DE102012221334A1 - Lötpaste und deren Verwendung zur Front- oder Rückseitenkontaktierung von siliziumbasierten Solarzellen - Google Patents
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Abstract
Lötpaste umfassend wenigstens ein Metallpulver und wenigstens ein Glaspulver ausgewählt aus der Gruppe der sulfathaltigen Glaspulver, wobei das Glaspulver einen Anteil ausgedrückt als SO3 von 1 bis 25 Gew.-% aufweist, sowie Verwendung der Lötpaste zur Front- oder Rückseitenkontaktierung von siliziumbasierten Solarzellen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Lötpaste und deren Verwendung zur Front- oder Rückseitenkontaktierung von siliziumbasierten Solarzellen.
- Die Verwendung von Lötpasten, insbesondere von Silberlötpasten für die Frontseitenmetallisierung von siliziumbasierten, insbesondere von poly- und monokristallinen Siliziumsolarzellen ist in etablierten Prozessschritten integriert. Mit Hilfe dieser Pasten lassen sich sehr hohe Wirkungsgrade der Solarzellen erreichen. Die Lötpasten bestehen typischerweise aus einem Silberpulveranteil, einem Glaspulveranteil und einem organischen Anteil (insbesondere Lösungsmittel und Binder), gegebenenfalls sind noch weitere Zusätze hinzugefügt (z.B. Metalloxide). So beschreiben die Schriften
US 2006/0231804 A1 US 2006/0231800 A1 US 2007/0138659 A1 WO 2010/011429 A1 WO 2010/011430 A1 US 2006/0102228 A1 EP 1 713 094 B1 ,US 2006/0289055 A1 US 5,468,695 ), oder Glaspulver auf Zinkborat-Basis (DE 28 33 214 C2 ,US 5,376,596 ) beziehungsweise auf Zinkphosphat-Basis (WO 2010/148382 A1 US 2011/0095240 A1 US 2009/0199897 A1 - Die bislang bekannten Lötpasten haben verschiedene Vor- und Nachteile. Bleihaltige Lötpasten sind potentiell toxisch, zeigen aber eine sehr gute Eignung zur Kontaktierung von Solarzellen ohne deren Wirkungsgrad zu verschlechtern. Bleifreie Lötpasten haben sich bisher kaum im Markt durchsetzen können, insbesondere aufgrund der schlechteren Solarzellenwirkungsgrade, aufgrund schlechterer Langzeitstabilität und aufgrund der teilweise benötigten relativ teuren bzw. seltenen Rohstoffe (wie Te, Bi, V).
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine toxikologisch unbedenkliche Lötpaste zu finden. Die Lötpaste soll insbesondere zur Kontaktierung von Solarzellen geeignet sein. Insbesondere sollen bleihaltige Glaspulverkomponenten durch geeignete Glaspulver ersetzt werden, die toxikologisch unbedenklich sind, aber dennoch vergleichbare Wirkungsgrade bei Solarzellen erreichen lassen, wie bei der Verwendung von bleihaltigen Lötpasten. Neben wirtschaftlich akzeptablen Kosten soll auch die langfristige Verfügbarkeit der Rohstoffe sicher gestellt sein.
- Gelöst wird die Aufgabe gemäß Anspruch 1 durch eine Lötpaste, die wenigstens ein Metallpulver und wenigstens ein Glaspulver ausgewählt aus der Gruppe der sulfathaltigen Glaspulver umfasst, wobei das Glaspulver einen Anteil ausgedrückt als SO3 von 1 bis 25 Gew.-% aufweist.
- Vorzugsweise enthält die Lötpaste maximal 0,1 Gew.-% Pb. Besonders bevorzugt enthält die Lötpaste bis auf unvermeidliche Spuren kein Pb.
- Das Metallpulver ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe Ag, Al, Au, Pt, Pd, Ni, Cu oder Mischungen davon. Aber auch Pulver aus Metalllegierungen oder aus metallbeschichteten Pulverteilchen, z.B. silberbeschichtete Aluminiumpulver, eignen sich als Bestandteil der erfindungsgemäßen Lötpaste.
- Bevorzugt enthält das sulfathaltige Glaspulver neben SO3 auch Phosphoroxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Erdalkalimetalloxid (kurz RO), insbesondere Calciumoxid, und Alkalimetalloxid (kurz R2O), insbesondere Natriumoxid. Die Rohstoffe für diese Glaspulver sind kostengünstig und in großen Mengen verfügbar. Entsprechende Glaspulver lassen sich ebenfalls kostengünstig herstellen.
- Besonders bevorzugt weist das sulfathaltige Glaspulver folgenden Zusammensetzungsbereich in Gew.-% auf:
SO3 7–20,
P2O5 15–35,
ZnO 3–55,
Al2O3 0–10,
RO 0–25,
R2O 5–30,
wobei RO wenigstens ein Erdalkalimetalloxid und R2O wenigstens ein Alkalimetalloxid ist. - Als besonders vorteilhaft haben sich Lötpasten mit sulfathaltigen Glaspulvern gezeigt, die neben SO3 auch P2O5 und ZnO als Bestandteil des Glaspulvers enthalten. Solche geeigneten Glaspulver sind beispielsweise aus der Schrift
US 5,328,874 bekannt. - Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das sulfathaltige Glaspulver eine Transformationstemperatur des Glases von kleiner 450 °C, insbesondere von kleiner 365 °C aufweist.
- Weiterhin kann das sulfathaltige Glaspulver zusätzlich eine oder mehrere der folgenden Komponenten enthalten: Ag2O, NiO, Sb2O3, TiO2, MoO3, V2O5, B2O3, WO3, CeO2, MnO2, CuO, CoO, Cr2O3.
- Je nach Einsatz der Lötpaste kann diese wenigstens einen anorganischen oder organischen Zusatz in veränderlichen Anteilen, insbesondere ein Lösemittel oder ein Bindemittel, enthalten. Insbesondere ist es so möglich, eine siebdruckfähige Lötpaste herzustellen, die mittels Temperaturbehandlung zur elektrischen Kontaktierung geeignet ist.
- Die erfindungsgemäße Lötpaste findet bevorzugt Verwendung zur elektrischen Front- oder Rückseitenkontaktierung von siliziumbasierten Solarzellen.
- Grundsätzlich geht man davon aus, dass die erfindungsgemäßen Lötpasten zur elektrischen Kontaktierung von mit einer Antireflexschicht versehenen Solarzelle wie folgt vonstatten geht:
- 1. Der sulfathaltige Glaspulveranteil der Lötpaste wird beim Erwärmen flüssig, es bildet sich eine flüssige Glasphase;
- 2. die flüssige Glasphase durchätzt die Antireflexschicht;
- 3. die flüssige Glasphase ätzt die photoaktive Halbleiterschicht an;
- 4. das Metall wird ausgeschieden bzw. rekristallisiert und kontaktiert so die Halbleiterschicht.
- Die resultierende Lötung weist nicht nur eine sehr gute elektrische Kontaktierung, d.h. einen geringen Kontaktwiderstand auf, sie haftet auch sehr gut auf dem zu kontaktierenden Gegenstand, z.B. einer Solarzelle.
- Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass Lötpasten, die sulfathaltige Glaspulver mit einem Anteil ausgedrückt als SO3 von 1 bis 25 Gew.-% enthalten, ähnliche vorteilhafte Kontaktierungseigenschaften aufweisen, wie sie bislang nur von Lötpasten, die bleihaltige Glaspulver aufweisen, bekannt waren.
- So weisen sulfathaltige Glaspulver eine niedrige Glastransformationstemperatur (Tg) auf und vermögen im Sinterprozess eine Antireflexschicht (zumeist eine siliziumnitridbasierte Schicht) einer Solarzelle aufzubrechen, wodurch ein guter elektrischer Kontakt zum darunterliegenden photoaktiven Halbleiter, z.B. dotiertes Silizium, selbst ausgebildet werden kann.
- Ausführungsbeispiele:
- Erfindungsgemäße Beispiel-Lötpasten umfassend 70 bis 90 Gew.-% Silberpulver, 2 bis 6 Gew.-% eines sulfathaltigen Glaspulvers folgender Zusammensetzungen (in Gew.-%)
Beispiel-Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 P2O5 33,45 33,45 33,45 33,45 33,45 33,45 33,45 33,45 SO3 15,08 15,08 15,08 15,08 15,08 15,08 15,08 15,08 Al2O3 - 2,31 - - - - - - SiO2 - - - - 2,23 - - - B2O3 - - - - - 3,94 - 3,94 Li2O - - - - - - 2,00 2,00 Na2O 14,6 12,30 14,6 12,6 14,60 11,10 12,60 9,10 CaO 3,3 3,30 3,3 3,3 3,30 3,30 3,30 3,30 ZnO 33,56 33,56 32,56 32,56 32,32 33,56 33,56 33,56 CuO - - - 2,00 - - - - Aussehen Glasig transluzent Glasig transluzent Klar blau Glasig transluzent klar dicht weiß Glasig trans luzent Eigen schaften Starker Tyndal-Effekt Starker Tyndall-Effekt Starker Tyndall- Effekt Starker Tyndall-Effekt stark blasig - - - Wärmeaus dehnung (x10–6/K) 15,9 15,95 17,95 16,08 17,61 13,55 - - Tg (°C) 343 350 351 341 352 364 - - Dichte (g/cm3) 3,1698 3,1427 3,1565 3,2118 3,0327 3,1143 - - - Die Glaspulver wurden mittels schmelzen üblicher Glasrohstoffe hergestellt und zu dem gewünschten Pulver gemahlen.
- Die sulfathaltigen Glaspulver weisen eine niedrige Glastransformationstemperatur von um die 350°C auf und liegen damit im gleichen Bereich der bekannten Bleigläser (
US 2006/0102228 A1 WO 2009/146398 A1 - Die sulfathaltigen Glaspulver haben außerdem die Eigenschaft, in einem schnellen thermischen Prozess, der an die üblichen Sinterbedingungen für die Herstellung von Solarzellen angepasst ist (Maximaltemperatur: ca. 800°C) eine siliziumnitridbasierte Antifreflexschicht auf einer Siliziumsolarzelle zu durchätzen und die darunterliegende Siliziumsolarzelle zu kontaktieren. Diese Eigenschaft der Ätzwirkung wurde zusätzlich dadurch untermauert, dass in einer Mischung des Glaspulvers mit einem Si3N4-Pulver ab ca. 750°C ein deutlicher Gewichtsverlust erkennbar ist. Der Gewichtsverlust wurde thermogravimetrisch im Temperaturbereich von 20 bis 1000 °C bestimmt.
- Weiterhin hat sich gezeigt, dass die Lötpasten eine gute Benetzbarkeit der siliziumnitridbasierten Antireflexschicht während der üblichen Temperprozesse der Solarzellenherstellung aufweisen.
- Die Ähnlichkeit der erfindungsgemäßen Lötpasten umfassend sulfathaltige Glaspulver zu den bekannten Lötpasten umfassend bleihaltige Glaspulver wird dadurch unterstrichen, dass für eine wesentliche Teilreaktion des Prozesses (die Reduktion des Bleioxids zum metallischen Blei) in sulfathaltigen Glaspulvern die Reduktion von S6+ (in S4+, S0 und S2–) mit einer ähnlichen freien Energie verknüpft ist.
- Daher ist von einem ähnlichen Redox-Verhalten der sulfathaltigen Glaspulver wie der bleihaltigen Glaspulver auszugehen.
- Weiterhin hat sich gezeigt dass,
- – Na2O durch andere Alkalimetalloxide (oder Mischungen davon) ersetzbar ist (Li2O, K2O, Rb2O, Cs2O);
- – CaO durch andere Erdalkalimetalloxide (oder Mischungen davon) ersetzbar ist (MgO, SrO, BaO);
- – Zusätze weiterer Oxide wie Ag2O, NiO, Sb2O3, TiO2, MoO3, V2O5, B2O3, WO3, CeO2, MnO2, CuO, CoO, Cr2O3 möglich sind.
- Diese Ersetzungen und Zumischungen lassen die Eigenschaften der Lötpaste und insbesondere des sulfathaltigen Glaspulvers bezüglich Transformationstemperatur Tg, Benetzbarkeit, Ätzwirkung und Kontaktbildung innerhalb der metallpulverhaltigen Lötpasten günstig beeinflussen. Mit Variation dieser Bestandteile ist auch eine Anpassung der Pasten auf spezielle Dotierprofile der Solarzelle bzw. spezielle Sinterbedingungen möglich.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (8)
- Lötpaste umfassend wenigstens ein Metallpulver und wenigstens ein Glaspulver ausgewählt aus der Gruppe der sulfathaltigen Glaspulver, wobei das Glaspulver einen Anteil ausgedrückt als SO3 von 1 bis 25 Gew.-% aufweist.
- Lötpaste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötpaste maximal 0,1 Gew.-% Pb, vorzugsweise bis auf unvermeidliche Spuren kein Pb enthält.
- Lötpaste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver ausgewählt ist aus der Gruppe Ag, Al, Au, Pt, Pd, Ni, Cu oder Mischungen davon.
- Lötpaste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sulfathaltige Glaspulver Phosphoroxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Erdalkalimetalloxid und Alkalimetalloxid enthält.
- Lötpaste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sulfathaltige Glaspulver folgenden Zusammensetzungsbereich in Gew.-% aufweist: SO3 7–20, P2O5 15–35, ZnO 30–55, Al2O3 0–10, RO 0–25, R2O 5–30, wobei RO wenigstens ein Erdalkalimetalloxid und R2O wenigstens ein Alkalimetalloxid ist.
- Lötpaste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sulfathaltige Glaspulver zusätzlich eine oder mehrere der folgenden Komponenten enthält: Ag2O, NiO, Sb2O3, TiO2, MoO3, V2O5, B2O3, WO3, CeO2, MnO2, CuO, CoO, Cr2O3.
- Lötpaste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötpaste wenigstens einen anorganischen oder organischen Zusatz, insbesondere ein Lösemittel oder ein Bindemittel, enthält.
- Verwendung der Lötpaste nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Front- oder Rückseitenkontaktierung von siliziumbasierten Solarzellen.
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