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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Drucksieb und ein Siebdruckverfahren und insbesondere auf einen verbesserten in Linien-Geometrie für Kontaktfinger auf Solarzellen.
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HINTERGRUND
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Zur Stromabführung von Solarzellen werden in eine Richtung mehrere Kontaktfinger aufgedruckt, die den Strom aus dem Halbleitermaterial zu Stromschienen führen, von wo der Strom dann zu benachbarten Solarzellen geleitet wird. Die Kontaktfinger werden dazu beispielsweise als Paste mit einem Siebdruckverfahren auf die Solarzelle aufgedruckt. Um ein Maximum an effektiver Fläche zur Stromerzeugung zu haben, ist es vorteilhaft, die Kontaktfinger so schmal wie möglich zu gestalten - solange sie noch sind in der Lage den erzeugten Strom möglichst verlustfrei abzuleiten.
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Ein bekanntes Problem beim Drucken von feinen Linien, wie beispielsweise von Kontaktfinger auf Solarzellen, ist ein potentiell unzureichender Siebdruck an Positionen, wo sich Knoten im Drucksieb befinden. Wenn die zu druckende Struktur ausreichend groß ist, stellt dies eher selten ein ernstzunehmendes Problem dar. Je feiner die Strukturen werden, um so größer wird jedoch das Problem. Es können sich dann unzureichend gedruckte Gebiete mit einem erhöhten Widerstand bilden, die im Extremfall den Stromfluss unterbrechen.
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4A zeigt beispielhaft einen Bereich K, wo ein Siebknoten eines Drucksiebes 410 direkt im Bereich einer zu druckenden schmalen Struktur (wie z.B. eines Kontaktfingers) liegt, die durch eine Öffnung 10 in einer sogenannten Emulsion 50 definiert wird. Hierbei wird die Struktur auf z.B. eine Waferoberfläche gedruckt, wobei Siebknoten im Bereich K dazu führen kann, dass in diesem Bereich K zu wenig oder gar kein Druckmaterial aufgedruckt wird. Bei Kontaktfingern führt dies zu einem erhöhten Stromwiderstand und somit zu elektrischen Verlusten.
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Um dies zu vermeiden, werden beispielsweise bei speziellen Siebdruckverfahren die Drähte des Drucksiebes 410 parallel und senkrecht zu den zu druckenden Strukturen 10 (z.B. geradlinigen Kontaktfingern) gelegt. Ein Beispiel hierfür ist in der 4B gezeigt, bei der kein Knoten des Siebes 410 auf der Kontur des beispielhaften Kontaktfingers 10 zum Liegen kommt. Ein solches Verfahren ist in der Herstellung des Siebes extrem aufwendig, da die Struktur (definiert durch die Öffnungen 10) innerhalb der Maschen liegen muss.
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Bei weiteren, bekannten (z.B. speziell auf fineline angepassten) Siebdruckverfahren werden horizontale oder vertikale Drähte in einem Bereich entfernt, sodass dort keine Siebknoten vorhanden sind. Ein Beispiel hierfür ist in der 4C dargestellt, bei dem in dem Bereich beidseitig des Kontaktfingers 10 die vertikalen Drähte entfernt wurden und nur horizontale Drähte des Siebes vorhanden sind, sodass dort kein Siebknoten auf den zu bildenden Kontaktfinger 10 liegen kann.
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Es besteht jedoch ein Bedarf nach weiteren, alternativen Lösungen, um Strukturen drucken zu können, die einen sicheren Stromfluss gewährleisten können und den Materialverbrauch zu optimieren.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch ein Drucksieb nach Anspruch 1 und ein Siebdruckverfahren nach Anspruch 5 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Drucksieb mit einem inhomogenen Gewebe zum Siebdruck einer elektrisch leitfähigen Struktur mit einer variablen Menge an Druckmaterial (z.B. mit einem ortsaufgelösten variablen Auftrag an Druckmaterial).
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Um eine elektrisch leitfähige Struktur drucken zu können, wird das Gewebe üblicherweise durch parallel verlaufende Drähte gebildet, die mit senkrecht dazu verlaufenden weiteren Drähten verflochten sind. Es handelt sich dabei z.B. um sogenannte Schussdrähte und Kettdrähte. Die Drähte sind dabei ausreichend stabil, um die elektrisch leitfähige Druckpaste (z.B. eine Silberpaste als Druckmaterial) im Druckprozess handhaben zu können.
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Der Begriff „inhomogen“ soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung derart ausgelegt werden, dass der betreffende Gegenstand keine Translationsinvarianz erlaubt. Anderseits bedeutet „Homogenität“ das Vorhandensein von zumindest einer Translationsinvarianz (wobei Versätze an den Rändern des Gewebes außer Betracht bleiben). So sind die Gewebe aus den 4A und 4B homogen, da das Gewebe invariant gegenüber Translationen um eine Gitterkonstante (Abstand der parallel verlaufenden Drähte) ist. Das Gewebe aus der 4C ist in vertikaler Richtung homogen, da es bei einer vertikalen Verschiebung (Translation) um einen Drahtabstand in sich übergeht. Für ein inhomogenes Gewebe existiert ein solche Verschiebung, die das Gewebe invariant lässt, nicht.
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Optional ist ein Drucksieb ausgebildet, um einen Kontaktfinger als elektrisch leitfähige Struktur auf einer Solarzelle zu drucken, wobei die variable Menge an Druckmaterial an eine variable Stromdichte in dem Kontaktfinger auf der Solarzelle angepasst ist. Zum Drucken der Kontaktfinger kann eine Schablone mit zumindest einer Öffnung genutzt werden, die die Lage und Orientierung der Kontaktfinger definiert.
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Optional ist das inhomogene Gewebe teilweise durch unterbrochene Drähte gebildet, um Drahtzwischenräume von variabler Größe (z.B. Fläche) zu erzeugen. Optional kann das inhomogene Gewebe auch durch parallele Drähte mit unterschiedlichen Abständen gebildet sein, wobei die Abstände abschnittsweise monoton anwachsen oder monoton fallen. Auch hierdurch werden größere sogenannte Maschen erzeugt. Je nach der Prozessführung wird dadurch kein breiterer Kontaktfinger an der betreffenden Stelle gedruckt. Stattdessen kann die Prozessführung vorteilhafterweise so gestaltet werden, dass ein gedruckter Kontaktfinger höher ist. Die Höhe ist senkrecht zur Hauptfläche (z.B. Lichteinfallsfläche) definiert.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Siebdruckverfahren zum Ausbilden einer Struktur mit einer variablen Menge an Druckmaterial. Das Verfahren umfasst:
- - Bereitstellen eines Drucksiebes aus einem inhomogenen Gewebe;
- - Anordnen des Drucksiebes mit dem inhomogenen Gewebe über oder auf einem Druckträger;
- - Drucken der Struktur durch einen Siebdruck unter Verwendung des inhomogenen Gewebes.
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Die Schritte des Anordnens und des Druckens werden derart ausgeführt, dass die gedruckte Struktur entlang seiner Längserstreckung eine inhomogene Materialverteilung aufweist, die durch die Inhomogenität des Gewebes verursacht wird. Optional umfasst der Schritt des Bereitstellens ein Drucksieb, bei dem das inhomogene Gewebe durch parallele Drähte mit unterschiedlichen Abständen gebildet wird, sodass das Gewebe Bereiche mit unterschiedlichen Drahtzwischenräume umfasst.
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Das Drucken der Struktur kann unter Nutzung einer Schablone mit einer oder mehrerer Öffnungen erfolgen, die die Lage und Orientierung der Struktur definieren.
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Optional werden beim Verfahren die Öffnungen senkrecht zu den parallelen Drähten mit unterschiedlichen Drahtzwischenräumen angeordnet, um ein nicht-konstantes Höhenprofil (z.B. mit zunehmender oder fallender Höhe) für die Struktur entlang ihrer Längserstreckung zu erzeugen.
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Optional umfasst der Schritt des Bereitstellens ein Drucksieb, bei dem das inhomogene Gewebe teilweise durch unterbrochene Drähte gebildet ist, um Bereiche mit größeren Drahtzwischenräume für das Drucken von mehr Druckmaterial zu nutzen.
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Optional ist die Struktur ein Kontaktfinger und der Untergrund (Druckträger) ist eine Solarzelle, wobei das inhomogene Gewebe derart gewählt wird, dass die inhomogene Materialverteilung an eine zu erwartende inhomogene Stromdichte im Kontaktfinger beim Betrieb der Solarzellen angepasst wird.
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Optional umfasst der Schritt des Druckens ein Drucken von Kontaktfingern mit einer variablen Höhe durch inhomogene Materialverteilung.
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Optional umfasst die Solarzelle parallel angeordnete Stromschienen. Die parallelen Stromschienen können auch erst nach dem Drucken der Kontaktfinger ausgebildet werden. Der Schritt des Druckens kann dann derart ausgeführt werden, dass eine Menge an Kontaktfingermaterial in Richtung hin zu den parallel angeordneten Stromschienen zunimmt. Optional wird wiederum eine Schablone mit Öffnungen genutzt wird, die eine Lage und eine Orientierung der Kontaktfinger und/oder der Stromschienen definieren.
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Optional umfasst das Drucksieb parallel verlaufende Drähte und der Schritt des Anordnens des Drucksiebes wird derart ausgeführt, dass alle parallel verlaufenden Drähte nicht-parallel (z.B. senkrecht) zu den zu druckenden Kontaktfingern angeordnet werden.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf eine Solarzelle mit einer elektrisch leitfähigen Struktur mit einer variablen Menge an Druckmaterial in eine Längsrichtung der Struktur. Die elektrisch leitfähige Struktur kann insbesondere zumindest einen Kontaktfinger umfassen. Diese Solarzelle kann insbesondere mit einem der zuvor definierten Verfahren hergestellt werden, wobei beispielsweise das zuvor definierte Drucksieb genutzt werden kann.
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Vorteile von Ausführungsbeispielen beziehen sich beispielsweise auf eine optimierten Materialverbrauch lateral zu dem gedruckten Finger. Gleichzeitig erhöhen Ausführungsbeispiele die Standzeit des Siebes.
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Figurenliste
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1A,1B veranschaulicht den Siebdruck mit einem inhomogenen Drucksieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 veranschaulicht den Siebdruck mit einem weiteren Drucksieb gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
- 3 zeigt Flussdiagramm für ein Siebdruckverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 4A-4C zeigen speziell angepasste (aufwendig hergestellte) Drucksiebe.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1A zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Drucksieb. Das Drucksieb umfasst ein inhomogenes Gewebe 110, das ausgebildet ist, um eine Öffnung 10 in einer Schablone 50 mittels eines Siebdruckverfahrens auszubilden. Die Öffnung 10 definiert beispielsweise einen Kontaktfinger 15 auf einer Solarzelle 55, wobei der Kontaktfinger 15 als Folge des inhomogenen Gewebes 110 entlang seines Längserstreckung (vertikal in 1A) eine variable Menge an Druckmaterial aufweisen wird.
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1B zeigt das Ergebnis des Siebdrucks für eine Solarzelle 55 auf die eine Vielzahl von Kontaktfinger 15 gedruckt wurden, die wiederum optionale Stromsammelschienen 75 elektrisch kontaktieren. Gemäß Ausführungsbeispielen weisen die Kontaktfinger infolge des inhomogenen Drucksiebes ein Höhenprofil auf, wie es im unteren linken Abschnitt der 1B dargestellt ist. Die Höhe (gemessen senkrecht zur Zeichenebene) nimmt von einem Mittenbereich zu den Stromsammelschienen 75 (monoton) zu.
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Es versteht sich, dass die dargestellten Abmaße nicht maßstabsgerecht sind. Beispielsweise können die Stromsammelschienen 75 deutlich breiter sein als die Öffnungen im Drucksieb. Zur Veranschaulichung wurde beispielsweise das Drucksieb in einem größeren Maßstab dargestellt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel stellt die zu druckende Struktur 15 beispielhaft einen Kontaktfinger in einer Schablone/Emulsion 50 dar. Die Solarzelle 55 umfasst außerdem zumindest eine Stromschiene 75, die den Strom von den Kontaktfinger(n) 15aufnehmen und weiterleiten (siehe 1B). Das Gewebe 110 umfasst horizontal und vertikal verlaufende Drähte, die auch als Schussdrähte und Kettdrähte bezeichnet werden, wobei die Schussdrähte nahezu eben verlaufen können und die Kettdrähte sich um die Schussdrähte herumwinden.
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Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Drähte des Gewebes 110 in dem Bereich A der zu druckenden Stromschiene 75 einen breiteren Abstand d2 als die Drähte in dem Bereich B, der weiter davon entfernt ist und wo die Drähte einen Abstand d1 mit di<d2 aufweisen. Auch die vertikalen Drähte können einen variablen (nicht konstant) Abstand aufweisen, wobei die Drähte in der Nähe der Öffnung 70 (die die zu bildende Stromschiene 75 definieren) einen breiteren Abstand aufweisen als weiter entfernt davon.
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Der variable Drahtabstand d1, d2 bewirkt, dass im Bereich B weniger Druckpaste aufgetragen wird als im Fingerbereich A nahe der Stromschiene 70. Das Ergebnis ist beispielhaft in der Querschnittsdarstellung in der 1B unten links zu sehen. Das bietet den Vorteil, dass eine zunehmende Stromdichte hin zu der Stromschiene 70 ohne Probleme (mit geringem Widerstand) aufgenommen werden kann. Außerdem stabilisieren die im Bereich B enger liegenden beispielhaften Schussdrähte das Drucksieb. Da dort, entlang der Öffnung 10, vertikale verlaufende Kettdrähte fehlen können (z.B. weggeschnitten), ist diese Stabilisierung von großem Vorteil.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Bedrucken einer Solarzelle 50 mit Kontaktfingern 10. Die Schablone 50 umfasst eine erste Öffnung 71 und eine zweite Öffnung 72 ausgebildet, die über die Öffnung 10 (für den Kontaktfinger) miteinander verbunden sind.
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Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das inhomogene Gewebe 110 unterbrochene Drähte 111, 112 die sich nur abschnittsweise durch das Gewebe 110 erstrecken. Da das Gewebe 110 auch als Gitter angesehen werden kann, können diese Bereiche als Fehlstellen angesehen werden. So fehlen in den Bereichen A1 und A2 Abschnitte der Drähte 111, 112, sodass in Richtung zur zweiten Öffnung 72 (und ähnlich in Richtung zur ersten Öffnung 71) Zwischenräume/Fehlstellen variabler Größe entstehen.
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In dem Bereich A1 fehlt eine vertikale Drahtverbindung über drei horizontalen Drähten, während im Bereich A2 der fehlende Drahtabschnitt sich nur über zwei horizontalen Drähte erstreckt. Schließlich sind im Mittenbereich B zwischen den Öffnungen 71, 72 alle Drähte ausgebildet, es gibt dort keine unterbrochenen Drähte. Daher wird im Bereich B weniger Kontaktfingermaterial aufgebracht als z.B. im Bereich A2. Am meisten Kontaktfingermaterial wird im Bereich A1 aufgebracht, wo die meisten Fehlstellen vorhanden sind und der den Öffnungen 71, 72 am nächsten ist.
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Außerdem wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Gewebe 110 schräg angeordnet, sodass die Bereiche A1, A2 zu unterschiedlichen vertikalen Drähten gehören können: der Bereich A1 gehört zu dem Draht 111 und der Bereich A2 gehört zu dem Draht 112. Trotz der Fehlstellen wird auf diese Weise die Stabilität des Gewebes 110 aufrechterhalten. Außerdem erlaubt die schräge Anordnung, dass alle Fehlstellen A1, A2 entlang einer Linie angeordnet werden können, wo dann der Kontaktfinger 15 mit einer variablen Menge an Druckmaterial per Siebdruck erzeugt werden kann.
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Auf diese Weise wird in dem Mittenbereich zwischen den beiden Öffnungen 71, 72 nur wenig Druckpaste aufgetragen, da dort die Fehlstellendichte gering ist, während die Konzentration an Fehlstellen hin zu den Öffnungen 71, 72 zunimmt, sodass dort mehr Druckpaste aufgetragen wird. Als Resultat wird der resultierende Kontaktfinger - wegen der zusätzlichen Druckpaste - in der Lage sein, in der Nähe der Stromschienen 75 eine höhere Stromdichte aufzunehmen als beispielsweise in dem Mittenbereich B.
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Ausführungsbeispiele lösen somit zumindest einen Teil der eingangs-erwähnten Probleme durch eine Verwendung eines inhomogenes Drucksiebes, welches eine variable Fingerstärke der Kontaktfinger 15 - insbesondere deren Höhe senkrecht zur Solarzelle 55 - erlaubt. Dieser Effekt wird genutzt, um in Bereichen, in welchen eine geringere oder höhere Stromdichte zu erwarten ist, weniger oder mehr Kontaktfingermaterial aufzubringen. Daher können die Kontaktfinger 10 flexibel an die Anforderungen angepasst werden. So können beispielsweise in der Nähe der Stromschienen 75 stärkere Kontaktfinger 15 ausgebildet werden als weiter entfernt davon. Insbesondere kann eine variable Fingerhöhe erreichen werden, sodass in Bereichen mit geringerer Stromdichten auch die Fingerhöhe geringer ist, was durch den variablen Drahtabstand d1, d2 bzw. durch die Fehlstellendichte A1, A2 steuerbar ist.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Öffnung für Kontaktfinger
- 15
- Kontaktfinger der Solarzelle
- 50
- Emulsion/Schablone
- 55
- Solarzelle
- 70, 71, 72
- Öffnung für Stromschiene(n)
- 75
- Stromschiene(n)
- 110
- Gewebe des Drucksiebes
- 111, 112
- (unterbrochene) Drähte des Drucksiebes
- 410
- Spezielle fineline angepasstes Drucksieb
- d1, d2
- variable Drahtabstände
- A, B, A1,A2
- Bereiche mit variablen Zwischenräume im Drucksieb
- K
- Bereich eines Kontaktfingers
