DE102010054327A1

DE102010054327A1 - Verfahren zur Herstellung einer pastenauftragsselektiven Siebdrucksolarzellenmetallisierung

Info

Publication number: DE102010054327A1
Application number: DE201010054327
Authority: DE
Inventors: Julian Mattheis
Original assignee: SOLSOL GmbH
Current assignee: SOLSOL GmbH
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Frontseitensiebdruckmetallisierung von Solarzellen beschrieben, das es erlaubt, die Schichtdicke der aufgeienen unabhängig von der Schichdicke im sonstigen Zellbereich zu reduzieren, um teure Metallpaste zu sparen. Dafür wird das für den Siebdruck verwendete Sieb mit einer Matrix aus Emulsionspunkten versehen, die durch das Verlaufen der Paste während des Druck- und Sinterprozesses dazu führt, dass sich eine geschlossene Pastenschicht bildet, deren Schichtdicke durch geeinete Wahl der Punktdichte, -größe und -form eingestellt werden kann.

Description

Stand der Technik
Das industriell angewandte Verfahren zur Herstellung von Vorderseiten-Kontaktgittern zur Ableitung des lichtgenerierten Stromes von Solarzellen wird mit Hilfe des Siebdrucks von metallhaltigen Pasten realisiert. Für die industriell meist verbreitete 156 mm × 156 mm vorderseitenkontaktierte Siebdrucksolarzelle auf Basis von kristallinen Siliziumwafern wird der Emitter auf der dem Licht zugewandten Seite mit einem Kontaktgitter versehen, welches aus 50 bis 80 einzelnen Metallfingern und 2 bis 3 Stromsammelschienen (Busbars) besteht. zeigt exemplarisch ein typisches Layout einer solchen Vorderseitenmetallisierung. Der ideale Fingerquerschnitt weist hierbei ein hohes Aspektverhältnis von Fingerhöhe zu Fingerbreite auf, um bei geringstmöglicher Lichtabschattung größtmögliche elektrische Leitfähigkeit bereitzustellen. Die Auslegung des Siebegewebes zum Siebdruck dieses Metallgitters erfolgt daher so, dass die angestrebte ideale Form der Finger bestmöglich erreicht werden kann.
Als Konsequenz aus dieser auf die Finger abzielenden Optimierung des Siebes sind die Siebgewebe für den Druck der Busbars nicht optimal ausgelegt. Die Auslegung der Siebe zur Maximierung der Fingerhöhen führt im Gegenteil zu unnötig hohen Pastenaufträgen im Bereich der Busbars. Da die Kosten der zur Vorderseitenmetallisierung verwendeten Silberpasten mehr als 20% der Produktionskosten einer Solarzelle betragen und die Busbarbereiche ca. die Hälfte der Metallisierung ausmachen, sind die Kosteneinsparpotentiale durch Erreichen eines minimal nötigen Pastenauftrages im Bereich der Busbars daher enorm.
Der derzeitige Stand der Technik bietet für das beschriebene Problem folgende Läsungsansätze. Die gängigste Lösung ist die der direkten Anpassung der Busbargeometrie um Pastenersparnisse zu realisieren. Dies ist jedoch auf ein Minimum limitiert durch die Verarbeitung der Zellen während der Modulproduktion. Die zweite weitaus weniger populäre Lösung ist die Einführung eines zusätzlichen Siebdruckschrittes. Hierbei können die Finger separat vom Busbar gedruckt werden und die Auslegung des Siebgewebes für den Busbar und den Fingerdruck separat gewält werden, so dass der Pastenauftrag für den Busbardruck so gering wie nötig ausfällt.
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer pastenauftragsselektiven Siebdrucksolarzellenmetallisierung zur Minimierung des Frontpastenauftrages in Busbarbereichen ohne zusätzlichen Siebdruckschritt.
Das vorliegende Verfahren ermöglicht den Pastenauftrag der Busbars zu reduzieren ohne die Kontur selbst zu verändern. Dies ist einer Veränderung der Busbarkontur vorzuziehen, da die Anforderungen zur Verarbeitung der fertigen Solarzelle im Modulherstellungsprozess hinsichtlich Positioniergenauigkeit und Lötbarkeit dadurch steigen würden. Zudem kann das Verfahren durch einfache Modifizierungen der Ausfürungsform verschiedenen Anforderungen an der Beschaffenheit der Busbars zur Verarbeitung der fertigen Solarzelle im Modulherstellungsprozess gerecht werden. Mit dem Verfahren lassen sich die Pastenaufträge für Finger und Busbars in einem gemeinsamen Siebdruckschritt unabhängig voneinander optimieren.
Das Verfahren besticht dadurch, dass es im Gegensatz zum derzeitigen Stand der Technik die Auslegung des Siebgewebes hinsichtlich des Zieles zur Realisierung bestmöglicher Fingerquerschnitte beibehalten wird und gleichzeitig ohne Veränderung der Busbargeometrie und ohne zusätzlichen Siebdruckschritt der Pastenauftrag für die Busbarbereiche auf ein Minimum reduziert werden kann.
Zur detaillierten Beschreibung des Verfahrens ist es nötig auf den Aufbau eines Siebes näher einzugehen. Ein Sieb besteht aus einem feinmaschigen Gewebe welches unter einem bestimmten Bespannungswinkel, Winkel bezogen auf den Rahmen, verwoben ist. Bei dem Gewebe kann es sich beispielsweise um ein Edelstahl- oder Polymer-Gewebe handeln. Das Gewebe wird unter verschiedenen Spannungen mit dem Rahmen verspannt und mit einer Emulsionsschicht, beschrieben in der Emulsionsdicke (Emulision over mesh – EOM) versehen. Durch die gezielte Strukturierung dieser Emulsionsschicht sind die Strukturen die zur Herstellung von Siebdruckkontakten für Solarzellen verwendet werden abbildbar. Die Auslegung der Strukturen, das Layout, bildet hierbei den Kern des vorliegenden Verfahrens.
Um den Pastenauftrag im Bereich der Busbars unabhängig vom Pastenauftrag im Bereich der Finger kontrollieren (reduzieren) zu können, wird der Busbarbereich mit einem Raster aus Emulsionsflächen (Emulsionsflächenmatrix) versehen. Die Größe dieser Emulsionsflächen wird dabei so gewählt, dass sich durch das Verlaufen der Druckpaste während des Druckvorgangs und während des anschließenden Sintervorgangs eine geschlossene Pastenschicht ohne Löcher ergibt. Typischerweise liegt die Ausdehnung der Emulsionsflächen in einer Raumrichtung, z. B. der Druckrichtung, unterhalb von 50–100 μm. Durch den Grad der Flächenbedeckung dieser Matrix lässt sich die Schichtdicke im Busbarbereich einstellen.
Ein Vorteil des Verfahrens ist die sich einstellende annähernd homogene Schichtdickenverteilung. Im Gegensatz zu unterbrochenen Busbars wird der Lötprozess nicht beeinflusst.
Nachfolgend werden beispielhaft Ausführungsformen solcher Strukturen mit Bezug auf die begleitenden Abbildungen beschrieben. Die in den Abbildungen dargestellten Elemente sind nicht maßstabsgetreu dargestellt. Sie dienen der Erläuterung wesentlicher Aspekte der Ausführungsformen. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, sofern eine solche Kombination nicht explizit oder aus technischen Gründen ausgeschlossen ist.
1 bis 2 zeigen schematische Ausschnitte von Ausführungsformen zur Realisierung eines Emulsions-Layouts eines Siebdruckkontaktgitters für eine Solarzelle. Die Ausschnitte zeigen im Detail die Bereiche der strukturierten Emulsion durch die die Busbar realisiert werden.
3 bis 4 zeigen schematische Querschnittsansichten des Busbars während der Herstellung einer Pastenauftragselektiven Siebdrucksolarzellenmetallisierung.
5 zeigt ein typisches Layout einer Frontseitenmetallisierung für kristalline Siliziumsolarzellen mit 2 Busbars und 66 Fingern.
In den nachfolgend beschriebenen schematischen Ansichten werden lediglich Elemente und Prozessschritte dargestellt, die dem Verständnis der Ausführungsformen dienen. Zur Herstellung einer Solarzelle sind weitere Prozessschritte notwendig, die in fachüblicher Weise den dargestellten Prozessschritten vor- und nachgelagert sein können bzw. auch zwischen diesen Prozessschritten erfolgen können. Darüber hinaus können auch in den nachfolgend mit Hilfe schematischer Ansichten erläuterten Prozessschritten nicht dargestellte weitere Elemente erzeugt oder bearbeitet werden.
1 und 2 zeigen eine schematische Aufsicht eines Teils eines Siebdruckemulsionslayouts. Die Schraffierten Bereiche repräsentieren die Emulsion. Die nicht schraffierten Bereiche diejenigen, an denen das Siebgewebe frei liegt. Die Kontur 100 des Busbar sei hier beispielhaft gewählt. Die Kontur 101 der Finger ist ebenfalls beispielhaft. Die Konturen 103 innerhalb der Busbar Kontur 100 repräsentieren kleinste Flächenbereiche, an denen die Emulsion nach wie vor vorhanden ist. Die Form und die Größe dieser Konturen ist stark von der Herstellungsart der Emulsion und deren Strukturierungsverfahren abhängig. Die Reduktion und sogar die räumliche Verteilung des Pastenauftrages ist durch die Anzahl und Verteilung der Konturen 103 innerhalb der Busbarkontur 100 justierbar.
Die Pastenauftragsersparnis im Bereich der Busbarkontur 100 hängt hierbei also stark von der Art der gewählten Emulsion, der Dicke der Emulsion und der der Anzahl, Größe und Verteilung der Konturen 103 und der verwendeten Paste ab.
3 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Halbleiterkörpers 200. Die Querschnittkontur 201 des Busbar unmittelbar nach dem Siebdruckvorgang weist trichterförmige Bereiche 202 auf, in denen nur wenig Paste vorhanden ist. Diese Bereiche Stimmen mit den Positionen der Emulsionskonturen 103 aus den 1 und 2 überein und führen zu einem verringerten Pastenauftrag.
4 zeigt die selbe Querschnittsansicht nach erfolgtem Druck- und Sinterprozess. Durch das Verlaufen der Paste während dieser Prozesse erfolgt eine Homogenisierung der trichterförmigen Konturen 202. Es ergibt sich eine quasihomogene Schichtdicke, die geringer ist als die Schichtdicke, die ohne Emulsionsraster erzielt wird.
Das Vorliegende Verfahren ermöglicht den Pastenauftrag der Busbars zu reduzieren ohne die Kontur selbst zu verändern. Dies ist einer Veränderung der Busbarkontur vorzuziehen, da die Anforderungen zur Verarbeitung der fertigen Solarzelle im Modulherstellungsprozess hinsichtlich Positioniergenauigkeiten während des Lötvorganges dadurch nicht steigen. Durch die Anpassung der Verteilung der Konturen 103 in der Busbarkontur 100 ist es zudem möglich kritischen Anforderungen der Oberflächenbeschaffenheit des Busbars zur Verarbeitung der fertigen Solarzelle im Modulherstellungsprozess hinsichtlich Abreißkräften nach dem Lötvorgang gerecht zu werden.
Die Konturen 103 können quadratisch, rechteckig, elliptisch, rund oder auch ringförmig ausgelegt werden, um optimale Schichthomogenität und Stabilität der Emulsionsflächen zu erreichen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Siebdruck-Frontseitenmetallisierung für Solarzellen, gekennzeichnet dadurch, dass die zum Siebdruck verwendeten Siebe im Bereich der Stromsammelschienen (Busbars) der Solarzelle mit einer Matrix aus Emulsionsflächen (Gesamtheit aller Konturen 103 in ) versehen sind, das dafür sorgt, dass sich im Bereich der Busbars eine geschlossene aufgedruckte Pastenschicht ergibt, deren Schichtdicke unabhängig vom Pastenauftrag in den restlichen Bereichen reduziert wird und durch die Dichte der Emulsionsflächenmatrix eingestellt werden kann. Abschließend Fertigstellung der Solarzelle.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass Größe, Form und Anordnung der Elemente der Emulsionsflächenmatrix nicht einheitlich ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, dass die Ausdehnung der Emulsionsflächen in einer Raumrichtung weniger als 100 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Emulsionsflächen als Ringkonturen ausgeführt sind.