DE102010037319B4 - Solar cell with improved backside metallization layer - Google Patents

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Abstract

Solarzelle (1), welche eine Rückseite sowie eine Rückseitenmetallisierungsschicht (12) aufweist und die Rückseitenmetallisierungsschicht (12) Strukturmaterialien in Form von Nanopartikeln (2) in Form von Kohlenstoffnanofasern oder in Form von Kohlenstoffnanoröhren oder in Form von funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren und -fasern enthält, wobei der Durchmesser der Nanopartikel (2) größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 10 μm ist, und wobei die Länge der Nanopartikel (2) größer 1 μm ist.A solar cell (1) having a backside and a backside metallization layer (12) and the backside metallization layer (12) comprises nanoparticles (2) in the form of carbon nanofibers or in the form of carbon nanotubes or in the form of functionalized carbon nanotubes and fibers the diameter of the nanoparticles (2) is greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 10 μm, and wherein the length of the nanoparticles (2) is greater than 1 μm.

Description

Eine Silizium-Solarzelle umfasst eine Siliziumschicht, welche zwei verschieden dotierte Bereiche an Ihrer Ober- und Unterseite aufweist. Jeweils auf der Ober- und der Unterseite wird eine Metallisierungsschicht aufgebracht, welche der Kontaktierung der elektrischen Anschlusskontakte dient. Die rückseitige Metallisierungsschicht wird üblicherweise in Form einer Paste, welche Aluminiumpartikel enthält, aufgetragen und anschließend in einem Feuerungsschritt so stark erhitzt, so dass Aluminium und Silizium eine Diffusionsverbindung eingehen. Eine weitere Aufgabe der Metallisierungsschicht ist die Erhöhung der mechanischen Stabilität der Solarzelle. Aufgrund der geringen Duktilität des Siliziums sowie ihrer geringen Dicke von 100 bis 200 μm ist diese Solarzelle sehr bruchanfällig. Da eine Solarzelle sowohl während ihrer Fertigung, durch mechanische Belastungen, als auch während ihres Betriebs, durch Temperaturschwankungen von bis zu 80 Kelvin im Tagesverlauf, hohen Beanspruchungen ausgesetzt ist, wird eine Metallisierungsschicht gewünscht, welche diese Belastungen aufnehmen und kompensieren kann.A silicon solar cell comprises a silicon layer which has two differently doped regions on its top and bottom. In each case on the top and the bottom of a metallization layer is applied, which serves for contacting the electrical connection contacts. The back metallization layer is usually applied in the form of a paste containing aluminum particles, and then heated in a firing step so strongly that aluminum and silicon form a diffusion bond. Another object of the metallization layer is to increase the mechanical stability of the solar cell. Due to the low ductility of the silicon and its small thickness of 100 to 200 microns, this solar cell is very susceptible to breakage. Since a solar cell is subjected to high stresses during its production, due to mechanical loads, as well as during its operation, by temperature fluctuations of up to 80 Kelvin in the course of the day, a metallization layer is desired, which can absorb and compensate for these stresses.

Grundsätzlich bekannt ist es, stabilisierende Schichten mit Fasern zu versetzen. Diese Fasern können Belastungen aufnehmen und die auf sie wirkenden Kräfte absorbieren. Für die Metallisierungsschicht einer Solarzelle ist dieses Vorgehen jedoch nicht möglich, da das Ausgangsmaterial der Metallisierungsschicht in flüssiger oder pastöser Form (Metallisierungspaste) mittels eines (Sieb-)Druckverfahrens auf die Solarzelle aufgebracht wird. Hierbei würden herkömmliche Fasern die Siebstruktur/Druckstruktur verstopfen und eine gleichmäßige Beschichtung mit Metallisierungsmaterial verhindern. Ebenso würde eine Beimischung von nichtleitenden Fasern die elektrischen Eigenschaften der Metallisierungsschicht verschlechtern.It is generally known to provide stabilizing layers with fibers. These fibers can absorb stresses and absorb the forces acting on them. However, this procedure is not possible for the metallization layer of a solar cell since the starting material of the metallization layer is applied to the solar cell in liquid or pasty form (metallization paste) by means of a (screen) printing process. Here, conventional fibers would clog the screen structure / print structure and prevent uniform coating with metallization material. Likewise, incorporation of non-conductive fibers would degrade the electrical properties of the metallization layer.

Die US 2007/0221270 A1 betrifft eine Siebdruckpaste und eine Solarzelle, bei der eine Elektrodenstruktur aus dieser Siebdruckpaste hergestellt worden ist. Die Siebdruckpaste umfasst Kohlenstoffnano-Partikel, die eine Durchmesser von weniger als 1 μm aufweisen. Aus der US 2010/0003781 A1 ist weiterhin eine Dünnschichtsolarzelle mit einer transparenten Frontelektrodenstruktur bekannt. Die Frontelektrodenstruktur weist Kohlenstoff-Nanotubes auf.The US 2007/0221270 A1 relates to a screen printing paste and a solar cell in which an electrode structure has been produced from this screen printing paste. The screen printing paste comprises carbon nanoparticles which have a diameter of less than 1 μm. From the US 2010/0003781 A1 Furthermore, a thin-film solar cell with a transparent front electrode structure is known. The front electrode structure has carbon nanotubes.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Solarzelle mit einer Rückseitenmetallisierungsschicht vorzustellen, die folgende Eigenschaften aufweist:

  • a) Fähigkeit zur Aufnahme von mechanischen Kräften, die bei der Herstellung, Verarbeitung und Betrieb der Solarzelle auftreten, ohne die Flexibilität der Solarzelle negativ zu beeinflussen;
  • b) Gute Haftung zwischen Metallisierungsschicht und Solarzellen-Halbleiteroberfläche, um eine Delamination von Metallisierungsschicht und Halbleiter bei Herstellung, Verarbeitung und Betrieb der Solarzelle zu verhindern;
  • c) Gute elektrische Querleitfähigkeit in der Metallisierungsschicht sowie guter Kontaktwiderstand zwischen Metallisierungsschicht und Halbleiter;
  • d) Das Ausgangsmaterial der Metallisierungsschicht ist für die Verarbeitung mittels eines (Sieb-)Druckverfahrens geeignet.
The object of the invention is therefore to present a solar cell with a back-side metallization layer, which has the following properties:
  • a) ability to absorb mechanical forces that occur during the manufacture, processing and operation of the solar cell, without negatively affecting the flexibility of the solar cell;
  • b) Good adhesion between metallization layer and solar cell semiconductor surface to prevent delamination of metallization layer and semiconductor during manufacture, processing and operation of the solar cell;
  • c) Good lateral electrical conductivity in the metallization layer and good contact resistance between metallization layer and semiconductor;
  • d) The starting material of the metallization layer is suitable for processing by means of a (screen) printing process.

Die Solarzelle umfasst hierbei eine Siliziumschicht, eine Vorderseitenbeschichtung auf der der Sonne zugewandten Vorderseite sowie eine Rückseitenmetallisierungsschicht auf der der Sonne abgewandten Rückseite.In this case, the solar cell comprises a silicon layer, a front side coating on the front side facing the sun, and a rear side metallization layer on the rear side facing away from the sun.

Neben dem Siebdruckverfahren können auch andere Depositionsverfahren angewendet werden wie z. B. Dispensen, Laser Transfer Druck, Tampondruck, Inkjet Druck, Aerosol Druck, etc.In addition to the screen printing method, other deposition methods can be used such. Dispensing, laser transfer printing, pad printing, inkjet printing, aerosol printing, etc.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Rückseitenmetallisierungsschicht Strukturmaterialien in Form von Nanopartikeln in Form von Kohlenstoffnanofasern oder in Form von Kohlenstoffnanoröhren oder in Form von funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren und -fasern enthält, wobei der Durchmesser der Nanopartikel größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 10 μm ist, und wobei die Länge der Nanopartikel größer 1 μm ist.According to the invention, the backside metallization layer contains structural materials in the form of nanoparticles in the form of carbon nanofibers or in the form of carbon nanotubes or in the form of functionalized carbon nanotubes and fibers, the diameter of the nanoparticles being greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 10 μm, and wherein the length of the nanoparticles is greater than 1 μm.

Durch diese Zugabe erhöht sich die Festigkeit der Metallisierungsschicht, da die Nanopartikel mechanische Kräfte aufnehmen und damit die Siliziumschicht verstärken. Zudem wird die Haftung der Metallisierungsschicht an der Siliziumschicht verbessert.This addition increases the strength of the metallization layer, since the nanoparticles absorb mechanical forces and thus reinforce the silicon layer. In addition, the adhesion of the metallization layer to the silicon layer is improved.

Die genannten Nanopartikel eigenen sich aufgrund Ihrer Eigenschaften für den Einsatz als Strukturmaterial für diesen Anwendungsfall. Sie weisen eine hohe Festigkeit auf, sind elektrisch leitend, so dass die Leitfähigkeit der Metallisierungsschicht nicht beeinträchtigt wird und können aufgrund ihrer geringen Größe auch die üblichen Siebschablonen oder Druckerdüsen passieren. Des Weiteren ist es möglich, durch eine sogenannte Funktionalisierung weitere chemische Verbindungen an die Nanopartikel zu binden, und damit in die Metallisierungsschicht einzubringen.Due to their properties, the mentioned nanoparticles are suitable for use as structural material for this application. They have a high strength, are electrically conductive, so that the conductivity of the metallization layer is not impaired and can happen due to their small size and the usual Siebschablonen or printer nozzles. Furthermore, it is possible to bind further chemical compounds to the nanoparticles by means of a so-called functionalization, and thus to introduce them into the metallization layer.

Eine bevorzugte Realisierungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von Strukturmaterial in Form von Nanopartikeln in der Rückseitenmetallisierungsschicht 30 Gewichtsprozent nicht überschreitet.A preferred embodiment is characterized in that the proportion of nanoparticulate structural material in the backside metallization layer does not exceed 30 percent by weight.

Eine mögliche Ausführungsform wird anhand 1 erläutert.A possible embodiment is based 1 explained.

1 zeigt den schematischen Querschnitt durch eine Solarzelle 1. Diese ist vereinfacht als System von drei Schichten dargestellt, wobei die Dicke der einzelnen Schichten sowie das Verhältnis von Schichtdicke zur Ausdehnung der Solarzelle nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. 1 shows the schematic cross section through a solar cell 1 , This is shown simplified as a system of three layers, wherein the thickness of the individual layers and the ratio of layer thickness to the extent of the solar cell are not shown to scale.

Die oberste Schicht bildet die Vorderseitenbeschichtung 13. Diese ist hier vereinfacht als eine homogene Schicht dargestellt. In der Praxis ist sie jedoch strukturiert geformt, um einen möglichst hohen Lichteinfall auf die Siliziumschicht zu gewährleisten.The topmost layer forms the front side coating 13 , This is simplified here shown as a homogeneous layer. In practice, however, it is structured in order to ensure the highest possible incidence of light on the silicon layer.

Die mittlere Schicht mit der größten Dicke ist die Siliziumschicht 11. Diese ist das stromerzeugende Element einer Solarzelle und besteht aus zwei verschieden dotierten Siliziumschichten. Bei Lichtanfall entsteht zwischen ihrer Oberseite und Unterseite ein Spannungsgefälle und damit ein Stromfluss. Die Aufgabe, diesen Strom abzuführen übernehmen die Vorderseitenbeschichtung 13 und die Rückseitenmetallisierungsschicht 12.The middle layer with the largest thickness is the silicon layer 11 , This is the electricity generating element of a solar cell and consists of two differently doped silicon layers. When the light is generated between its top and bottom, a voltage gradient and thus a current flow. The task to dissipate this power take over the front side coating 13 and the backside metallization layer 12 ,

Auf der Unterseite folgt die Rückseitenmetallisierungsschicht 12. Diese wird durch eine flächige Schicht gebildet, welche zum Großteil aus Aluminium besteht. in der Rückseitenmetallisierungsschicht befindet sich, homogen verteilt, eine Vielzahl von Nanopartikeln 2, welche zufällig ausgerichtet sind.On the bottom follows the backside metallization layer 12 , This is formed by a flat layer, which consists largely of aluminum. in the Rückseitenmetallisierungsschicht is homogeneously distributed, a plurality of nanoparticles 2 which are randomly aligned.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Solarzellesolar cell
1111
Siliziumschichtsilicon layer
1212
RückseitenmetallisierungsschichtRückseitenmetallisierungsschicht
1313
VorderseitenbeschichtungFront coating
22
Nanopartikelnanoparticles

Claims (2)

Solarzelle (1), welche eine Rückseite sowie eine Rückseitenmetallisierungsschicht (12) aufweist und die Rückseitenmetallisierungsschicht (12) Strukturmaterialien in Form von Nanopartikeln (2) in Form von Kohlenstoffnanofasern oder in Form von Kohlenstoffnanoröhren oder in Form von funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren und -fasern enthält, wobei der Durchmesser der Nanopartikel (2) größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 10 μm ist, und wobei die Länge der Nanopartikel (2) größer 1 μm ist.Solar cell ( 1 ), which have a backside and a backside metallization layer ( 12 ) and the backside metallization layer ( 12 ) Structural materials in the form of nanoparticles ( 2 ) in the form of carbon nanofibers or in the form of carbon nanotubes or in the form of functionalized carbon nanotubes and fibers, the diameter of the nanoparticles ( 2 ) is greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 10 μm, and wherein the length of the nanoparticles ( 2 ) is greater than 1 micron. Solarzelle (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von Strukturmaterial in Form von Nanopartikeln (2) in der Rückseitenmetallisierungsschicht (12) 30 Gewichtsprozent nicht überschreitet.Solar cell ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the proportion of structural material in the form of nanoparticles ( 2 ) in the backside metallization layer ( 12 ) Does not exceed 30% by weight.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20100003781A1 (en) * 2008-02-28 2010-01-07 Van Duren Jeroen K J Roll-to-roll non-vacuum deposition of transparent conductive electrodes

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