DE102010061317B4

DE102010061317B4 - Siebdruckmaske zur Herstellung einer Elektrodenfingerstruktur für Wafersolarzellen und Verfahren zur Herstellung einer Wafersolarzelle unter Einsatz einer solchen Siebdruckmaske

Info

Publication number: DE102010061317B4
Application number: DE102010061317.7A
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Ploigt; Björn Faulwetter-Quandt
Original assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2030-12-18
Also published as: DE102010061317A1

Abstract

Siebdruckmaske zur Herstellung einer Elektrodenfingerstruktur mit Elektrodenfingern und mit Busbars für eine Wafersolarzelle umfassend einen ersten Busbardruckbereich (3) und einen davon beabstandet angeordneten zweiten Busbardruckbereich (3a) sowie mehrere Elektrodenfingerdruckbereiche (4), welche entlang einer Erstreckungsrichtung (R) vom ersten Busbardruckbereich (3) zum zweiten Busbardruckbereich (3a) verlaufen und diese verbinden, wobei die Breite (B) mindestens eines Elektrodenfingerdruckbereichs (4) entlang des ersten Busbardruckbereichs (3) kleiner ist als die Breite (A) dieses Elektrodenfingerdruckbereichs (4) entlang des zweiten Busbardruckbereichs (3a), dadurch gekennzeichnet, dass sich die Elektrodenfingerdruckbereiche (4) benachbart zum zweiten Busbarbereich (3a) entgegengesetzt zur Erstreckungsrichtung (R) im Abschnitt bis zur Mitte hin zwischen dem zweiten Busbarbereich (3a) und dem ersten Busbarbereich (3) konisch verjüngen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Siebdruckmaske zur Herstellung einer Elektrodenfingerstruktur für Wafersolarzellen und ein Verfahren zur Herstellung einer Wafersolarzelle unter Einsatz einer solchen Siebdruckmaske.
Eine kristalline Solarzelle umfasst eine Schicht aus multi- oder monokristallinem Silizium, in welche mittels Dotierung eine positiv und negativ dotierte Zone erzeugt werden, welche einen flächigen p-n-Übergang bilden. Darüber werden zusätzliche Schichten zur Verminderung von Reflexionen sowie zur Isolation und Verminderung der Ladungsträgerrekombination aufgebracht.
Abschließend wird jeweils auf die Vorderseite und die Rückseite eine Metallisierungsschicht aufgetragen, welche zum Sammeln der durch Sonnenstrahlung erzeugten Ladungsträger und zum Abgreifen der Spannung dient. Während die Rückseitenmetallisierungsschicht zumeist in Form einer ganzflächigen Aluminiumschicht mit einigen Busbars (Sammelkontaktschienen) aus lötfähigen Metallen aufgebracht wird, so ist die Vorderseitenmetallisierungsschicht in Form einer Elektrodenfingerstruktur mit Elektrodenfingern und Busbars ausgebildet. Von einem ersten Busbar zu einem davon beabstandet angeordneten zweiten Busbar erstrecken sich üblicherweise mehrere Elektrodenfinger, welche entlang einer Erstreckungsrichtung vom ersten Busbar zum zweiten Busbar verlaufen. Für die Elektrodenfingerstruktur muss ein Kompromiss zwischen möglichst geringer Abschattung der Oberfläche und einem möglichst geringen elektrischen Serienwiderstand gefunden werden.
Dazu sind auf der Frontseite des Halbleiterwafers Elektrodenfinger in Form paralleler, ca. 100 Mikrometer breiter Metallstreifen mit einem Abstand von ca. 1 bis 2 mm vorgesehen. Um 90° dazu versetzt sind stärker ausgebildete Busbars in Form von Metallstreifen mit ca. 0,5 bis 1 mm Breite vorhanden. Die Anzahl der Busbars schwankt zwischen zwei und fünf, wobei sie jeweils mit gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnet sind.
Üblicherweise werden die Elektrodenfinger an den Berührungspunkten mit den Busbars stärker ausgeführt, um eine sichere elektrische Kontaktierung zu gewährleisten. Mit zunehmender Entfernung von den Busbars verjüngen sich die Elektrodenfinger, bis sie genau zwischen zwei Busbars die geringste Breite aufweisen.
Eine Möglichkeit, die Elektrodenfingerstruktur auf der Frontseite des Halbleiterwafers herzustellen, besteht darin, Elektrodenfinger und Busbars in einem gemeinsamen Schritt mittels eines Siebdruckverfahrens aufzubringen. Dabei wird die Siebdruckmaske in Form eines Drucksiebs über dem Halbleiterwafer mit dem flächigen p-n-Übergang aufgebracht. Anschließend wird an einer Seite damit begonnen, eine metallhaltige Siebdruckpaste durch die vorgesehenen Druckbereiche für die Busbars und die Elektrodenfinger auf den Halbleiterwafer aufzubringen, indem eine Rakel entlang der Erstreckungsrichtung der Elektrodenfinger über die Siebdruckmaske streicht und damit die Siebdruckpaste gleichmäßig durch die Elektrodenfingerdruckbereiche und die Busbardruckbereiche presst und gleichzeitig überschüssige Paste abzieht.
Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass sich vor der Rakel eine größere Menge Metallisierungspaste befindet, welche durch die Rakel beständig vorgeschoben wird. Da sich die Rakel entlang der Erstreckungsrichtung der Elektrodenfinger, und somit quer zu der Erstreckungsrichtung der Busbars bewegt, kommt es beim Überstreichen eines Busbardruckbereichs mit der Rakel zu einem Einpressen der sich im Wesentlichen parallel zum Busbardruckbereich erstreckenden Rakel in den Busbardruckbereich, und damit zu einem verstärkten Auspressen an Siebdruckpaste. Beim Nachfließen der im Bereich der Busbardruckbereiche ausgerakelten Siebdruckpaste in Richtung der sich anschließenden Elektrodenfinger kommt es zu einer übermäßigen Verbreiterung der Elektrodenfinger. Nachteilig sind neben ästhetischen Gesichtspunkten, die höhere Abschattung sowie der erhöhte Verbrauch an Siebdruckpaste.
Eine Elektrodenfingerstruktur mit verbreiterten Übergangsbereichen beidseitig eines Busbars ist aus der DE 102004049160 A1 bekannt.
Für die in der JP 2003338631 A und der JP 2000164902 A beschriebenen Wafersolarzellen ist jeweils eine Siebdruckmaske zur Herstellung einer Elektrodenfingerstruktur mit Elektrodenfingern und mit Busbars zum Einsatz gekommen. Diese Siebdruckmaske umfasst einen ersten Busbardruckbereich und einen davon beabstandet angeordneten zweiten Busbardruckbereich sowie mehrere Elektrodenfingerdruckbereiche, welche entlang einer Erstreckungsrichtung vom ersten Busbardruckbereich zum zweiten Busbardruckbereich verlaufen und diese verbinden, wobei die Breite mindestens eines Elektrodenfingerdruckbereichs entlang des ersten Busbardruckbereichs kleiner ist als die Breite dieses Elektrodenfingerdruckbereichs entlang des zweiten Busbardruckbereichs.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Siebdruckmaske zur Herstellung einer Elektrodenfingerstruktur für eine Wafersolarzelle bereit zu stellen, die die Verteilung des Pastenauftrags im Hinblick auf Verbrauch und Verteilung von Siebdruckpaste optimiert.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich die Elektrodenfingerdruckbereiche benachbart zum zweiten Busbarbereich entgegengesetzt zur Erstreckungsrichtung im Abschnitt bis zur Mitte zwischen dem zweiten Busbarbereich und dem ersten Busbarbereich konisch verjüngen.
Nach dem Überstreichen des Busbardruckbereichs ist an der Rakel noch eine größere Menge Druckpaste vorhanden. Wird diese über den Ansatz der Elektrodenfingerdruckbereiche geführt, so kann diese unter das Sieb gepresst werden, so dass diese ungewollt verbreitert wird. Durch das gezielte Verengen der Elektrodenfingerdruckbereiche hinter den Busbardruckbereichen wird diesem Effekt entgegengewirkt.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Breite jedes Elektrodenfingerdruckbereiches entlang des ersten Busbardruckbereichs jeweils kleiner ist als dessen Breite des Elektrodenfingerdruckbereichs entlang des zweiten Busbardruckbereichs.
Je nach Solarzellendesign kann es vorteilhaft sein, unterschiedliche Breiten der Elektrodenfingerstruktur zu erreichen. Bevorzugt sollen jedoch alle Elektrodenfinger eine identische Geometrie aufweisen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Breite des Elektrodenfingerdruckbereichs entlang des zweiten Busbardruckbereichs zur Breite des Elektrodenfingerdruckbereichs entlang des ersten Busbardruckbereichs 1,2 bis 2,5, bevorzugt 1,2 bis 2,0 und besonders bevorzugt 1,4 bis 1,6 beträgt.
Des Weiteren beschreibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Wafersolarzelle mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines mit einem flächig ausgebildeten p-n-Übergang versehenen Halbleiterwafers,
- Aufbringen einer frontseitigen Elektrodenfingerstruktur mittels einer Siebdruckpaste und unter Einsatz einer Siebdruckmaske gemäß den vorangehenden Ausführungen, wobei die Siebdruckpaste mit einer Rakel entlang der Erstreckungsrichtung der Elektrodenfingerdruckbereiche durch die Siebdruckmaske auf die Frontseite des Halbleiterwafers aufgerakelt wird und
- Feuern der auf die Frontseite des Halbleiterwafers aufgerakelten Elektrodenfingerstruktur.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit der nachfolgenden Figurenbeschreibung bevorzugter Ausführungsformen verdeutlicht.
1 dient zur Erläuterung des Gesamtsystems. Der Gegenstand der Erfindung ist hier nicht sichtbar. Gezeigt ist eine, nicht maßstabsgetreue, Draufsicht auf eine Solarzelle 1, welche mit einer Siebdruckmaske komplett abgedeckt ist sowie die Rakelanordnung 2. Die Rakelanordnung 2 ist dabei in der Erstreckungsrichtung R der Elektrodenfingerbereiche verfahrbar und ist als senkrechter, quer gestreifter Balken im rechten Abschnitt der Solarzelle 1 dargestellt.
Zentral auf der Solarzelle sind zwei Busbardruckbereiche 3 in Form senkrechter, starker schwarzer Balken dargestellt. Quer dazu verlaufen die
Elektrodenfingerdruckbereiche 4, dargestellt in Form von dünneren Linien, welche über die gesamte Solarzellenoberfläche verteilt sind.
2 zeigt, nicht maßstabsgetreu, einen schematischen Ausschnitt aus einer Siebdruckmaske, wie sie derzeit als Stand der Technik verwendet wird.
Dabei sind die beiden Busbardruckbereiche 3, 3a jeweils rechts und links als große Balken mit Schraffur dargestellt. Zwischen den Busbardruckbereichen 3, 3a befinden sich zwei Elektrodenfingerdruckbereiche 4. Dabei ist die Dicke der Elektrodenfingerdruckbereiche 4 jeweils direkt angrenzend an den Busbardruckbereichen 3, 3a am höchsten. Mit größerer Entfernung von den Busbardruckbereichen 3, 3a verjüngen sich die Elektrodenfingerdruckbereiche 4, bis sie letztendlich in der Mitte zwischen den beiden Busbardruckbereichen 3, 3a die geringste Dicke haben.
Oberhalb der Zeichnung ist durch einen Pfeil die Erstreckungsrichtung R der Elektrodenfingerdruckbereiche dargestellt.
3 zeigt, entsprechend zu dem in 2 gezeigten Ausschnitt, einen nicht maßstabsgetreuen Ausschnitt aus einer schematisch dargestellten Siebdruckmaske gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dabei weist die Breite des Elektrodenfingerdruckbereichs 4 im Bereich des links in der Figur angeordneten zweiten Busbardruckbereichs 3a die Breite A auf, was durch den Doppelpfeil im oberen Elektrodenfingerdruckbereich 4 verdeutlicht ist. Von dem zweiten Busbardruckbereich 3a wegführend, entgegen der Erstreckungsrichtung R der Elektrodenfingerdruckbereiche, verjüngen sich die Elektrodenfingerdruckbereiche 4 wiederum, bis sie in der Mitte zwischen dem zweiten Busbardruckbereich 3a und dem ersten Busbardruckbereich 3 den kleinsten Durchmesser aufweisen.
Entgegen der Darstellung aus dem Stand der Technik gemäß 2 werden sie nun jedoch nicht wieder breiter, sondern behalten bis zum ersten Busbardruckbereich 3 ihre konstante Breite B, welche im oberen Elektrodenfingerdruckbereich 4 mittels Doppelpfeil dargestellt ist.
Bezugszeichenliste

1: Solarzelle
2: Rakelanordnung
3: erster Busbardruckbereich
3a: zweiter Busbardruckbereich
4: Elektrodenfingerdruckbereiche
R: Erstreckungsrichtung der Elektrodenfingerdruckbereiche

Claims

Siebdruckmaske zur Herstellung einer Elektrodenfingerstruktur mit Elektrodenfingern und mit Busbars für eine Wafersolarzelle umfassend einen ersten Busbardruckbereich (3) und einen davon beabstandet angeordneten zweiten Busbardruckbereich (3a) sowie mehrere Elektrodenfingerdruckbereiche (4), welche entlang einer Erstreckungsrichtung (R) vom ersten Busbardruckbereich (3) zum zweiten Busbardruckbereich (3a) verlaufen und diese verbinden, wobei die Breite (B) mindestens eines Elektrodenfingerdruckbereichs (4) entlang des ersten Busbardruckbereichs (3) kleiner ist als die Breite (A) dieses Elektrodenfingerdruckbereichs (4) entlang des zweiten Busbardruckbereichs (3a), dadurch gekennzeichnet, dass sich die Elektrodenfingerdruckbereiche (4) benachbart zum zweiten Busbarbereich (3a) entgegengesetzt zur Erstreckungsrichtung (R) im Abschnitt bis zur Mitte hin zwischen dem zweiten Busbarbereich (3a) und dem ersten Busbarbereich (3) konisch verjüngen.
Siebdruckmaske nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) jedes Elektrodenfingerdruckbereichs (4) entlang des ersten Busbardruckbereichs (3) jeweils kleiner ist als die Breite (A) des Elektrodenfingerdruckbereichs (4) entlang des zweiten Busbardruckbereichs (3a).
Siebdruckmaske nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Breite (A) des Elektrodenfingerdruckbereichs (4) entlang des zweiten Busbardruckbereichs (3a) zur Breite (B) des Elektrodenfingerdruckbereichs (4) entlang des ersten Busbardruckbereichs (3) 1,2 bis 2,5, bevorzugt 1,2 bis 2,0 und besonders bevorzugt 1,4 bis 1,6 beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Wafersolarzelle mit folgenden Schritten: - Bereitstellen eines mit einem flächig ausgebildeten p-n-Übergang versehenen Halbleiterwafers, - Aufbringen einer frontseitigen Elektrodenfingerstruktur mittels einer Siebdruckpaste und unter Einsatz einer Siebdruckmaske gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Siebdruckpaste mit einer Rakel entlang der Erstreckungsrichtung (R) der Elektrodenfingerdruckbereiche (4) durch die Siebdruckmaske auf die Frontseite des Halbleiterwafers aufgerakelt wird und - Feuern der auf die Frontseite des Halbleiterwafers aufgerakelten Elektrodenfingerstruktur.