DE102012210615A1

DE102012210615A1 - Leitpaste und Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle

Info

Publication number: DE102012210615A1
Application number: DE201210210615
Authority: DE
Inventors: Michael Guenther
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leitpaste (3') zur Bildung von metallischen Leitschichten in/auf Halbleitereinrichtungen, insbesondere Solarzellen, oder anderen elektrischen oder elektronischen Einheiten die im Wesentlichen frei von Metallpartikeln ist und als Metallprecursor eine silberorganische Verbindung und/oder Silberoxid enthält. Sie betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere einer Heteroübergangs-Solarzelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leitpaste zur Bildung von metallischen Leitschichten in/auf Halbleitereinrichtungen, insbesondere Solarzellen. Sie betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere einer Heteroübergangs-Solarzelle.
Stand der Technik
Zur Herstellung von metallischen Leitschichten, insbesondere Elektroden- und Verdrahtungsschichten in oder auf Halbleitereinrichtungen oder elektronischen Schaltungen sind verschiedenartige Verfahren entwickelt worden und im praktischen Einsatz. Abhängig von den Anforderungen des konkreten Herstellungsortes und der Funktion der jeweiligen Leitschicht, kommen, unter anderem Vakuum-Abscheidungsverfahren oder neuerdings auch vakuumfreie plasmagestützte Abscheidungsverfahren, galvanische Verfahren oder Druckverfahren zum Einsatz. Jedes dieser Verfahren hat bestimmte Nachteile, sei es im Hinblick auf den apparativen oder Prozessführungs-Aufwand, auf Beeinträchtigungen der Umwelt, auf eine nicht allen Anforderungen genügende Ausbeute oder andere Probleme.
Für eine Reihe großtechnischer Anwendungen, darunter die Solarzellenproduktion, hat sich daher der Einsatz von Leitpasten etabliert, die in einem vorbestimmten Leitschichtmuster mit hochproduktiven Druckverfahren in einem pastösen Ausgangszustand erzeugt und anschließend durch einen Wärmebehandlungsprozess in hinreichend leitfähige Schichten umgewandelt werden.
Werden die Elektroden einer Solarzelle mittels Siebdruck einer herkömmlichen Leitpaste aufgebracht, müssen die metallischen Partikel versintert werden, um die Elektrode auszubilden. Dazu ist eine erhöhte Temperatur notwendig, die den Kunststoff schädigen oder verändern kann. Ebenso ist der Kontakt der Kunststoffe bzw. Elektrodenmaterialien mit Lösungsmittel ungünstig, weshalb eine möglichst kurze Kontaktzeit gewünscht ist.
Eine Alternative ist das Aufbringen von hochreaktiven Silber-Nanopartikeln, die jedoch aufgrund ihrer Reaktivität in einem flüssigen Trägersystem stabilisiert werden müssen. So können nur Lösungen bzw. Suspensionen mit Silberanteilen von ca. 10–50% verwendet werden. Insbesondere hier ist zwar ein Versintern bei einer niedrigeren Temperatur möglich, jedoch ist das Entfernen der großen Lösungsmittelmenge problematisch, insbesondere im Hinblick auf die Kontaktzeit zu den verwendeten quellfähigen Trägerfolien.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird eine Leitpaste mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß kann eine Suspension bzw. Lösung hergestellt werden, die gleichzeitig einen geringeren Lösemittelgehalt enthält, auf Nanopartikel verzichtet und bei niedriger Temperatur versintert bzw., genauer gesagt, eine Silberschicht ausbildet.
Es ergeben sich folgende Vorteile:

– Es ist ohne die Verwendung von Nanopartikeln, eine Absenkung der Sintertemperatur.
– Bei der Herstellung einer Silberschicht durch die Reduktion von Silbercarbonat oder einer anderen silberorganischen Verbindung oder Silberoxid ist bei der hergestellten Suspension ein höherer Füllgrad mit Silber möglich, da es sich nicht um Nano- sondern bevorzugt um Mikropartikel handelt. Durch die geringere spezifische Oberfläche der Mikropartikel ist zur Herstellung einer Lösung bzw. Suspension eine geringere Menge an Lösungsmittel erforderlich, um die gleichen gewünschten Fließeigenschaften zu erhalten.
– Die Verarbeitung von Silbercarbonat o. ä. oder -oxid zu einer Paste kann mit konventionellen Werkzeugen (Dreiwalzenstuhl) erfolgen, die Pasten sind robust gegenüber einem Lösungsmittelverlust. Auch die Lagerung und Reinigung der verwendeten Werkzeuge (Drucker) v. a. nach Stillstandszeiten ist einfacher.
– Der Zerfall einer silberorganischen Verbindung kann auch durch eine Anregung mit Licht erfolgen, eine thermische Behandlung ist nicht zwingend erforderlich.
– Nanopartikel stehen derzeit in kritischer Diskussion bzgl. ihrer Toxizität, mit einer gesetzlichen Reglementierung ist zu rechnen, da Folgewirkungen bisher nur in geringem Umfang untersucht sind. Die Verwendung von Mikropartikeln dagegen ist diesbezüglich zukunftssicher.

Nach Obigem ist in einer Ausführung der Erfindung als silberorganische Verbindung Silbercarbonat enthalten.
In bevorzugten Ausführungen hat die vorgeschlagene Leitpaste einen Gehalt an silberorganischer Verbindung und/oder Silberoxid im Bereich zwischen 50 und 95%, insbesondere zwischen 70 und 92%, noch spezieller zwischen 85 und 90%. Des Weiteren hat die Leitpaste bevorzugt einen Gehalt an einem oder mehreren Lösungsmitteln im Bereich von 5 bis 50%, insbesondere von 8 bis 30%.
Je nach der praktizierten Vorgehensweise zur Bereitstellung der Leitpaste und der angewandten Auftragstechnik kommt für die Leitpaste ein breiter Viskositäts-Bereich grundsätzlich in Betracht, so dass grundsätzlich auch hiervon wesentlich abweichende Lösungsmittelgehalte und -anteile an silberorganischer Verbindung bzw. Silberoxid denkbar sind.
In einer weiteren Ausgestaltung enthält die Leitpaste mindestens ein Reduktionsmittel zur Förderung der Zersetzung des Metallprecursors. Je nach Zusammensetzung der Paste können auch verschiedene Reduktionsmittel in unterschiedlichen Gehalten vorhanden sein, und im Übrigen können diese Zusätze mit an sich bekannten Zusätzen anderer Art, wie etwa Benetzungshilfsmitteln und/oder Sinterhilfsmitteln, kombiniert sein.
Eine aus derzeitiger Sicht wirtschaftlich herausragend wichtige Anwendung der vorgeschlagenen Leitpaste liegt in der Herstellung von Solarzellen, mithin in einem Verfahren gemäß Anspruch 6. Ähnliche Verfahren unter Einsatz der vorgeschlagenen Leitpaste, außerhalb der Produktion von Solarzellen, liegen jedoch ebenfalls im Bereich der Erfindung, so etwa Verfahren zur Herstellung organischer Brennstoffzellen oder von elektrochemischen Elementen, speziell Primärelementen oder Akkus (jeweils speziell von deren Kontaktelektroden).
Des Weiteren ist die Ausführung der Erfindung auch im Bereich der Kontaktierung elektronischer Bauelemente und Schaltkreise, speziell auch im Bereich der Nachrichten- und Leistungselektronik, und noch spezieller bei Hybrid- und Dickschichtschaltungen möglich. Auch für die Herstellung temperaturempfindlicher Produkte im Bereich der Medizin- und Bioelektronik (speziell wiederum von deren Elektrodenstrukturen) ist die vorgeschlagene Leitpaste grundsätzlich anwendbar. Analog zum erwähnten Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle können diese Verfahren sich jeweils dadurch auszeichnen, dass eine Elektrodenschicht durch flüssigen oder pastösen Auftrag der vorgeschlagenen Leitpaste und durch thermische und/oder auf den Gehalt an der silberorganischen Verbindung bzw. des Silberoxids abgestimmte Strahlungs-Behandlung unter Einsatz von UV- und sichtbarer oder IR-Strahlung erzeugt wird.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird bei Einsatz einer Silbercarbonat enthaltenden Leitpaste eine kombinierte Strahlungsbehandlung mit UV-Strahlung und sichtbarem Licht ausgeführt. Andererseits wird bei einer Silberoxid enthaltenden Leitpaste eine Strahlungsbehandlung unter Einsatz von IR-Strahlung ausgeführt.
Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn die thermische und/oder Strahlungs-Behandlung im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre ausgeführt wird.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Die 1A bis 1D zeigen schematisch Schritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz einer erfindungsgemäßen Leitpaste.
Ausführungsformen der Erfindung
1A zeigt ein Kunststoff-Trägersubstrat 1 für einen Solarzellenaufbau, auf das gemäß 1B in einem Inkjet-Verfahren mittels einer Auftragsdüse N eine mit relativ niedriger Viskosität eingestellte Leitpaste 3' aufgetragen wird. Die Leitpaste 3' enthält als Metallprecursor (Vorläufersubstanz zur Freisetzung von reinem Metall in einem nachfolgenden Prozessschritt) Silbercarbonat als Mikroteilchen. 1C verdeutlicht, dass durch Einwirkung kombinierter UV- und sichtbarer Strahlung UV/VIS die Leitpastenschicht in eine metallische Sinterschicht 3 umgewandelt wird. 1D schließlich zeigt schematisch den Gesamtaufbau einer Solarzellenstruktur, bei dem zum Kunststoffträger 1 und der Leitschicht 3 eine Absorberschicht 5 und eine transparente Leitschicht 7 auf deren Oberfläche hinzugekommen sind.
Die oben gegebene Kurzdarstellung ist lediglich beispielhaft, und das skizzierte Verfahren kann in vielerlei Hinsicht modifiziert sein. So kann insbesondere der Auftrag der Leitpaste auch durch Aufwalzen oder Aufrakeln, Aufschleudern, Dispensen oder in strukturierter Form insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens erfolgen, als Metallprecursor kann auch eine andere silberorganische Verbindung oder Silberoxid vorgesehen sein, und die Umwandlung in eine Leitschicht kann insbesondere auch auf thermischem Weg oder (im Fall von Silberoxid) durch IR-Bestrahlung erfolgen und speziell in einer die Umwandlung des Metallprecursors in Metall fördernde Prozessumgebung (etwa einem niederen Vakuum oder einer Inertgasumgebung) erfolgen.
Zur Herstellung einer Paste bzw. dispens- oder druckfähigen Suspension wird Silbercarbonat (oder die andere silberorganische Verbindung) oder Silberoxid, welches primär als Pulver vorliegt, in ein Lösungsmittel mit gewünschten Abdampf- und Viskositätseigenschaften eingearbeitet. Hierzu kann im einfachsten Fall Silbercarbonat in Terpineol mit einem Dreiwalzenstuhl eingebracht werden.
Nach dem Auftragen der Leitpaste oder -suspension kann unmittelbar das Abdampfen des Lösungsmittels beginnen. Da der Abdampfprozess sehr schnell erfolgen sollte, um die Kontaktzeit mit den Polymerschichten zu verkleinern, kann hier mit erhöhter Temperatur unterstützt werden. Da ein komplettes Ausheizen der Solarzelle (speziell bei einer organischen Photovoltaikzelle) nur in engen Grenzen möglich ist, besteht die Möglichkeit, ein selektives Erhitzen und Abdampfen durchzuführen.
Die vorgeschlagenen Bestandteile der Leitpaste zerfallen (abhängig von Korngröße, Reinheit, Herstellungsmethode) in Silber und Kohlenstoffdioxid bzw. Sauerstoff. Entstehender Sauerstoff kann ggf. mit einem in der Suspension enthaltenen Reduktionsmittel abreagieren, sofern eine Inertgasatmosphäre aufgrund weiterer enthaltener Materialien notwendig ist. Ein Vorteil bei der Anwendung des (Laser)-Flash-Sinterns in Kombination ist, dass bei Silbercarbonat eine Sensibilität gegenüber Licht besteht, d. h. es ist nicht notwendig, über eine thermische Konditionierung den Zerfall des Silbercarbonates bei 120–200°C zu erzwingen, um eine Silberschicht auszubilden. Es genügt eine Anregung mit einer entsprechenden Lichtleistung.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens.

Claims

Leitpaste (3') zur Bildung von metallischen Leitschichten (3) in/auf Halbleitereinrichtungen (5), insbesondere Solarzellen, oder anderen elektrischen oder elektronischen Einheiten die im Wesentlichen frei von Metallpartikeln ist und als Metallprecursor eine silberorganische Verbindung und/oder Silberoxid enthält.
Leitpaste nach Anspruch 1, wobei als silberorganische Verbindung Silbercarbonat enthalten ist.
Leitpaste nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Gehalt an silberorganischer Verbindung und/oder Silberoxid im Bereich zwischen 50 und 95%, insbesondere zwischen 70 und 92%, noch spezieller zwischen 85 und 90%.
Leitpaste nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Gehalt an einem oder mehreren Lösungsmitteln im Bereich von 5 bis 50%, insbesondere von 8 bis 30%.
Leitpaste nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter enthaltend mindestens ein Reduktionsmittel zur Förderung der Zersetzung des Metallprecursors.
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (1–7), insbesondere einer Heteroübergangs-Solarzelle, wobei eine Elektrodenschicht (3) der Solarzelle aus einer Leitpaste (3') nach einem der vorangehenden Ansprüche durch thermische und/oder auf den Gehalt an der silberorganischen Verbindung bzw. des Silberoxids abgestimmte Strahlungs-Behandlung unter Einsatz von UV- und sichtbarer oder IR-Strahlung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei bei Einsatz einer Silbercarbonat enthaltenden Leitpaste (3') eine kombinierte Strahlungsbehandlung mit UV-Strahlung und sichtbarem Licht ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei bei einer Silberoxid enthaltenden Leitpaste (3') eine Strahlungsbehandlung unter Einsatz von IR-Strahlung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem Anspruch 6 bis 8, wobei die thermische und/oder Strahlungs-Behandlung im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre ausgeführt wird.