstand des eingesetzten Kontaktkörpermaterials
und/oder durch einen ausreichend hohen Querschnitt der durch die
Kontaktkörper
gebildeten Leiterbahnen erreicht. Für derartige elektrische Kontaktkörper, die
auf der Lichteinfallsseite der Solarzelle angebracht werden, muss
die Abschattung des Halbleitermaterials so gering wie möglich sein,
um den Anteil der Solarzellenfläche
für den Lichteinfang
zu maximieren. Dies wird beispielsweise durch Aufbringung einer
feinen gitterförmigen
Kontaktkörperstruktur
auf das Halbleitermaterial erreicht, die eine geringe Breite der
Kontaktkörper
aufweist. Die Dicke der Kontaktkörper
soll dabei möglichst groß sein,
um einen geringen spezifischen Widerstand zu gewährleisten.
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Eine
weit verbreitete Technologie zur Herstellung oder Aufbringung von
elektrischen Kontaktkörpern
auf Solarzellen ist die Dickfilmtechnologie, die sich sowohl durch
hohe Wirtschaftlichkeit als auch die Fähigkeit auszeichnet, hohe Stückzahlen
zu produzieren. Bei der Dickfilmtechnologie werden Pasten, die Metallpartikel
enthalten, wodurch sie eine elektrische Leitfähigkeit erreichen, auf das
Halbleitermaterial als definiertes Muster aufgebracht.
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Das
Verfahren der Dickfilmtechnologie ist üblicherweise dreistufig: In
einem ersten Schritt wird die Paste unter Einsatz eines Druckverfahrens
in der Geometrie der zu bildenden Kontaktstruktur auf die zu kontaktierende
Oberfläche
der Solarzelle aufgebracht. Hierzu sind eine Vielzahl von Verfahren
bekannt. In einem zweiten Schritt wird das in der verdruckten Paste
enthaltene Lösungsmittel
typischerweise bei Temperatu ren von 100°C–150°C innerhalb von 10–15 Minuten
verdampft. Die Solarzelle mit der getrockneten Paste wird in einem
dritten Schritt einer Temperaturbehandlung, dem so genannten Feuerprozess,
unterzogen, bei der zunächst
die verbliebenen organischen Bestandteile rückstandsfrei ausgebrannt und
die verbleibenden anorganischen Bestandteile bei typischen Temperaturen
bis zu 600°C–900°C gesintert
werden. Erst mit dem Feuerprozesses erlangt die Paste die gewünschten
elektrischen Eigenschaften, die für einen Kontaktkörper auf einer
Solarzelle erforderlich sind.
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Zur
Herstellung von Kontaktkörperstrukturen auf
n-dotierten Halbleiterbereichen
der Solarzelle werden heute typischerweise Pasten mit Silberpartikeln
eingesetzt, im Falle von p-dotierten Halbleiterbereichen kommen
typischerweise Partikel aus Aluminium oder einer Mischung aus Silber
und Aluminium zum Einsatz.
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Ein
im Rahmen der Dickfilmtechnologie bekanntes und weit verbreitetes
Druckverfahren zur Aufbringung einer metallhaltigen Paste auf die
Oberfläche
eines Substrates ist das Siebdruckverfahren. Es basiert auf der
Anwendung eines beschichteten Siebgewebes, bei der die Geometrie
der zu bildenden Kontaktstruktur siebartig geöffnet ist. Durch Aufbringen
einer metallhaltigen Siebdruckpaste auf das Siebgewebe und durch
die Bewegung eines Rakelblattes über
das Sieb, das gleichzeitig einen Kontakt zwischen dem Sieb und dem
darunter liegenden Substrat vermittelt, erfolgt der Übertrag
der Paste auf die Oberfläche.
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Nachteilig
an diesem Verfahren ist, dass eine ausreichende Qualität der aufgebrachten
Kontaktstrukturen nur für
Substrate mit hinreichend planen Oberflächen erreicht wird. Auf unregelmäßigen und unebenen
Oberflächen,
wie beispielsweise bei Siliziumfolien, ist das Siebdruckverfahren
mit Schwankungen in der Dicke der aufgebrachten Kontaktkörper verbunden
und führt
zu einer unzureichenden Definition der Kontaktstrukturen. Damit
sind einerseits häufig
Engstellen oder Unterbrechungen der durch die Kontaktkörper gebildeten
Leiterbahnen verbunden, die in erhöhten ohmschen Verlusten resultieren.
Auf der anderen Seite schatten unzureichend definierte Kontaktkörper die
Solarzellenoberfläche übermäßig ab.
Darüber
hinaus ist das Siebdruckverfahren auf Substraten mit unregelmäßigen und
unebenen Oberflächen
mit einem erhöhten
Bruch und damit Ausschuss verbunden.
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Ein
weiterer Nachteil des Siebdruckverfahrens ist die begrenzte Fähigkeit
zur Erzeugung feinster Kontaktstrukturen, die sich nur mit höchstem Aufwand
erzielen lassen. Insbesondere werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit
der Druckform, die maximale Partikelgröße in den Pasten und an die häufige Reinigung
des Siebgewebes gestellt, um eine Verstopfung der siebartigen Öffnungen
und damit eine Beeinträchtigung
der elektrischen Leitfähigkeit
der aufgebrachten Kontaktstrukturen zu verhindern. Während heute
in einer Laborumgebung mit goldhaltigen Pasten 40 μm breite
Leiterbahnen und mit für
Solarzellen geeigneten Pastenzusammensetzungen Strukturbreiten von
55 μm erreicht
werden, liegen in der industriellen Fertigung die feinsten siebgedruckten Kontaktstrukturen
im Bereich von typischerweise nur 80–200 μm.
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Nachteilig
an dem Siebdruckverfahren ist außerdem, dass das beschichtete
Siebgewebe nach typischerweise 5.000–10.000 Druckprozessen ausgetauscht
werden muss, um eine gleich bleibende Qualität der aufgebrachten Kontaktstrukturen
zu gewährleisten.
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Aus
US 5.151.377 ist ein weiteres
Verfahren zum Aufbringen der Pasten auf Solarzellen, das so genannte
Pastenschreiben, bekannt. Es beinhaltet mindestens ein Behältnis mit
düsenartiger
Austrittsöffnung
in unmittelbarer Nähe
der Oberfläche
des Halbleitersubstrates, das zumindest zeitweise auf einem x-y-Tisch
fixiert werden kann. Durch Pressen der im Behältnis befindlichen Paste und
gleichzeitiges Bewegen des Halbleitersubstrats relativ zur Austrittsöffnung erfolgt
ein Aufbringen der Kontaktstruktur auf das Substrat. Nachteilig
an diesem Verfahren ist dessen begrenzte Fähigkeit, feine Kontaktstrukturen
unter 50 μm
Breite aufzubringen. Schwankungen in der Größe der Metallpartikel der Pasten
führen schnell
zum Verstopfen der düsenartigen Öffnung, weshalb
die minimalen Kontaktstrukturbreiten in der Fertigung bei 80 μm oder höher liegen.
Weiterhin ist das Verfahren abhängig
von der Struktur der aufzubringenden Kontaktkörper sehr zeitintensiv ist.
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Auch
Verfahren wie Sprühen
oder Bedampfen können
eingesetzt werden, um gleichmäßige metallische
Kontaktstrukturen auf einer Solarzelle zu erzeugen. Allerdings erfordern
solche Verfahren zusätzliche
Prozessschritte wie beispielsweise eine geeignete Maskierung, die
sowohl die Prozesszeit als auch die Kosten zur Herstellung einer
Solarzelle in die Höhe
treiben.
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Aus
US 3.701.317 ,
DE 1 771 551 und
US 5.151.386 ist ein Druckverfahren
zum Aufbringen von elektrischen Kontaktstrukturen auf ein Substrat
bekannt, das als Tampondruck (engl. ,Pad Printing') bezeichnet wird.
Das Verfahren beinhaltet insbesondere den Einsatz einer Druckform
(Klischee) mit Vertiefungen, die in Größe und Form der aufzubringenden Kontaktstruktur
gleichen, eines flexiblen Transfermediums (Tampon) aus Silikon und
einer Halterung, auf der das Halbleitersubstrat zeitweise in definierter Lage
zur Druckform fixiert werden kann. Nach Befüllen der Vertiefungen mit der
aufzubringenden Paste und dem Beseitigen der überschüssigen Paste von der Druckformoberfläche wird
der Tampon mit der Druckform und damit auch mit der Paste in den
Vertiefungen in Kontakt gebracht. Die Paste aus den Vertiefungen
der Druckform bleibt nach dem Entfernen des Tampons von der Druckform
an der Oberfläche
des Tampons haften. Anschließend
wird der Tampon mit der daran haftenden Paste mit der Oberfläche des
Substrats in Kontakt gebracht. Nach Entfernen des Tampons von der
Substratoberfläche
haftet die Paste an der Oberfläche
des Substrats, wodurch die Kontaktstruktur auf das Substrat übertragen
ist.
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Nachteilig
an diesem Verfahren sind die damit bisher erzielbaren geringen Dicken
der Pastenstrukturen, die nach dem Feuern typischerweise nur 1–2 μm betragen.
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Dies
führt zu
einer unzureichenden elektrischen Leitfähigkeit in den Kontaktkörpern und
zu hohen ohmschen Verlusten der Solarzelle. Ursächlich hierfür ist unter
anderem, dass bisher weder die Aufnahme größerer Pastenvolumina aus den
Vertiefungen der Druckform durch den Tampon noch eine vollständige Abgabe
der am Tampon haftenden Paste auf das Substrat problemlos möglich ist.
Die unvollständige
Abgabe der Paste vom Tampon auf das Substrat kann zu einer Ansammlung
von Pastenrückständen auf
dessen Oberfläche
führen.
Die Folge ist eine Verschlechterung der Qualität der aufgebrachten Kontaktstrukturen
und eine ungewollte Aufbringung von Paste an freien Stellen der
Solarzelle, so dass Kurzschlüsse
entstehen können.
Zwar können in
einer laufenden Fertigung die Rückstände durch eine
häufige
Reinigung des Tampons minimiert werden, jedoch erhöht dies
die Produktionskosten und reduziert den Durchsatz des Verfahrens.
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Aus
der Druckschrift
US
5.118.362 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Silizium-Solarzellen, die
auf ihrer Rückseite
und/oder Vorderseite elektrische Kontaktstrukturen aufweisen, zu
entnehmen. Die Kontaktstrukturen können im Pad-Printing-Verfahren
auf die Solarzellen aufgebracht werden. Hierzu verwendete Druckpasten
enthalten insbesondere die Metalle Nickel, Silber und Aluminium.
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Der
Druckschrift
DE 100
33 112 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung und Strukturierung
organischer Feldeffekt-Transistoren
(OFET), sowie ein hiernach gefertigter OFET und seine Verwendung
zu entnehmen. Die Strukturie rung des OFET erfolgt durch Drucken
von zumindest einem Funktionspolymer auf ein Substrat in einem Tampondruckverfahren,
wobei das Funktionspolymer zunächst
in eine mit herkömmlichen
Druckfarben vergleichbare Konsistenz gebracht wird und anschließend auf
das Substrat aufgedruckt wird. Um Strukturierungen im μm Bereich
zu ermöglichen,
werden entsprechende Lösungsmittel, wie
bspw. m-Kresol, Chloroform oder Dioxan verwendet.
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Der
Druckschrift
DE 691
21 449 T2 ist eine leitende Tintenzusammensetzung und ein
Tiefdruck-Verfahren zum Herstellen eines dickschichtigen Musters
auf einem Substrat zu entnehmen. Die Tinte wird in eine Tiefdruck-matrize gefüllt und
mittels eines hauptsächlich
aus Siliconharz bestehenden Drucktuchs mit einer Härte von
30–60
Grad auf das Substrat übertragen.
Dabei beträgt
der Auflagedruck des Drucktuchs auf die Tiefdruck-matritze bzw. auf das
Substrat jeweils 2 bis 6 kg/cm
2. Das Verfahren
ermöglicht
das Drucken feiner Linien mit einer Musterbreite von 100 μm oder weniger.
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Aus
der Druckschrift
DE
32 25 483 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung elektrisch
leitfähiger Bereiche
hervor, bei dem eine elektrisch leitfähige Paste mittels eines rotierenden,
elastisch verformbaren Stempels in einem Druckverfahren auf vorgegebene
Bereiche eines Trägers
aufgebracht wird.
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Aus
der Druckschrift
DE
197 13 311 C2 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Erzeugung von großflächigen Präzisionsstrukturen
auf Flachglas hervor, bei dem ein Formgebungswerkzeug mit einer strukturgebenden
Oberfläche,
die mit einem pastenförmigen
Material ge füllt
ist, auf einer Seite des Flachglases auf das Glasmaterial gedrückt wird.
Dabei wird das Formgebungswerkzeug kurz vor und/oder während oder
nach der Kontaktierung mit der Glasoberfläche erwärmt, dass bei Berührung des Glases
ein die Strukturen ausbildendes Aufschmelzen und Aushärten des
pastenförmigen
Materials erfolgt.
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In
der Druckschrift
DE
25 34 845 A1 wird ein Tiefdruckverfahren sowie eine dafür geeignete Schmelzdruckfarbe
offenbart. Das Tiefdruckverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass
lösungsmittelfreie,
bei Raumtemperatur feste Druckfarben verwendet werden, die in den
Farbkästen
der Druckvorrichtung aufgeschmolzen werden, und dass die so verflüssigten
Druckfarben in an sich bekannter Weise aufgetragen werden. Dabei
können
herkömmliche Druckmaschinen
verwendet werden, die lediglich mit beheizbaren Druckwalzen und
beheizbaren Farbkästen
auszurüsten
sind. Werden als Druckträger
Kunststofffolien verwendet, dann empfiehlt es sich den Presseur
zu kühlen,
um die Temperatureinwirkung auf die Folie zu verringern.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen im Rahmen
der Dickfilmtechnologie eingesetzten Tampondruck oder indirekten
Tiefdruck zur Aufbringung von Pastenstrukturen auf ein Substrat
so weiterzubilden, dass ein verbesserter Übertrag einer thermoplastischen
Paste, insbesondere einer metallhaltigen thermoplastischen Paste, auf
das Substrat ermöglicht
wird. Dabei sollen insbesondere einzelne feine Kontaktstrukturen
auf ein Substrat aufgebracht werden können, die nach dem Feuerprozess
Strukturbreiten von unter 50 μm
und Dicken von mehr als 2 μm
aufweisen.
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst, der
ein Verfahren zur Aufbringung einer thermoplastischen Paste, insbesondere
einer metallhaltigen thermoplastischen Paste auf ein Substrat beschreibt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der
Beschreibung, insbesondere den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Aufbringung einer thermoplastischen Paste, insbesondere einer
metallhaltigen thermoplastischen Paste, auf ein Substrat besteht
aus folgenden grundlegenden Schritten:
- – Auffüllen von
Vertiefungen in einer Oberfläche einer
Druckform, die mit einem geometrischen Muster korrespondieren, das
auf das Substrat in Gestalt der Paste aufgebracht werden soll, mit
der Paste,
- – in
Kontaktbringen der Oberfläche
eines Transfermediums mit der Oberfläche der Druckform und der in
den Vertiefungen enthaltenen Paste, so dass die Paste aus den Vertiefungen
der Druckform auf die Oberfläche
des Transfermediums übertragen
wird und auf der Oberfläche
des Transfermediums nach Entfernen des Transfermediums von der Oberfläche der
Druckform haften bleibt, und
- – in
Kontaktbringen der Oberfläche
des Transfermediums und der daran haftenden Paste mit dem Substrat,
wobei die Paste auf das Substrat übertragen wird.
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Das
Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Druckform eine erste
Temperatur T1 aufweist, bei der die Paste
flüssig
ist, sodass diese in die Vertiefungen vollständig hinein fließt und sich
bei der Übertragung
auf das Transfermedium aus den Vertiefungen vollständig herauslöst, dass
das Transfermedium eine zweite Temperatur T2 aufweist,
bei der die Paste einen formstabilen Zustand aufweist, und dass das
Substrat eine dritte Temperatur T3 aufweist,
bei der eine vollständige Übertragung
der Paste vom Transfermedium auf das Substrat gewährleistet
wird und bei der die Paste formstabil bleibt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
beruht somit auf der Einhaltung bestimmter, in den einzelnen Druckprozessschritten
verschiedener Pastentemperaturen bzw. entsprechender Temperaturen
der Druckform, der Oberfläche
des Transfermediums und des Substrates. Diese Pastentemperaturen
sind abhängig
von der jeweils verwendeten Paste. Vorteilhaft ist die Einhaltung
des folgenden Temperaturgradienten bei der Übertragung der Paste aus der Druckform über das
Transfermedium auf das Substrat:
T2 < T3 < T1.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren
eignen sich insbesondere Pasten, die Silber oder Aluminium enthalten.
Darüber
hinaus finden Pasten Verwendung die die folgende Metalle oder Mischungen
aus diesen Metallen enthalten: Gold, Kupfer, Zinn, Blei, Nickel,
Palladium und/oder Indium. Als anorganische Bestandteile können die
Pasten darüber
hinaus fein gemahlene Glaspartikel, die Glasfritte, enthalten. Eingesetzt
wird typischerweise eine auf Blei-Bor- oder Natrium-Zinksilikatgläsern basierende
Glasfritte, welche die Ausbildung eines mechanischen und/oder elektrischen Kontaktes
zum Halbleiter ermöglicht
und darüber
hinaus die Bildung des elektrischen Kontaktes durch zuvor auf die
Solarzelle aufgebrachte dielektrische Schichten hindurch erlaubt. Weiterhin
enthalten die Pasten als organisches Vehikel ein Bindemittel (beispielsweise
Etylzellulose) und Lösungsmittel
(beispielsweise Terpineol oder Carbitol). Zusätzlich sind der Paste noch
zahlreiche Additive zugesetzt, welche geeignet sind die Herstellung und
Aufbringung des Kontaktes auf die Solarzelle zu erleichtern und
die Eigenschaften des aufgebrachten Kontaktes zu verbessern. Als
besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz von Pasten erwiesen,
die 70 bis 80 Gewichtsprozent eines Metallpulvers, insbesondere
Silberpulver, Aluminiumpulver oder ein Aluminium-Silber-Pulvergemisch,
etwa 5 Gewichtsprozent einer Bleiborsilikatglas-haltigen Glasfritte
und 5–15 Gewichtsprozent
einer Mischung aus mindestens einem organischem Bindemittel, insbesondere
Ethylzellulose und langkettige Alkohole enthalten.
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Für das erfindungsgemäße Aufbringen
der Kontaktstrukturen auf das Substrat ist es erforderlich, dass
die Paste thermoplastische Eigenschaften aufweist. Die Paste befindet
sich beispielsweise bei Raumtemperatur in einem erstarrten Zustand
und ist formstabil. Sie besitzt eine charakteristische Temperatur
T3 (Schmelztemperatur) oberhalb der sie
fließfähig wird
und pastöse
Eigenschaften aufweist. Die Viskosität der Paste ist temperaturabhängig und kann
durch eine Temperaturerhöhung
erniedrigt werden. Der Verflüssigungs-
und Erstarrungsprozess ist dabei vorzugsweise reversibel.
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Die
Erfindung umfasst den Einsatz einer aktiv, bei der Temperatur T1, temperierbaren (beheizbaren) Druckform,
auf der entsprechend Form und Größe der aufzubringenden
Kontaktstruktur Vertiefungen eingebracht sind. Die Erfindung beinhaltet
weiterhin ein flexibles Transfermedium, das vorzugsweise zumindest
an dessen Oberfläche
aus Silikonkautschuk besteht und dessen Oberfläche eine Temperatur T2 aufweist, sowie eine Halterung, in dem
das Substrat während
der Aufbringung der Kontaktstruktur zeitweise fixiert werden kann.
Die Halterung ist dabei entweder dazu geeignet, die Substrate vor
der Aufbringung der Paste zu temperieren oder aber ein Abkühlen der
Substrate zu verhindern, so dass die Substrate zum Zeitpunkt des
Aufbringens der Paste eine wohl definierte Temperatur besitzen.
Die Oberfläche des
Transfermediums wird in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens
aktiv bei einer Temperatur T2 temperiert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird im Einzelnen wie folgt erläutert:
- 1. Zunächst
wird die Paste auf die Druckform mit der Temperatur T1 aufgebracht
und in die Vertiefungen desselben verteilt. In einer vorteilhaften Weiterbildung
des Verfahrens wird eine auf eine Temperatur T4 vortemperierte
Paste, wobei T4 in der Größenordnung
von T1, insbesondere bei T4 ≥ T1 liegt, verwendet. Überschüssige Paste wird anschließend auf
geeignete Weise entfernt, so dass die Paste ausschließlich in
den Vertiefungen der Druckform zurückbleibt.
- 2. Das Transfermedium, dessen Oberfläche sich bei der Temperatur
T2 befindet, wird in Kontakt mit der Druckform
und der Paste gebracht, wobei die Paste an der Oberfläche des
Transfermediums haftet.
- 3. Beim Entfernen des Transfermediums von der Druckform wird
die Paste aus den Vertiefungen herausgelöst und erstarrt an dessen Oberfläche soweit,
dass sie formstabil ist.
- 4. Das Transfermedium und das Substrat, das eine Temperatur
T3 aufweist, werden zueinander in Position
gebracht. Währenddessen
kann das Transfermedium durch geeignete Maßnahmen gekühlt werden, um bei kontinuierlicher
Prozessierung ein Erwärmen
desselben zu verhindern.
- 5. Das Transfermedium wird durch Anwendung einer geeigneten
Kraft in Kontakt mit dem auf der Halterung fixierten Substrat gebracht,
so dass es sich der Struktur der Substratoberfläche vollständig anpasst. Dadurch wird
eine Haftung der auf dem Transfermedium befindlichen Paste und dem Substrat
vermittelt.
- 6. Bei Entfernen des Transfermediums vom Substrat löst sich
die Paste von demselben und verbleibt haftend auf dem Substrat.
Die Struktur ist somit übertragen.
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Dieser
Ablauf kann einmal oder mehrmals mit einem Substrat durchgeführt werden,
um die gewünschte
Schichtdicke der Paste auf dem Substrat zu erreichen. Alternativ
zu einer mehrfachen Durchführung
der oben beschriebenen Schritte 1–6, kann auch nur
eine mehrfa che Wiederholung der Schritte 1–3 erfolgen.
In Schritt 6 wird die auf dem Transfermedium gebildete
Pastenmenge dann in einem Schritt übertragen. Um die Haftung der
thermoplastischen Paste auf dem Substrat zu erhöhen, kann dem Aufbringen der
Paste ein kurzer Temperaturprozess angeschlossen sein, bei dem die
Substrate mit der aufgebrachten Paste kurzzeitig auf oder unterhalb
einer Temperatur T5 erwärmt werden, bei der zumindest
die Oberfläche
der Paste zähfließend wird.
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben:
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1a–f Schematische
Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit Hilfe des Tampondrucks,
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2a–d Schematische
Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit Hilfe des Rotations-Tampondrucks mit planer Druckform,
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3a–c Schematisierte
Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit Hilfe des Rotations-Tampondrucks mit zylinderförmiger Druckform,
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4a,
b Aufsicht und Querschnitt einer Solarzelle mit gitterförmiger Kontaktstruktur.
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Die 1a bis 1f zeigen
die einzelnen Schritte der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit einer Tampondruckmaschine. Die Druckform 1 mit den
eingebrachten Vertiefungen 2 befindet sich bei einer wohl
definierten Temperatur T1 (1a).
Die Druckform 1 ist im Allgemeinen aus photopolymerem Kunststoff,
Stahl, Glas oder Keramik hergestellt. Zur aktiven Temperierung kann
die Druckform 1 auf einer Grundplatte aufgebracht werden,
die es temperiert. Die Temperatur T1 ist
so gewählt,
dass die Paste aufgrund ihrer Viskosität leicht in alle Vertiefungen
hineinfließen
kann und sich andererseits beim Transfer auf den Tampon 3 vollständig aus
den Vertiefungen herauslöst.
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Zunächst wird
in die Vertiefungen 2 auf der Druckform 1 ausreichend
Paste 4 eingebracht. Vorteilhafterweise wird die Paste
vor dem Aufbringen auf die Druckform 1 bei einer Temperatur
T4, bei der die Paste in dünnflüssigem Zustand
vorliegt, temperiert. Wird hierfür
eine entsprechend beheizte Pastenwanne bereit gestellt, so kann
die Druckformoberfläche ausreichend
mit der Paste geflutet werden, indem ein Flutrakel in die Pastenwanne
eintaucht und die Paste über
die Druckform 1 und die Vertiefungen 2 verteilt. Danach
wird ein Rakelmesser, das in Kontakt mit der Oberfläche der
Druckform 1 gebracht worden ist, über die Druckform 1 hinweg
bewegt, um die überschüssige Paste 4 zu
entfernen und zurück
in die Pastenwanne zu befördern.
Verwendbar sind auch halboffene oder geschlossene Rakelsysteme.
Als Ergebnis verbleibt die Paste 4 ausschließlich in
den dafür
vorgesehen Vertiefungen 2 (1b). Um
die Paste 4 über
die Oberfläche
der Druckform 1 zu verteilen, werden Flutrakel verwendet,
die üblicherweise
aus Stahl oder hartem starren Kunststoff gefertigt sind. Das Entfernen
der überschüssigen Paste 4 erfolgt
mit einem flexiblen oder starren Rakelmesser, das üblicherweise
aus gehärtetem
Stahl besteht.
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Der
Tampon (Transfermedium) 3 weist eine Temperatur T2 auf, bei der die Paste 4 in einem
formstabilen Zustand vorliegt. Der Tampon 3 besteht typischerweise
aus additions- oder kondensationsvernetztem Silikonkautschuk und
ist entweder hohl oder massiv ausgeführt. Er weist typischerweise
eine nach außen
gewölbte
Form auf, kann aber auch in seiner Form der aufzubringen Struktur
angepasst sein. Die Härte
des Tampons 3 sollte in einem Bereich von 15–61° Shore 00
liegen und beträgt
vorzugsweise um 20–40° Shore 00.
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Der
Tampon 3 wird nun auf die Druckform 1 herabgesenkt,
so dass er an seiner Unterseite mit dieser in Kontakt kommt und
sich deformiert. Diese untere Position des Tampons 3 auf
der Druckform 1 bzw. wahlweise eine entsprechend gewählte Anpresskraft
ist so bemessen, dass zumindest die Vertiefungen auf der Druckformoberfläche abgedeckt wird
(1c).
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Der
Tampon 3 hebt sich anschließend und löst sich dabei von der Druckform 1.
Die Paste 4 ist auf den Tampon 3 übertragen
(1d).
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Nachdem
der Tampon 3 und das Substrat 5 in der Halterung
zueinander in Position gebracht worden sind, be ginnt der zweite
Transfer der Struktur. Das Substrat weist hierfür eine Temperatur T3 mit T3 > T2 und
T3 < T1 auf, die so gewählt ist, dass eine vollständige Übertragung
der Paste 4 vom Tampon 3 auf das Substrat 5 gewährleistet
wird und bei der die Paste 4 formstabil bleibt. Dadurch
wird einerseits eine maximale Haftung der zuvor erstarrten Paste
an der Substratoberfläche
erreicht und andererseits bleibt die Paste während des zweiten Transferschrittes
formstabil, um so Verbreiterungen der Strukturen auszuschließen. Das
Substrat 5 wird zuvor auf der Halterung fixiert und besitzt
eine definierte Position bezüglich
der Vertiefungen in der Druckform 1. Dies kann durch geeignete
Maßnahmen
zur Justierung, beispielsweise Justiermarken oder kameraunterstützte optische
Justierverfahren, erfolgen. Nun wird der Tampon auf das Substrat
abgesenkt, so dass dessen untere Seite mit diesem in Kontakt kommt und
sich wiederum deformiert. Die untere Position des Tampons 3 auf
dem Substrat 5 bzw. wahlweise die gewählte Anpresskraft ist zumindest
so gewählt, dass
die Paste 4 vom Tampon auf das Substrat 5 vollständig übertragen
wird (1e). Beim Abheben des Tampons 3 vom
temperierten Substrat 5 auf die obere Position bleibt die
Paste 4 auf der Oberfläche
des Substrates 5 vollständig
haften (1f). Die Dicke des Auftrags
wird neben den Prozessparametern auch von den thermoplastischen
Eigenschaften der Paste 4 mitbestimmt.
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Die 2a bis 2d zeigen
die einzelnen Schritte der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei einer Rotationsdruckmaschine mit planer Druckplatte. Als Transfermedium 3 werden
in diesem Fall Transferzy linder 3 eingesetzt, die zumindest
teilweise an der Oberfläche
mit Silikonkautschuk versehen sind. Dies kann beispielsweise in
Form von flachen angebrachten Silikonkissen der Fall sein. So kann
sich auch in diesem Fall das Transfermedium 3 den eventuellen
Unebenheiten der Oberfläche
des Substrates 5 anpassen. Als Druckform 1 werden
plane Druckplatten verwendet.
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Die
erfindungsgemäße Temperierung
erfolgt analog der vorstehenden Beschreibung. In einem ersten Schritt
werden die Vertiefungen 2 in der temperierten Druckplatte 1 analog
zum Vorgehen beim Tampondruckverfahren unter Einsatz eines Flutrakel und
eines Rakelmessers mit vortemperierter Paste 4 gefüllt (2a).
Zur Aufnahme der Paste 4 durch den Transferzylinder 3 wird
dieser über
die in der Druckplatte 1 definierte Struktur gerollt, wobei
der Transferzylinder 3 mit einem geeigneten Druck auf die
temperierte Druckplatte 1 gepresst wird (2b).
Dabei kann wahlweise der Transferzylinder 3 auf der Druckplattenoberfläche abrollen,
oder die Druckplatte 1 wird an dem fest montierten Transferzylinder 3 vorbeigeführt. Durch
das Abrollen des mit erstarrter Paste 4 behafteten Transferzylinders 1 über dem
Substrat 5 oder alternativ durch ein Bewegen des Substrats 5 unter
dem Transferzylinder 3 hindurch, erfolgt der Übertrag
der Paste 4 auf das temperierte Substrat 5. Ein
geeignet gewählter
Druck zwischen dem Transferzylinder und dem Substrat gewährleistet eine
vollständige Übertragung
der Paste (2c und 2d).
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Die 3a bis 3d zeigen die einzelnen Schritte der Umsetzung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei einer Rotationsdruckmaschine mit einem Druckformzylinder. Wiederum
erfolgt die erfindungsgemäße Temperierung
analog der vorstehenden Beschreibung. Der Druckformzylinder 1 weist Vertiefungen 2 entsprechend
der Struktur des zu bildenden Kontaktes auf (3a). Diese
können
einmal oder auch mehrfach in die Zylinderoberfläche eingebracht sein. Der Druckformzylinder 1 befindet sich
in ständigem
Kontakt mit dem Transferzylinder 3 und dreht sich in gegensätzlicher
Richtung zu diesem. Das Füllen
der Vertiefung 2 mit Paste 4 erfolgt bei dieser
Umsetzung beispielsweise dadurch, dass sich der Druckformzylinder 1 in
einer beheizten Pastenwanne dreht. Da der untere Teil des Druckformzylinders 1 ständig mit
der Paste 4 in Berührung
ist, werden Vertiefungen 2, welche die Pastenwanne durchlaufen,
automatisch gefüllt.
Dies erfordert gegebenenfalls eine höhere Viskosität der Paste 4,
was durch Temperaturerhöhung
in der Wanne einfach erreicht werden kann. Das Entfernen der überschüssigen Paste 4 erfolgt
dann durch ein feststehendes Rakelmesser, dass in Drehrichtung des
Druckformzylinders 1 unmittelbar nach der Pastenwanne angebracht
ist und ständig
in Kontakt mit der Druckformoberfläche ist. Ist eine Vertiefung 2 mit
der Paste 4 befüllt
und durchläuft
den Berührungspunkt
beider Zylinder wird die Paste 4 auf den Transferzylinder 3 übertragen
(3b). Durch die Drehbewegung transportiert der
Transferzylinder 3 die Paste 4 zum temperierten
Substrat 5, das justiert zur Position der Paste 4 auf
dem Transferzylinder 3 unter diesem hindurchbewegt wird
(3c).
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Als
weiteres Ausführungsbeispiel
wird das erfindungsgemäße Verfahren
angewandt, um Kontakte auf der Vorderseite und Rückseite einer kristallinen
Silizium-Solarzelle 6 aufzubringen.
Dabei wird das Substrat 5, in diesem Fall ein 330 μm dickes
und 10 × 10
cm großes
p-dotiertes kristallines Siliziumsubstrat, zunächst vorbehandelt. Das Siliziumsubstrat 5 wird
einem Ätzprozess
unterzogen, bei dem an der Oberfläche 10–15 μm des Siliziums gleichmäßig entfernt
werden. Nachfolgend erfolgt eine Diffusion von Phosphor in der Weise,
dass auf der Vorderseite eine n-dotierte Schicht erzeugt und ein
pn-Übergang, angrenzend
zur Vorderseite des Siliziumsubstrats, in einer Tiefe von 0.5 μm ausgebildet
wird. Die Vorderseite wird im Anschluss mit einer ca. 75 nm dicken Schicht
aus wasserstoffhaltigem amorphen Siliziumnitrid versehen, die als
Antireflexschicht dient.
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4a zeigt
die auf die Vorderseite einer Solarzelle 6 aufzubringende
Kontaktstruktur, bestehend aus zwei parallel zueinander angeordneten
Sammelkontakten 8 und senkrecht dazu einer Vielzahl von feineren
Kontaktfingern 7.
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4b zeigt
einen Querschnitt durch eine Solarzelle 6 nach dem Aufbringen
der Sammelkontakte 8 (nicht dargestellt) und der feinen
Kontaktfinger 7 auf der Vorderseite, sowie von flächigen Rückkontakten 9 und
lötbaren
Rückkontakten 10 auf
der Rückseite
der Solarzelle 6.
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Zur
Herstellung und zur Aufbringung der in 4a gezeigten
Kontaktstruktur auf der Vorderseite des Siliziumsubstrats wird eine
konventionelle Transfer-Tampondruckmaschine mit vertikaler Tamponbewegung
und horizontaler Druckformbewegung, sowie offener Pastenwanne verwendet.
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Die
Aufbringung der Kontaktstruktur auf der Vorderseite des Siliziumsubstrats
erfolgt unter Einsatz einer thermoplastischen silberhaltigen Siebdruckpaste
der Firma Ferro Electronic, Santa Barbara CA (USA):
FerroTM CN 33-403. Die Paste 4 zeigt
folgendes temperaturabhängiges
Verhalten: bei Raumtemperatur liegt die Paste 4 erstarrt,
d.h. formstabil vor, sie verflüssigt
sich bei ca. 55°C.
Während
bei 70°C
die Viskosität
ungefähr
12 Pa s beträgt
und reduziert sie sich bei Erhöhung
der Temperatur über
90°C auf Werte
von 5 Pa s und weniger. Die Paste 4 kann ohne Modifikationen
in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt
werden.
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Die
Druckform 1 wird zusammen mit der Pastenwanne über eine
in der Druckformhalterung eingebaute regelbare Widerstandsheizung
bei einer Temperatur T1 aus dem Intervall
80°C–100°C, vorzugsweise
bei 90°C
temperiert. Die Substrathalterung besteht aus einem Aluminiumblock
mit darin eingelassener poröser
thermisch gut leitfähiger
Platte, über
die der Siliziumwafer mittels Vakuum während des Druckprozesses angesaugt
wird. Die Substrathalterung und damit auch das Substrat wird bei
einer Temperatur T3 aus dem Intervall 45°C–53°C, vorzugsweise
bei 49°C,
temperiert. Die Temperaturhomogenität des Substrats wird dabei
auf ± 1°C oder besser
ge regelt. Alternativ ist die Zufuhr von vortemperierten Substraten 5 möglich, wenn
gewährleistet ist,
dass deren Temperatur T3 während des
Aufbringens der Paste 4 gehalten wird. Als Transfermedium 3 kommt
ein gewölbter
Silikontampon auf quadratischer Grundplatte zum Einsatz, der eine
Härte von 40° Shore 00
aufweist. Der Tampon wird nicht temperiert und weist im Ausführungsbeispiel
eine der Raumtemperatur entsprechende Temperatur auf. Die Temperatur
T2 des Tampons sollte aber zwischen Raumtemperatur
und ca. 35°C,
vorzugsweise bei 25°C–30°C liegen,
um optimale Druckergebnisse zu erhalten. In der Druckform 1 ist
die Kontaktstruktur entsprechend 4a als
Vertiefung 2 ausgeätzt
und besteht aus zwei parallelen breiten Gräben (Sammelkontakte 8)
und einer Vielzahl von senkrecht dazu liegenden feineren Gräben (feine
Kontaktfinger 7). Die Tiefe der Strukturen in der Druckform 1 liegt
zwischen 10 μm
und 150 μm.
Die Paste 4 wird zunächst
mit einem Flutrakel auf der temperierten Druckform 1 verteilt
und bis auf die Vertiefungen 2 wieder mit einem Rakelmesser
entfernt. Dann wird der Tampon 3 auf die Druckform 1 abgesenkt,
um die Paste 4 aus den Vertiefungen 2 aufzunehmen.
Die Druckform fährt zurück und gibt
das temperierte Siliziumsubstrat 5 in der Halterung frei.
Der Tampon 3 mit der daran haftenden, formstabil erstarrten
Paste 4 auf der Oberfläche
senkt sich auf das Siliziumsubstrat 5 ab und überträgt die Paste 4 bei
nachfolgenden Abheben auf das Siliziumsubstrat 5. Die Paste 4 in
Form der aufzubringenden Kontaktstruktur ist damit auf die vorderseitige
Oberfläche
des Solarzellenrohlings 1 übertragen. Die Position des
Substrates 5 ist dabei so zur Gravur auf der Druckform 1 justiert,
dass das Kon taktgitter mittig auf das Siliziumsubstrat 5 übertragen wird.
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Nun
erfolgt in analoger Weise die Herstellung und Aufbringung des in 4b gezeigten
Aluminium-Rückkontaktes 9 auf
der Rückseite
des Siliziumsubstrates mit derselben Transfertampondruckmaschine
unter Einsatz der thermoplastischen aluminiumhaltigen Paste FerroTM CN 53-092 der Firma Ferro Electronic,
Santa Barbara CA (USA) sowie einer entsprechend angepassten Druckform 1.
Diese Paste 4 verflüssigt
sich bei 48°C.
Auch diese Paste 4 verringert bei darüber liegenden Temperaturen
ihre Viskosität
mit steigender Temperatur. Die Paste 4 kann ohne Modifikationen
in dem erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzt werden.
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Die
Druckform 1 wird zusammen mit der Pastenwanne über eine
in der Druckformhalterung bei einer Temperatur T1 aus
dem Intervall 70°C–90°C, vorzugsweise
bei 80°C
temperiert. Das Substrat 5 wird bei einer Temperatur T3 aus dem Intervall 39°C–45°C, vorzugsweise bei 42°C, temperiert.
Als Transfermedium 3 kommt ein gewölbter Silikontampon auf quadratischer
Grundplatte zum Einsatz, der eine Härte von 25° Shore 00 aufweist.
In der Druckform 1 ist eine flächige quadratische Kontaktstruktur 2 ausgeätzt, in
der zwei parallele breite Stege für den lötbaren Rückkontakt 10 stehen
gelassen wurden. Die Tiefe der Strukturen in der Druckform 1 liegt
bei ca. 100 μm.
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Abschließend wird
der mit der aufgebrachten Kontaktstruktur versehene Solarzellenrohling
von der Halterung entfernt und in einem Infrarot-Durchlaufofen gefeuert.
Dabei werden die organischen Bestandteile der Paste zunächst bei
Temperaturen bis zu 400°C
für ca.
zwei Minuten ausgebrannt und anschließend das Siliziumsubstrat 5 mit
schnellen Auf heiz- und Abkühlrampen
für wenige
Sekunden auf 700°C–800°C erhitzt.
Dadurch erfolgt die Ausbildung sowohl der Leitungseigenschaften
der aufgebrachten Leiterbahnen als auch des elektrischen Kontaktes mit
dem n-dotierten Emitter durch die Antireflexschicht aus Siliziumnitrid
hindurch. Nach dem Feuerprozess wird die Solarzelle 1 durch
Anwendung weiterer Prozessschritte fertig gestellt.
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Die
auf der Substratvorderseite aufgebrachten feinen Kontaktfinger 7 weisen
ein Breite von 30–50 μm auf. Für den einfachen
Druck werden nach dem Feuerprozess auf der Substratvorderseite bei den
feinen Kontaktfingern 7 Dicken von ca. 3 μm, bei den
Sammelkontakten 8 Dicken von ca. 7 μm sowie auf der Substratrückseite
bei den Aluminiumrückkontakten
Dicken von bis zu 20 μm
erreicht. Die Leitungswiderstände
liegen bei den feinen Kontaktfingern 7 bei 3 Ω/cm, bei
den Sammelkontakten 8 bei 0,4 Ω/cm. Die Dicke der Kontaktkörper lässt sich
bei einem Mehrfachdruck erhöhen.
Pro durchgeführter Wiederholung
des Druckprozesses erhöht
sich dabei das Volumen der Kontaktkörper und entsprechend deren
Leitfähigkeit
um 50–80%.
-
Der Übertrag
der Paste von dem Tampon auf das Siliziumsubstrat erfolgt in diesem
Ausführungsbeispiel vollständig und
somit ohne Rückstände auf dem
Tampon. Die Vollständigkeit
der Übertragung der
Paste aus der Druckform auf den Tampon hängt u.a. von den Strukturen
in der Druckform, vor allem deren Tiefe ab. Durch eine entsprechende
Anpassung der Strukturtiefen der Druckform auf die Dicke der zu übertragenden
Kontaktkörper
kann eine nahezu rückstandsfreie Übertragung
der Paste aus der Druckform auf den Tampon erreicht werden. Dabei
ist es von Vorteil, wenn eine Limitierung der von der Druckform
auf den Tampon übertragenen
Pastenmenge durch die Strukturtiefe ausgeschlossen ist. Die Vertiefungen
in der Druckform wird man deshalb geringfügig tiefer als eigentlich erforderlich
ausführen.
-
- 1
- Druckform/Klischee
- 2
- Vertiefungen
entsprechend der zu übertra
-
- genden
Strukturen
- 3
- Transfermedium/Tampon
- 4
- Paste
- 5
- Substrat
- 6
- Solarzelle
- 7
- Kontaktfinger
- 8
- Sammelkontakt
- 9
- Aluminium-Rückkontakt
- 10
- Lötbarer Rückkontakt
aus Silber