DE102013203398A1

DE102013203398A1 - Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle

Info

Publication number: DE102013203398A1
Application number: DE201310203398
Authority: DE
Inventors: Martin Dupke; Reik Jesswein; Karsten Meyer; Mathias Schirmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-08-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere vom kristallinen Typ, mit einer durch einen Auftrag von Leitpaste (1) und eine thermische Behandlung der Leitpaste gebildeten Metallisierungsstruktur, die Kanten zu metallisierungsfreien Bereichen aufweist, denen jeweils Begrenzungskanten (1B) im Leitpastenauftrag entsprechen, wobei beim Auftrag der Leitpaste mindestens einem Teil der Begrenzungskanten eine zum Verlauf der Begrenzungskante korrespondierende lineare Struktur aus isolierten Leitpasten-Inseln (5) vorgelagert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle vom kristallinen Typ, insbesondere vom MWT-Typ, mit einer aus Leitpaste gebildeten Metallisierungsstruktur.
Stand der Technik
Bei der Entwicklung der Photovoltaik zu einer wesentlichen Komponente künftiger Energieversorgungssysteme spielen Solarzellen auf der Basis von kristallinem Silizium eine tragende Rolle. Bei deren Weiterentwicklung steht seit Jahren neben der Erhöhung der Energieausbeute die Reduzierung der Herstellungskosten im Mittelpunkt. Im Zuge dieser Entwicklung haben sich für die Herstellung der benötigten Kontaktstrukturen Siebdruckverfahren unter Einsatz metallhaltiger Pasten mit nachgelagertem Sinterschritt etabliert. Andererseits wird mittels neuartiger Zellkonzepte (sog. MWT- bzw. IBC-Zellen), bei denen die Kontaktstruktur im Wesentlichen auf die Zellrückseite verlegt wird, das Ziel einer Erhöhung des energetischen Wirkungsgrades durch Verringerung von Abschattungen auf der photoelektrisch wirksamen Zellen-Vorderseite verfolgt.
Bei den erwähnten Metallisierungsverfahren auf Siebdruckbasis gibt es drei voneinander getrennte Druckschritte mit anschließender Trocknung. Im Druckschritt 1 wird die Vorderseite der Solarzelle mit einem Grid aus Leiterbahnen mit einer silberhaltigen Paste bedruckt. Druckschritt 2 wird benötigt, um Lötpads ebenfalls mit silberhaltiger Paste, für die Modulverschaltung auf der Rückseite der Solarzelle aufzubringen. Im letzten Druckschritt 3 wird eine aluminiumhaltige Paste gedruckt, in deren Druckbild die Lötpads mit einer gewissen Überlappung ausgespart sind.
Abweichend von diesem Standardprozess kommt es für das oben erwähnte Zellkonzept sowohl zu einer Veränderung der Druckreihenfolge als auch zu einer Veränderung des typischen Druckbildes. Hier sind die Vorderseitenemitterkontakte mittels sogenannter Vias auf die Rückseite durchgeführt. Die Emitterkontakte und die Rückseitenmetallisierung müssen elektrisch voneinander isoliert sein. Diese Isolierung wird üblicherweise durch ein Laserisolationsverfahren hergestellt. Dabei wird nach der Metallisierung zwischen Emitterkontaktpads und Rückseitenkontakt ein Lasergraben gezogen, welcher den Emitter durchtrennt.
Um Serienwiderstandsverluste, Füllfaktoreinbrüche und letztendlich Effizienzeinbußen so gering wie möglich zu halten, ist es notwendig, die nicht-metallisierten Bereiche so klein wie möglich zu halten. Andererseits muss jedoch genügend Platz für den Lasergraben vorhanden sein. Siebdruckmetallisierungspasten, insbesondere aluminiumhaltige Pasten, neigen zu einem starken Verlaufen auf dem Substrat. Dadurch können sich Strukturbereiche, die eigentlich frei bleiben sollen, verkleinern, in Extremfällen sogar komplett zulaufen. Bei den kleinen Maßtoleranzen, die für eine hohe Zelleffizienz Voraussetzung sind, kann dies dazu führen, dass anschließend die notwendige Kontaktisolation nicht mehr erfolgreich durchgeführt werden kann. Geringe Parallelwiderstände der Solarzelle und deutliche Effizienzeinbußen sind die Folge.
Aus US 2010/0018577 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen bekannt, bei dem das unerwünschte Verlaufen einer Leitpaste auf dem Substrat dadurch unterbunden werden soll, dass zwei verschiedene Leitpasten mit unterschiedlichen Druckgeschwindigkeiten übereinander appliziert werden. Da dieses Verfahren für jeden Leitpastenauftrag zwei Teilschritte und die Bereitstellung verschiedener Leitpasten hierfür erfordert, ist es mit relativ hohem Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden.
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 Erfindung geht von der Überlegung aus, ein Verlaufen der Leitpaste bei Verfahren der gattungsgemäßen Art ohne zusätzliche Verfahrensschritte und/oder den Einsatz zusätzlicher Materialien und die damit verbundene Erhöhung der Komplexität und der Kosten zu bewerkstelligen. Sie schließt weiterhin den Gedanken ein, das grundsätzlich unvermeidbare Verlaufen der Leitpaste aus einem größeren Bereich heraus durch geeignet gebildete Begrenzungselemente zu begrenzen. Dies führt wiederum zu der Lehre, den (zumindest einigen der) Begrenzungskanten des zusammenhängenden Leitpasten-Auftrags einer Metallisierungsschicht einzelne kleine Leitpasten-Inseln vorzulagern.
In einer Ausführungsform der Erfindung, bei der der Auftrag der Leitpaste mittels eines Siebdruckverfahrens unter Einsatz einer Siebdruckform erfolgt, wird eine Siebdruckform eingesetzt, in deren Sieb mindestens einigen Kanten eine der jeweiligen Kante geringfügig vorgelagerte, zum Verlauf der Kante korrespondierende lineare Struktur aus kleinen Sieböffnungen angeordnet ist, durch die die Begrenzungs-Struktur erzeugt wird, d. h. mit denen in Form und Abmessungen den Sieböffnungen entsprechende Leitpasten-Inseln gebildet werden. Die Anwendung der Erfindung ist aber nicht auf Siebdruckverfahren begrenzt, sondern grundsätzlich auch im Rahmen anderer Verfahren des Auftrags von Leitpaste zur Bildung einer Metallisierungsstruktur möglich, so etwa in einem anderen Druckverfahren wie dem Inkjet-Druck oder einem Dispens-Verfahren.
In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der erfindungsgemäß herzustellenden Solarzelle um eine solche vom Rückseitenkontakt-Typ und spezieller vom MWT(Metal-Wrap-Through)-Typ. Grundsätzlich ist das Verfahren aber auch für andere Solarzellen vom mono- oder polykristallinen Typ und darüber hinaus auch für Metallisierungsstrukturen bei andersartigen Solarzellenkonzepten geeignet.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine wirksame Begrenzung des Verlaufens von Leitpaste und somit die erfolgreiche Kontaktisolation von Solarzellen-Metallisierungen, beispielweise durch Laserablationsverfahren, ohne nennenswerte Erhöhung des Aufwandes und der Kosten.
In Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitpasten-Inseln, insbesondere auch die korrespondierenden Öffnungen einer Siebdruckform, punktartig sind und eine Kreis-, Ellipsen-, Dreieck-, Rechteck- oder Vieleckform haben. In anderen Ausführungen sind die Leitpasten-Inseln bzw. hierzu korrespondierenden Öffnungen der Siebdruckform geradlinig, gebogen oder abgewinkelt länglich gestreckt ausgebildet. Die Wahl der konkreten Form kann in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Leitpaste und den Parametern des Druck- und Sinterprozesses sowie auch in Abstimmung auf die physikalischen Eigenschaften der Substratoberfläche erfolgen.
Zweckmäßigerweise liegen die Abmessungen der Leitpasten-Inseln bzw. zu deren Auftrag dienenden Sieböffnungen im Bereich zwischen 50 μm und 1 mm, vorzugsweise 50 μm und 250 μm, und es ist vorgesehen, dass ein Abstand der Leitpasten-Inseln bzw. korrespondierenden Sieböffnungen von der zugeordneten Kante im Bereich zwischen 50 μm und 1 mm, vorzugsweise 50 μm und 250 μm, liegt.
Die Erfindung ist vorteilhaft einsetzbar, wenn die Leitpaste aluminiumhaltig ist, zur Bildung einer Aluminium-Vollflächenmetallisierung unter Freilassen von Aussparungsbereichen. Ihre Einsatzmöglichkeiten sind aber nicht auf aluminiumhaltige Leitpasten beschränkt; beispielsweise kann sie auch mit silberhaltigen Leitpasten realisiert werden.
In effizienter Weise und unter Einsatz von Standard-Herstellungsverfahren für Siebdruckformen in der Halbleitertechnologie wird die lineare Struktur aus kleinen Sieböffnungen dem Sieblayout anhand korrespondierender Elemente einer Vektorgrafik aufgeprägt.
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. Es zeigen:
1 eine synoptische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in Kombination mit einem herkömmlichen Leitpastenauftrag, als schematische Draufsicht auf zwei Fingerbereiche einer Solarzellen-Kontaktstruktur,
2 eine Auswahl von Formgebungen einer linearen Struktur aus kleinen Sieböffnungen in erfindungsgemäß gestalteter Siebdruckformen und
3 ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung zur Herstellung einer Siebdruckform für das erfindungsgemäße Verfahren.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer (beispielsweise rückseitigen) Oberfläche einer Solarzelle, mit einem im Wesentlichen vollflächigen Leitpastenauftrag 1. In diesem Bereich sind zwei Fingerabschnitte 3 einer Fingerkontaktstruktur gezeigt, die bei dem Leitpastenauftrag 1 ausgespart sind. Um die Finger 3 herum sind also Leitpasten-Strukturkanten 1A bzw. 1B gebildet, die zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unterschiedlich ausgestaltet sind. Während im Bereich A eine herkömmliche Strukturkante 1A vorliegt, ist die im Bereich B vorliegende Strukturkante 1B mit einer in vorbestimmtem Abstand vorgelagerten „Linie” aus Leitpasten-Punkten 5 versehen. Diese Leitpasten-Punkte 5 begrenzen bei einem nachfolgenden thermischen Prozessschritt ein Verlaufen der Leitpaste von der Kante 1B zum zugehörigen Finger 3, während von der herkömmlich ausgebildeten Kante 1A her die Leitpaste unlimitiert zum entsprechenden Finger 3 hin auslaufen kann.
In 2 sind verschiedene geometrische Ausformungen von Strukturkanten mit vorgelagerten kleinen Öffnungen in einem erfindungsgemäß zu verwendenden Siebdrucknetz dargestellt. Die Darstellungen sind selbsterklärend, so dass von einer verbalen Beschreibung abgesehen werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass im Rahmen der Erfindung vielgestaltige andere Ausführungen möglich sind.
3 zeigt schematisch wesentliche Funktionskomponenten einer Anordnung 10 zur Herstellung eines Drucksieb-Layouts für eine erfindungsgemäß einzusetzende Siebdruckform. Von der zu erzeugenden Metallisierungsstruktur gibt es einen Design-Datensatz 11, von der zu metallisierenden Oberfläche gibt es einen Oberflächenparameter-Datensatz 12, von der verwendeten Leitpaste (Siebdruckpaste) gibt es einen Pastenparamter-Datensatz 13, und ein Prozessparameter-Datensatz 14 enthält relevante Prozessparameter des auf den Siebdruck folgenden thermischen Prozesses zur Erzeugung der Metallisierungsschicht aus der Leitpastenschicht.
Der Oberflächenparameter-Datensatz 12, der Pastenparameter-Datensatz 13 und der Prozessparameter-Datensatz 14 gelangen als Eingangsdaten zu einer Parameter-Verarbeitungseinheit 15, in der sie gemäß einem vorbestimmten Algorithmus, der das Verlaufs-Verhalten der Leitpaste auf der zu beschichtenden Oberfläche unter den herrschenden Parametern simuliert, verarbeitet werden. Parallel gelangt der Design-Datensatz 11 zu einer Siebentwurfseinheit 16, in die außerdem Ausgangsdaten der Parameter-Verarbeitungseinheit 15 eingespeist werden und die aus den Designdaten der Metallisierung und den Ergebnissen der Verarbeitung der Oberflächen-, Pasten- und Prozessparameter ein Grob-Layout der zu entwerfenden Siebdruckform entwickelt.
Parallel hierzu liefert die Parameter-Verarbeitungseinheit 15 Eingangsdaten für eine Siebentwurfs-Ergänzungsstufe 17, in der anhand des Simulationsergebnisses des Verlaufsverhaltens der verwendeten Leitpaste aus verschiedenen Strukturkanten-Layouts, die in einer entsprechenden Datenbasis 18 gespeichert sind, eine geeignete Konfiguration kleiner vorgelagerter Sieböffnungen zur Begrenzung eines Verlaufens der Leitpaste ermittelt wird. Die von der Siebentwurfs-Ergänzungsstufe 17 ausgegebenen Konfigurationsdaten werden ebenso wie von der Siebentwurfseinheit 16 ausgegebenen Layoutdaten einer Siebentwurfs-Finalisierungsstufe 19 zugeführt, die das endgültige Sieblayout als Vektorgrafik an eine entsprechende (nicht dargestellte) Belichtungssteuereinheit zur photochemischen Herstellung der Siebdruckform ausgibt.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0018577 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere vom kristallinen Typ, mit einer durch einen Auftrag von Leitpaste (1) und eine thermische Behandlung der Leitpaste gebildeten Metallisierungsstruktur, die Kanten zu metallisierungsfreien Bereichen aufweist, denen jeweils Begrenzungskanten im Leitpastenauftrag entsprechen, wobei beim Auftrag der Leitpaste mindestens einem Teil der Begrenzungskanten (1B) eine zum Verlauf der Begrenzungskante korrespondierende lineare Struktur aus isolierten Leitpasten-Inseln (5) vorgelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Leitpaste zur Bildung der Metallisierungsstruktur durch Siebdruck unter Einsatz einer Siebdruckform auf eine Oberfläche der Solarzelle aufgebracht wird, in deren Sieb mindestens einigen Kannten (1B) eine der jeweiligen Kante geringfügig vorgelagerte, zum Verlauf der Kante korrespondierende lineare Struktur aus kleinen Sieböffnungen (5) vorgesehen ist, mit denen in Form und Abmessungen den Sieböffnungen entsprechende Leitpasten-Inseln gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leitpasten-Inseln (5) punktartig sind und eine Kreis-, Ellipsen-, Dreieck-, Rechteck- oder Vieleckform haben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leitpasten-Inseln (5) geradlinig, gebogen oder abgewinkelt länglich gestreckt ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abmessungen der Leitpasten-Inseln (5) im Bereich zwischen 50 μm und 1 mm, vorzugsweise 50 μm und 250 μm liegen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Abstand der Leitpasten-Inseln (5), insbesondere der Sieböffnungen, von der zugeordneten Begrenzungskante (1B) im Bereich zwischen 50 μm und 1 mm, vorzugsweise 50 μm und 250 μm liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitpaste (1) aluminiumhaltig ist, zur Bildung einer Aluminium-Vollflächenmetallisierung unter Freilassen von Aussparungsbereichen (3), die durch Begrenzungskanten der Metallisierungsstruktur begrenzt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die lineare Struktur aus Sieböffnungen (5) dem Sieblayout anhand korrespondierender Elemente einer Vektorgrafik aufgeprägt wird.