DE102012223556A1

DE102012223556A1 - Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle

Info

Publication number: DE102012223556A1
Application number: DE201210223556
Authority: DE
Inventors: Reik Jesswein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (1), insbesondere vom Heterojunction-Typ, mit metallischen Leitbahnen (17') auf mindestens einer Oberfläche, wobei eine Leitpaste (17) lokal auf für die Leitbahnen vorbestimmte Bereiche der Oberfläche aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere vom Heterojunction-Typ, mit metallischen Leitbahnen auf mindestens einer Oberfläche, wobei eine Leitpaste lokal auf für die Leitbahnen vorbestimmte Bereiche der Oberfläche aufgebracht wird.
Stand der Technik
Auf der Suche nach wirtschaftlich wettbewerbsfähigen Verfahren zur Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen kommt der Weiterentwicklung der verschiedenen Typen von Solarzellen große Bedeutung zu. Dabei geht es sowohl um neue Lösungen zur Erhöhung der Gesamt-Energieausbeute als auch um Verbesserungen der Herstellungstechnologie, die zu Kostensenkungen von Photovoltaikanlagen führen.
Solarzellen besitzen jeweils einen oder mehrere Kontakte an ihren positiven und negativen Elektroden. Diese werden üblicherweise mittels Siebdruck von glasfrittehaltigen Metallpasten und anschließendes Sintern hergestellt. Die Glasfritten dienen dazu, die Antireflex- bzw. Passivierschichten während des Sinterprozesses zu durchätzen und somit einen direkten Kontakt zwischen Metallkontakt und Halbleiter zu ermöglichen.
Im Falle des Hocheffizienzkonzeptes der Heterojunction-Solarzelle (bspw. HIT-Zelle von Sanyo) gestaltet sich die Situation etwas anders. Hier werden aufgrund der Temperaturempfindlichkeit der Zellstruktur Pasten verwendet, die bereits bei moderaten Temperaturen eine ausreichende Leitfähigkeit ausbilden. Diese Pasten sind in der Regel frittenfrei, da sie lediglich das sich an der Zelloberfläche befindliche TCO kontaktieren müssen. Diese Pasten basieren meist auf großkörnigen Silberpartikeln, eingebettet in ein Epoxidharz, welches sich beim Trocknen (bei etwa 200°C) zusammenzieht, dabei die Metallpartikel aneinanderdrückt und somit Leitpfade herstellt. Der spezifische Widerstand solcher Pasten liegt nach dem Trocknen mit etwa 2.6·10^–7 Ohm·m um etwa eine Größenordnung über dem spezifischen Widerstand von Silber (1.588·10^–8 Ohm·m), was entweder zu höheren Leitungsverlusten als bei einem rein metallischen Kontakt bzw. einer metallischen Leitbahn führt.
Durch die schlechte Leitfähigkeit ergibt sich ein erhöhter Serienwiderstandsbeitrag durch die Metallisierung, welcher sich stark auf den Füllfaktor der Solarzelle auswirkt und für erhebliche Effizienzminderung sorgt. Um die Serienwiderstände auf ein erträgliches Niveau zu senken, wird in der Regel sehr viel Silberpaste aufgeduckt. Dadurch steigen die Materialkosten, außerdem nimmt die Leitbahnbreite und damit die Abschattung der Zelloberfläche zu, was zusätzlich zu Einbußen im Kurzschlussstrom führt.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Pasten zur Kontaktherstellung auf Heterojunctionzellen werden aufgrund der Temperaturempfindlichkeit der amorphen Siliziumschichten bei niedrigen Temperaturen von etwa 200°C getrocknet. Dabei sintern die Metallpartikel kaum bzw. gar nicht zusammen. Die Verwendung höherer Temperaturen würde zwar den Sinterprozess verbessern und damit zu einer Absenkung des spezifischen Widerstandes der Paste führen, aber gleichzeitig die amorphen Siliziumschichten (a-Si) des Heterojunction-Aufbaus schädigen. Aufgrund dieser Erkenntnisse und Überlegungen ergibt sich der konzeptionelle Ansatz der Erfinder, einerseits bei der Behandlung der aufgetragenen Leitpaste eine hinreichend hohe Wirktemperatur zu gewährleisten und andererseits eine unzulässige Einwirkung dieser Temperatur auf die unter der Leitpaste bzw. zu dieser benachbart liegenden Schichten der Solarzelle, speziell temperaturempfindliche Schichten einer Heterojunction-Solarzelle, zu unterbinden. Dies wiederum gelingt nach den Erkenntnissen der Erfinder durch eine gezielte und hochenergetische und somit in ihrer Einwirkungsdauer kurz zu haltende Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung, speziell also von Laserstrahlung.
In einer Ausführung der Erfindung wird die aufgebrachte Leitpaste vor der Laserbestrahlung einem Trocknungsschritt, insbesondere bei einer Temperatur von ≤ 200°C, unterzogen. Dies erfordert zwar einen zusätzlichen Prozessschritt, erlaubt es aber, die nachfolgende Laserbestrahlung mit geringerer Energiedichte und für eine noch verkürzte Zeitspanne auszuführen und Lasersysteme geringerer Leistung einzusetzen oder bei einem leistungsstarken System den Zellendurchsatz im Schritt des Laser-Sinterns zu erhöhen.
In einer weiteren Ausführung wird eine frittenfreie Leitpaste mit Metallpartikeln eingesetzt, deren mittlere Größe im Sub-Mikrometer-Bereich, bevorzugt unter 50 nm und weiter bevorzugt unter 10 nm, liegt. Es ist bekannt, dass die Schmelztemperatur von Metallen bei kleinen Partikelgrößen mitunter stark abnimmt. Dieser Effekt wird als „melting point depression” bezeichnet; vgl. Allen et al., „Small Particle Melting of Pure Metals", Thin Solid Films. Vol. 144, pp. 297–308. 1986. Diesen Effekt nutzt die angesprochene Ausführungsform dahingehend aus, dass auch hiermit eine Reduzierung des mittels des Laserstrahls zu erbringenden Energieeintrags in die Leitpaste möglich wird. Unter Umständen ist es von Vorteil, bimodale Partikelgrößenverteilungen einzustellen. Begrenzend für die maximale Partikelgröße ist das verwendete Druckverfahren.
In weiteren Ausführungen ist vorgesehen, dass die Leitpaste Silber-, Gold- oder Kupferpartikel enthält; auch die Verwendung von Aluminium ist grundsätzlich möglich.
Bevorzugt werden Metalle mit einem möglichst geringen spezifischen Widerstand, also, wie erwähnt, Silber (1,6·10^–8 Ohm·m), Kupfer 1,7·10^–8 Ohm·m), Gold (2,2·1·^–8 Ohm·m), Aluminium (2,8·10^–8 Ohm·m). Je edler das Metall, desto höher ist dessen Oxidationspotential, das heißt desto weniger oxidiert das Metall während des Lasersinterns an Luft, in der Regel ist dies von Vorteil für die Leitfähigkeit der Metallbahnen, edle Metalle bzw. Nanopartikel mit edlen Metallen an der Oberfläche, insbesondere Silber, werden daher bevorzugt. Kupfer bietet gegenüber Silber den Vorteil deutlich geringerer Rohmaterialkosten und wird daher auch favorisiert um eine kostengünstige Metallisierung herzustellen, ist aber oxidationsanfälliger.
Speziell für oxidationsanfällige Metalle ist eine Ausführung geeignet, bei der mindestens das Aufbringen der Leitpaste, optional auch ein Trocknen, in einer Inertgasatmosphäre erfolgt. Die Inertgasatmosphäre verhindert zuverlässig eine mögliche oberflächliche Oxidation des Leitpastenauftrags.
In weiteren Ausführungen des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Leitpaste mittels eines Inkjet- oder Aerosolverfahrens aufgebracht; daneben sind auch das sog. Roll-to-Roll-Verfahren oder ein Aufdispensen der Leitpaste möglich. Die Wahl des konkreten Verfahrens erfolgt unter Berücksichtigung von Materialparametern, wie dem Metall-Füllungsgrad, der Partikelgröße, den eingesetzten organischen Bestandteilen (Lösungsmittel, Bindemittel) der Paste etc. Umgekehrt wird die Zusammensetzung der Leitpaste in Abstimmung auf ein bevorzugtes Auftragsverfahren eingestellt:
Binder sollen das Verfließen der Paste/Tinte auf dem Substrat unterbinden. Vorzugsweise ist Organik zu verwenden, deren Siedepunkt unter der angestrebten Prozesstemperatur liegt. Optional können anorganische Haftvermittler verwendet werden, um die Abzugskräfte der Metallbahnen auf dem Substrat zu erhöhen.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird Laserstrahlung eingesetzt, deren Wellenlänge bei oder nahe einem Absorptionsmaximum des in der Leitpaste enthaltenen Metalls liegt. So liegt ein Strahlungsabsorptionsmaximum von Silber bei etwa 410 nm, und es könnte vorteilhaft ein Hochleistungs-Laserdiodensystem auf InGaN-Basis mit dieser Emissionswellenlänge eingesetzt werden. Hierdurch lässt sich eine möglichst selektive Energieeinkopplung in die Leitpaste erreichen.
In einer Variante des Laserprozesses ist der Durchmesser des Laserspots kleiner zu wählen als die Breite der gedruckten Leitpastenbahn. So können wesentlich geringere Linienbreiten mit verbesserter Kantendefinition hergestellt werden. Überflüssiges, nicht gesintertes Material wird in dieser Prozessvariante mit einem geeigneten Medium abgespült. Speziell ist bei dabei vorgesehen, dass Leitbahnen mit einer Breite von ≤ 100 μm, bevorzugt ≤ 50 μm und weiter bevorzugt unter 30 μm, gebildet werden.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung, speziell beim erwähnten Heterojunction-Typ der Solarzelle, erfolgt der Auftrag der Leitpaste direkt auf eine transparente Leitschicht auf der Solarzellen-Vorderseite. Da also an der Oberfläche eine leitfähige Schicht vorliegt, ist die Leitpaste für diesen Einsatz frei von Glasfritte, und weder aus dem Prozess noch aus der Zusammensetzung der Leitpaste resultiert eine zerstörende Wirkung auf empfindliche darunterliegende Schichten.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass Leitbahnen auf beiden Oberflächen der Solarzelle durch lokalen Auftrag einer Leitpaste und durch Sintern mittels Laserstrahlung gebildet werden.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch 1A bis 1D 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.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1A bis 1D zeigen in schematischen Querschnittsdarstellungen als Ausführungsformen der Erfindung eine Realisierung an einer bifacialen Heterojunction-Solarzelle 1. Diese umfasst auf einem Si-Substrat 3 vom n-Typ beidseits je eine intrinsische a-Si-Schicht 5a bzw. 5b. Auf der einer Seite der Zellstruktur folgt auf die intrinsische a-Si-Schicht 5a eine p⁺-dotierte a-Si-Schicht 7 und dann eine transparente leitfähige Schicht (beispielsweise TCO) 9. Auf der anderen Seite der Zelle 1 folgt auf die intrinsische a-Si-Schicht 5a eine n-dotierte a-Si-Schicht 11 und auf diese ebenfalls eine transparente leitfähige Schicht 15.
In 1B ist dargestellt, dass auf beiden Oberflächen der insoweit vorgefertigten Solarzellstruktur jeweils Leitpastenbahnen 17 gedruckt sind, die im Querschnitt schematisch als Kreissegmente dargestellt sind, in der Praxis aber eine abweichende Form aufweisen können.
In 1C ist symbolisch dargestellt, dass die Leitpastenbahnen 17 einer Bestrahlung mit Laserstrahlen L einer auf die Metallpartikel in der Leitpaste abgestimmten Wellenlänge unterzogen werden. Durch den lokal begrenzten hohen Energieeintrag wird ein Lasersintern des ursprünglichen Leitbahnenmaterials (Leitpaste) bewirkt, und hieraus resultieren – wie in 1D gezeigt – gesinterte Metall-Leitbahnen 17' mit erhöhter Leitfähigkeit, die den Anforderungen an die Heterojunction-Solarzelle in vollem Umfang entsprechen, obgleich eine unzulässige thermische Belastung der unterliegenden und benachbarten Schichten zulässig vermieden wurde.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Allen et al., „Small Particle Melting of Pure Metals”, Thin Solid Films. Vol. 144, pp. 297–308. 1986 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (1), insbesondere vom Heterojunction-Typ, mit metallischen Leitbahnen (17') auf mindestens einer Oberfläche, wobei eine Leitpaste (17) lokal auf für die Leitbahnen vorbestimmte Bereiche der Oberfläche aufgebracht und durch Laserstrahlung (L) zur Bildung der metallischen Leitbahnen gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aufgebrachte Leitpaste (17) vor der Laserbestrahlung einem Trocknungsschritt, insbesondere bei einer Temperatur von ≤ 200°C, unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine frittenfreie Leitpaste (17) mit Metallpartikeln eingesetzt wird, deren mittlere Größe im Sub-Mikrometer-Bereich, bevorzugt unter 50 nm und weiter bevorzugt unter 10 nm, liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitpaste (17) Silber-, Gold- oder Kupferpartikel enthält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitpaste (17) mittels eines Inkjet- oder Aerosolverfahrens aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens das Aufbringen der Leitpaste (17), optional auch ein Trocknen, in einer Inertgasatmosphäre erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Laserstrahlung (L) eingesetzt wird, deren Wellenlänge bei oder nahe einem Absorptionsmaximum des oder eines in der Leitpaste enthaltenen Metalls liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Leitbahnen (17') mit einer Breite von ≤ 100 μm, bevorzugt ≤ 50 μm und weiter bevorzugt < 30 μm, gebildet werden, wobei insbesondere eine Strahlbreite der Laserstrahlung (L) kleiner eingestellt wird als die Auftrags-Breite der Leitpaste.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Auftrag der Leitpaste (17) direkt auf eine transparente Leitschicht (9) auf der Solarzellen-Vorderseite erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Leitbahnen (17') auf beiden Oberflächen der Solarzelle (1) durch lokalen Auftrag einer Leitpaste (17) und durch Sintern mittels Laserstrahlung (L) gebildet werden.