DE4304858C2

DE4304858C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines niederohmigen linearen Musters, und Solarzelle

Info

Publication number: DE4304858C2
Application number: DE4304858A
Authority: DE
Inventors: Takushi Itagaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-02-24
Filing date: 1993-02-17
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2013-02-18
Also published as: JPH05235388A; DE4304858A1; FR2687845A1; FR2687845B1; US5498289A; US5328520A; US5389573A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines linearen Musters, das eine Breite von 100 Mikrons oder kleiner und einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10^-6 Ω_*cm aufweist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Solarzelle.

Fig. 9 stellt eine Querschnittsansicht dar, die schematisch eine herkömmliche Solarzelle zeigt. Wie in Fig. 9 veranschaulicht, weist eine aktive Schicht der Solarzelle 500 eine n-leitende (n-Typ) Si-Schicht 51 und eine p-leitende (p-Typ) Si-Schicht 52 auf. Eine p-seitige Elektrode 53, die ein lineares Muster aufweist, ist auf die p-leitende Si-Schicht 52 aufgebracht, und eine n-seitige Elektrode 54 ist auf die rückwärtige Oberfläche der n-leitenden Si-Schicht 51 aufgebracht.

Als Verfahren zur Bildung einer Elektrode einer solchen herkömmlichen Solarzelle wurde ein Dünnfilmbildungsverfahren durch Aufdampfen oder Aufsprühen, ein Siebdruckverfahren, ein Zeichen-Druck-Verfahren, ein Ätz-Verfahren gemäß EP 0 186 351 A2 oder dgl. verwendet. Zusätzlich wurde eine Ag-Paste als Elektrodenmaterial einer herkömmlichen Solarzelle verwendet. In jüngerer Zeit wird eine bei niedriger Temperatur zu brennende Ag-Paste, deren Brenntemperatur nur 150-180°C beträgt, in Gebrauch genommen. Falls eine bei hoher Temperatur zu brennende Ag-Paste, deren Brenntemperatur 700-800°C beträgt, für die Bildung einer Elektrode einer amorphen Silicium-Solarzelle oder einer Solarzelle vom Übergangstyp mikrokristallines/kristallines Silicium verwendet wird, so wird die Übergangsstelle bzw. Kontaktstelle in der aktiven Schicht der Solarzelle während des Brennprozesses unvorteilhaft gebrochen.

Mittlerweile wird beim obenerwähnten Siebdruckverfahren eine Ag-Paste, die Ag-Pulver, Glasfritte und organische Binder aufweist, durch eine Druckmaske, die ein rostfreies Netz aufweist, auf ein Substrat gedruckt, wobei auf dem Netz ein Emulsions-Ätz-Muster bzw. ein durch Lichteinwirkung auf eine lichtempfindliche Schicht herstellbares Muster ausgebildet ist. Danach wird die Paste getrocknet und gebrannt, um ein Elektrodenmuster, welches den erwünschten spezifischen Widerstand aufweist, zu bilden. Die durch dieses Verfahren herstellbare minimale Elektrodenbreite beträgt 100-150 Mikrons, und eine Elektrode mit Abmessungen unter diesen Werten kann nicht gebildet werden. Falls die Elektrode 53 auf der lichtaufnehmenden Oberfläche der in Fig. 9 gezeigten Solarzelle 500 mit diesem Siebdruckverfahren gebildet wird, wird die Elektrodenbreite 53 100 Mikrons überschreiten, wodurch der effektive leistungserzeugende Bereich 55 der lichtaufnehmenden Oberfläche abnimmt. Im übrigen wird, falls das Elektrodenmuster verändert wird, eine neue Siebdruck- bzw. Schutzmaske gebraucht, was zu einer geringen Produktionsausbeute führt.

Die Fig. 8 stellt eine schematische Abbildung dar, die ein Verfahren zum Aufbringen einer Paste auf ein Substrat unter Verwendung einer Zeichnung- bzw. Zieh-Druck-Vorrichtung zeigt, die in der japanischen veröffentlichten Patentanmeldung Nr. 64-39078 offenbart ist. Beim Zeichnung- bzw. Zieh-Druck-Verfahren wird ein Gefäß 10 mit der Paste 13 gefüllt und mit auf gleichbleibender Temperatur gehaltenem Wasser 14, welches um das Gefäß 10 zirkuliert, warmgehalten. Das auf gleichbleibender Temperatur gehaltene Wasser 14 wird von einem auf konstanter Temperatur gehaltenen Gefäß 15 aus durch eine Pumpe 17 geschickt. Die Paste 13 wird mittels eines Schwimmers 12, der mit Luftdruck 11 beaufschlagt ist, ausgedrückt und durch eine Düse 18 abgegeben, wobei ein erwünschtes Muster auf das Substrat 16 gezeichnet wird. Dieses Verfahren löst die Probleme des herkömmlichen Siebdruckverfahrens. Falls jedoch nun ein lineares Muster, das eine Breite kleiner als 100 Mikrons aufweist, mit diesem Verfahren unter Verwendung der mit niedriger Temperatur gebrannten Ag-Paste gezeichnet und danach bei 150-180°C gebrannt wird, um ein Elektrodenmuster einer amorphen Silicium-Solarzelle oder Solarzelle vom Übergangstyp mikrokristallines/kristallines Silicium zu bilden, ist der spezifische Widerstand des Elektrodenmusters höher als 5_*10^-5 Ω_*cm, so daß der in der Zelle erzeugte Strom nicht effizient entnommen werden kann, und sich somit die Charakteristik der Solarzelle verschlechtert.

Da ferner bei dem oben beschriebenen Siebdruckverfahren und dem Zeichnung- bzw. Zieh-Druck-Verfahren eine Paste verwendet wird, ist ein Brennvorgang der Paste nach der Ausbildung des Musters erforderlich. Dieser Vorgang benötigt viel Zeit. Deshalb wird das Muster mit keiner hohen Effizienz gebildet. Hinzu kommt, falls die mit hoher Temperatur gebrannte Paste verwendet wird, daß eine plötzliche Temperaturänderung zwischen dem Brennvorgang und dem Kühlvorgang nach dem Brennen auftritt, so daß das Substrat, auf dem das Muster gebildet wird, bei diesem Temperaturwechsel unvorteilhaft deformiert wird.

Aus der Offenlegungsschrift DE 23 18 053 ist eine Solarzelle bekannt, die eine aktive Schicht mit mindestens einer p-leitenden und einer n-leitenden Schicht und Elektroden zur Entnahme des in der aktiven Schicht erzeugten Stromes aufweist, wobei eine dieser Elektroden ein lineares Muster bildet. Das lineare Muster besteht aus Kontaktfingern, die sich über die gesamte Breite einer aktiven Schicht erstrecken. Die einzelnen Kontaktfinger sind am Seitenrand durch ein elektrisch leitendes Material miteinander verbunden. Um die Fläche der aktiven Schicht groß zu halten, aber dennoch den Widerstand innerhalb eines Kontaktfingers auf ein Minimum zu reduzieren, sind die Kontaktfinger so ausgebildet, daß sich die Breite der Kontaktfinger von der elektrisch leitenden Verbindung am Seitenrand weg zum anderen Seitenrand hin verjüngen. Mit dieser Maßnahme vermindert sich der Querschnittswiderstand jedes Kontaktfingers in Richtung auf die elektrisch leitende Verbindung hin. Jeder aus der aktiven Schicht abgezogene Ladungsträger muß aber weiterhin innerhalb eines dünnen Kontaktfingers eine große Distanz überbrücken, so daß ein Mindestwiderstand nicht unterschritten werden kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines linearen Musters zu schaffen, mit dem ein lineares Muster, das eine Breite kleiner als 100 Mikrons und einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10^-6 Ω_*cm aufweist, bei einer Temperatur unter 200°C in einem einfachen Prozeß herstellbar ist, und eine leistungsfähige Solarzelle zu schaffen, in der ein effektiver, leistungserzeugender Bereich vergrößert, ein spezifischer Widerstand einer Elektrode reduziert und eine Übergangszone in einer aktiven Schicht nicht zerstört wird.

Diese Aufgabe wird mit den Ansprüchen 1 und 14 gelöst.

Andere Zielsetzungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die detaillierte Beschreibung, die hieran anknüpft, ersichtlich; es ist hervorzuheben, daß die detaillierte Beschreibung und eine spezifische Ausgestaltung nur mit der Absicht einer reinen Veranschaulichung gegeben wird, da verschiedene Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Erfindungsgedankens und Erfindungsbereiches für den Fachmann aus dieser detaillierten Beschreibung ersichtlich werden.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines linearen Musters wie folgt vorgegangen:

Ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt wird in einem Gefäß in seinem geschmolzenen Zustand gehalten; das geschmolzene Metall wird mit Hilfe der Kapillarwirkung an die Spitze eines Zeichenkopfes, der die Oberfläche des Substrats berührt, gelenkt; das geschmolzene Metall wird auf das Substrat in einer Linie, die dünner als 100 Mikrons ist, aufgebracht, wobei der Zeichenkopf bewegt wird; und das lineare Muster des geschmolzenen Metalls auf dem Substrat wird gekühlt, wodurch es sich spontan auf dem Substrat verfestigt. Das lineare Muster, das eine Breite kleiner als 100 Mikrons und einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10^-6 Ω_*cm aufweist, wird dadurch in einem einfachen Vorgang mit hoher Effizienz gebildet.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet, wobei der Schmelzpunkt unterhalb 200°C liegt. Deshalb wird, falls das oben beschriebene lineare Muster auf einer aktiven Schicht hergestellt worden ist, die amorphes Silicium oder mikrokristallines Silicium einer Solarzelle als eine Elektrode der Solarzelle aufweist, der Übergangsbereich der aktiven Schicht nicht zerstört.

Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist eine Muster-Zeichen-Einheit ein Gefäß auf, mit dem ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt in dessen geschmolzenem Zustand gehalten werden kann, und der Zeichenkopf bzw. zumindest eine der Komponenten Substrat oder Muster-Zeicheneinheit werden in einer vorgeschriebenen Richtung durch eine Computersteuerung bewegt bzw. relativ zueinander bewegt. Deshalb sind das zu bildende Muster und die Bedingungen zum Aufbringen des geschmolzenen Metalls einfach und schnell mit dem in dem Computer gespeicherten Programm zu ändern.

Gemäß einem vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist eine auf einer lichtaufnehmenden Oberfläche einer aktiven Schicht einer Solarzelle aufgebrachte Elektrode ein lineares Muster auf, das eine Breite unter 100 Mikrons und einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10^-6 Ω_*cm aufweist. Deshalb nimmt der effektive leistungserzeugende Bereich der Solarzelle zu, und ein in der aktiven Schicht erzeugter Strom wird mit hoher Effizienz entnommen.

Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung eines linearen Musters in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Spitze eines in Fig. 1 gezeigten Zeichnungskopfes veranschaulicht;

Fig. 3a und 3b sind Abbildungen, in denen jede eine Beziehung zwischen einem Mischungsverhältnis und einem Schmelzpunkt einer Indiumlegierung zeigt;

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht einer Solarzelle in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Solarzelle in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines Solarzellenmoduls, in dem eine Vielzahl der in Fig. 5 gezeigten Solarzellen miteinander verbunden sind;

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines linearen Musters in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht einer Zeichnung- bzw. Zieh-Druck-Vorrichtung, die die Paste in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik als das zu zeichnende Mustermaterial verwendet; und

Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht einer Solarzelle in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Struktur einer Vorrichtung zur Herstellung eines linearen Musters in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 100 eine Vorrichtung zur Herstellung eines linearen Musters. Die Vorrichtung 100 weist ein mit geschmolzenem Indium 1 gefülltes Gefäß 2, einen mit dem Gefäß 2 verbundenen Zeichenkopf 3, eine Abdeckung 6, die das Gefäß 2 und den Zeichenkopf 3 bedeckt, und einen Gaseinlaß 5 auf, durch welches inertes Gas in den Raum innerhalb der Abdeckung 6 eingelassen wird. Zusätzlich bezeichnet das Bezugszeichen 4 ein Substrat, auf dem ein lineares Muster gebildet wird. Die Bezugszeichen 8 bzw. 7 bezeichnen schmale Nuten oder Rinnen, die in dem Gefäß 2 bzw. im Zeichenkopf 3 ausgebildet sind. Das Gefäß 2 und der Zeichenkopf 3 werden auf einer vorgeschriebenen Temperatur warmgehalten, so daß das Indium in seinem geschmolzenen Zustand gehalten wird. Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Spitze des Kopfes 3 zeigt. In der Fig. 2 ist die Spitze des Kopfes 3 zylindrisch ausgebildet und weist einen Radius R auf. Zusätzlich sind das Gefäß 2 und der Zeichenkopf 3 von einem solchen Material gebildet, daß z. B. das Indium in einem geschmolzenen Zustand gehalten werden kann und es dem Indium ermöglicht wird, die Rinnen 7 und 8 mit Hilfe der Kapillarwirkung zu durchdringen bzw. zu durchströmen. Vorzugsweise wird Fe, eine Legierung von Fe oder ein anderes Metall verwendet.

Im folgenden wird eine Beschreibung für ein Verfahren zur Herstellung eines linearen Musters unter Verwendung der Vorrichtung 100 gegeben.

Das geschmolzene Indium 1 im Gefäß 2, das einen Schmelzpunkt von 156,6°C besitzt, durchdringt die schmalen Rinnen 8 und 7 mit Hilfe der Kapillarwirkung und fließt in den Rinnen, um die Spitze des Zeichenkopfes 3 zu erreichen. In diesem Stadium breitet sich, da der Zeichenkopf 3 ebenfalls warmgehalten wird, das geschmolzene Indium über das Oberflächenende der Spitze des Kopfes aus und verbleibt wegen seiner Oberflächenspannung in diesem Stadium. Danach wird ein Teil der Spitze des zylindrischen Kopfes mit der Oberfläche des Substrats 4 in Kontakt gebracht, wodurch das geschmolzene Indium 1 auf das Substrat 4 aufgebracht wird. Zu diesem Zeitpunkt ist das geschmolzene Indium 1 auf der Oberfläche des Substrats 4 durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Indiums 1 und die Benetzbarkeit des Substrates bzw. der Oberfläche 4 mit geschmolzenem Indium 1 angeheftet. Die Breite des geschmolzenen, in einer Linie aufgebrachten Indiums 1 wird durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Indiums, die Benetzbarkeit der Oberfläche mit geschmolzenem Indium, die Bewegungsgeschwindigkeit des Kopfes 3, den Radius R der Endoberfläche des Kopfes 3 und dgl. eingestellt bzw. gesteuert. Durch Anpassung dieser Bedingungen in vorgeschriebenen Bereichen wird das geschmolzene Indium 1 auf das Substrat 4 mit hoher Präzision in einer Linie aufgebracht, die schmaler als 100 Mikrons ist. Das geschmolzene Indium auf dem Substrat 4 wird abgekühlt, weil die Wärme des geschmolzenen Indiums durch das Substrat 4 absorbiert wird, wodurch es sich verfestigt und in der Form verbleibt, in der es aufgebracht worden ist, was zu einem linearen Muster führt, das eine Breite kleiner als 100 Mikrons und einen spezifischen Widerstand von 8_*10^-6 Ω_*cm aufweist. In den Verfahrensschritten wird das geschmolzene Indium 1, während es auf dem Substrat aufgebracht wird und sich verfestigt, nicht oxidiert, da der Raum innerhalb der Abdeckung 6 mit einem inerten Gas gefüllt ist, und es wird kein oxidierender Schlamm in den Rinnen 7 und 8 und auf der Spitze des Kopfes 3 erzeugt. Deshalb wird der Weg von dem Gefäß 2 zu der Spitze des Zeichenkopfes 3 nicht durch das geschmolzene Indium blockiert, so daß eine Unterbrechung des Musters, Variationen in der Breite des Musters oder dgl. vermieden wird.

Während bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Vorrichtung nur einen Zeichenkopf 3 aufweist, kann sie eine Vielzahl von Zeichenköpfen aufweisen. In diesem Fall werden eine Vielzahl von linearen Mustern, die parallel zueinander verlaufen, zur gleichen Zeit gebildet, wodurch die Zeit zur Bildung des Musters reduziert wird.

Während in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform die Spitze des Zeichenkopfes 3 die Oberfläche des Substrats 4 im Falle des Aufbringens von geschmolzenem Indium auf das Substrat berührt, kann die Spitze des Zeichenkopfes 3 auch sehr nahe bzw. dicht an der Oberfläche des Substrats positioniert werden.

Zusätzlich ist das Metall mit dem niedrigen Schmelzpunkt nicht auf Indium beschränkt.

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht einer Solarzelle vom Übergangstyp mikrokristallines/kristallines Silicium gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Fig. 4 weist eine aktive Schicht der Solarzelle 150 eine p-leitende mikrokristalline Siliciumschicht 22 und eine n-leitende kristalline Siliciumschicht 23 auf. Eine lichtdurchlässige Elektrode 21, die von einer sog. ITO-(Indium-Zinn-Oxid)Schicht oder dgl. gebildet ist, ist auf der p-leitenden mikrokristallinen Siliciumschicht 22 angeordnet. Eine p-seitige Elektrode 20, die Indium aufweist, ist auf der lichtdurchlässigen Elektrode 21 angeordnet. Eine n-seitige Elektrode 24, die Aluminium oder dgl. aufweist, ist auf der rückwärtigen Oberfläche der n-leitenden kristallinen Siliciumschicht 23 angeordnet.

Bei dieser Ausführungsform wird unter Verwendung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ein lineares Muster, das Indium aufweist und eine Breite kleiner als 100 Mikrons besitzt, auf der lichtaufnehmenden bzw. Lichtempfangs-Oberfläche der aktiven Schicht gebildet, d. h. auf der lichtdurchlässigen Elektrode 21, wodurch die p-seitige Elektrode 20 hergestellt ist. Die lichtdurchlässige Elektrode 21 wird somit nicht über den Schmelzpunkt des Indiums, d. h. 156,6°C erwärmt, so daß die aktive Schicht somit nicht über diese Temperatur erwärmt wird und die pn-Übergangsstelle zwischen der p-leitenden mikrokristallinen Siliciumschicht 22 und der n-leitenden kristallinen Siliciumschicht 23 nicht zerstört wird. Da zusätzlich die Breite der p-seitigen Elektrode kleiner als 100 Mikrons ist und der spezifische Widerstand davon in der Größenordnung von 10^-6 Ω_*cm liegt, wird der effektive leistungserzeugende Bereich 25 vergrößert, wodurch die Leistungserzeugung in der aktiven Schicht gesteigert ist und der erzeugte Strom mit hoher Effizienz entnommen wird.

Während bei der oben beschriebenen Ausführungsform Indium als Metall mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet wird, können selbstverständlich auch andere Metalle, die einen Schmelzpunkt unterhalb 200°C aufweisen, ebenso benutzt werden. Zusätzlich können Indium-Zinn-Legierungen, Indium-Blei-Legierungen oder dgl. verwendet werden, solange ihr Mischungsverhältnis so gewählt ist, daß ihr Schmelzpunkt unterhalb 200°C liegt.

Die Fig. 6 ist eine schematische Abbildung, die ein Solarzellenmodul in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In der Fig. 6 weist das Solarzellenmodul 300 Solarzellen 200a, 200b und 200c auf, die miteinander über Cu-Drähte 26 elektrisch verbunden sind.

Die Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Struktur der Solarzelle 200a (200b, 200c) gemäß Fig. 6 detaillierter zeigt. Die Solarzelle 200 gemäß Fig. 5 ist grundsätzlich identisch mit der in Fig. 4 gezeigten Solarzelle 150, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 4 die gleichen oder entsprechenden Teile bezeichnen.

In der Solarzelle 200 weist eine auf der lichtaufnehmenden Oberfläche der aktiven Schicht angeordnete Elektrode eine Vielzahl von linearen Elektroden 20a, die parallel zueinander verlaufen, und eine lineare Elektrode 20b auf, die die Elektroden 20a schneidet. Die Elektroden 20a weisen eine Indiumlegierung, wie z. B. eine Indium-Zinn-Legierung (In-Sn-Legierung) oder eine Indium-Blei-Legierung (In-Pb-Legierung) auf, die im Vergleich zu der Indium-Legierung für die Elektrode 20b einen unterschiedlichen Schmelzpunkt und ein unterschiedliches Mischungsverhältnis haben. Im einzelnen ist der Schmelzpunkt der Indium-Legierung für die Elektrode 20b niedriger als der Schmelzpunkt der Indium-Legierung für die Elektroden 20a. Diese Elektroden 20a und 20b werden in der gleichen Weise gebildet, wie bei der Ausführungsform, bei der die Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendet wird. Die Breite jeder einzelnen Elektrode ist kleiner als 100 Mikrons. Zusätzlich ist ein Ende des Cu-Drahtes mit der Elektrode 20b durch herkömmliche Verbindungs- bzw. Lötmittel verbunden, wobei das andere Ende davon mit einer Elektrode auf der rückwärtigen Oberfläche der benachbarten Zelle, wie in der Fig. 6 gezeigt, verbunden ist. Die Fig. 3a zeigt zusätzlich eine Beziehung zwischen dem Mischungsverhältnis und dem Schmelzpunkt der In-Sn-Legierung, und Fig. 3b zeigt eine Beziehung zwischen dem Mischungsverhältnis und dem Schmelzpunkt der Pb-In-Legierung. Wie in den Fig. 3a und 3b gezeigt, können die Schmelzpunkte dieser Indium-Legierungen in vielfältiger Weise variiert werden, ohne 200°C zu überschreiten.

Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Indium-Legierung mit dem höheren Schmelzpunkt für die linearen Elektroden 20a verwendet, die zuerst auf der aktiven Schicht ausgebildet werden, und die Indium-Legierung mit dem niedrigeren Schmelzpunkt wird für die linearen Elektroden 20b verwendet, die als zweites gebildet werden. Wenn die Elektrode 20b dann über den Elektroden 20a ausgebildet wird, werden die Elektroden 20a nicht erneut geschmolzen, was zu einem verbesserten Elektrodenmuster ohne Bruchstellen führt. Da die Schmelzpunkte der oben beschriebenen Indium-Legierungen darüber hinaus unterhalb 200°C liegen, wird eine p-n-Übergangsstelle bzw. ein p-n-Übergangsbereich innerhalb der Zelle nicht zerstört, was eine Verschlechterung der Bauelementscharakteristik verhindert.

Wird der Cu-Draht 26 mit der Elektrode 20b mittels Lötmittel verbunden, so sollte der Schmelzpunkt des Lots niedriger als der Schmelzpunkt der Elektrode 20b sein. In diesem Fall wird das Lötmittel bzw. das Lot mit einem Schmelzpunkt unter dem der Elektrode 20b aus herkömmlichen Loten wie z. B. Pb-Sn-Legierungen, Pb-Ag-Legierungen, Bi-Sn-Legierungen und dgl. ausgewählt, wodurch ein Brechen der linearen Elektrode 20b vermieden wird, wenn der Cu-Draht 26 damit verbunden wird.

Während in der oben veranschaulichten Ausführungsform die Indium-Legierung für die Elektroden 20a und 20b verwendet wird, kann jede davon aus Indium mit den gleichen Effekten wie oben beschrieben gebildet werden.

Im folgenden wird eine Beschreibung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. Eine mit dieser Ausführungsform erzielte Solarzellenstruktur ist identisch mit der in Fig. 4 gezeigten Solarzelle. Wenn die in Fig. 4 gezeigte, p-seitige Elektrode 20, die Indium aufweist, ausgebildet wird, werden kugelförmige oder flockenartige Metallteilchen, wie z. B. Ag, Au, Cu, Pt oder dgl., die einen höheren Schmelzpunkt und einen niedrigeren, spezifischen Widerstand als Indium besitzen, in das geschmolzene Indium gemischt. Ein mittlerer Durchmesser der Teilchen sollte 1-10 Mikrons betragen.

Gemäß dieser Ausführungsform ist der spezifische Widerstand pro Volumen des linearen Musters signifikant durch die in das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt gemischten Metallteilchen reduziert, wodurch die Stromdichte in der Elektrode in dem Maße zunimmt, wie das Volumen des linearen Musters abnimmt, mit dem Ergebnis, daß der Leistungsverlust vermindert ist und die Solarzellencharakteristik signifikant verbessert wird.

Die Fig. 7 stellt eine perspektivische Ansicht dar, die eine Vorrichtung zur Herstellung eines linearen Musters in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 7 ist ein Substrat 39, auf der ein lineares Muster gebildet wird, auf einem auf einer Bodenplatte 41 der Vorrichtung 400 angeordneten Objektträger 40 aufgelegt. Ein Gefäß 30 ist mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt wie z. B. Indium gefüllt und auf einer vorgeschriebenen Temperatur warm gehalten, um das Metall in seinem geschmolzenen Zustand zu halten. Das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt in dem Gefäß 30 wird durch eine Kapillarwirkung zu dem Zeichenkopf 32 befördert. Der Zeichenkopf 32 wird ebenso auf einer vorgeschriebenen Temperatur warmgehalten. Das Gefäß 30 und der Zeichenkopf 32 bilden eine Musterzeicheneinheit 31. Ein Y-Richtungs-Antriebsmotor 33 ist am Musterzeichengerät 31 befestigt und bewegt sich entlang einer Stange 37. Ein gleitend verschiebbares Bauteil 36 bzw. ein Schlitten ist an einem Ende der Stange 37 befestigt und bewegt sich entlang einer Halteachse 35, die die Stange 37 in einem rechten Winkel schneidet. Ein X-Richtungs-Antriebsmotor 34 ist an dem gegenüberliegenden Ende der Stange 37 befestigt und bewegt sich entlang der Stange 38, die die Stange 37 in einem rechten Winkel schneidet. Der Y-Richtungs-Antriebsmotor 33 und der X-Richtungs-Antriebsmotor 34 werden durch einen Rechner 43 extern angesteuert. Der Aufbau des Zeichenkopfes 32 ist im wesentlichen der gleiche wie derjenige des in Fig. 2 gezeigten Zeichenkopfs 3. Der Rechner 43 steuert die Erwärmung des Gefäßes 30 und des Zeichenkopfes 32. Zusätzlich wird gasförmiger Stickstoff durch ein Stickstoffgaseinlaß 44 in das Gefäß 30 eingelassen, um einen Druck auf das geschmolzene Metall in dem Gefäß 30 auszuüben, wobei das geschmolzene Metall durch Kapillarwirkung dem Zeichenkopf 32 zugeführt wird. Gasförmiger Stickstoff wird ebenfalls in den Kasten 42 durch ein Stickstoffgaseinlaß 45 eingelassen.

Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mit dem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt gefüllte Gefäß 30 und der Zeichenkopf 32 zu einer Muster-Zeicheneinheit 31 vereinigt, und die Bewegung und die Erwärmung der Muster-Zeicheneinheit 31 werden in Übereinstimmung mit den in dem Rechner 43 gespeicherten Programmen gesteuert. Das zu bildende Muster und die Aufbringungszustände und -bedingungen des geschmolzenen Metalls werden somit einfach und schnell abgeändert, so daß die Produktionsausbeute verbessert wird, wenn verschiedene Arten von linearen Mustern in jeweils kleinen Losen ausgebildet werden. Zusätzlich kann das Material des Musters lediglich durch Austauschen der Muster-Zeicheneinheit 31 geändert werden, was die Auswechselschwierigkeiten des Materials vermindert.

Während in der oben beschriebenen Ausführungsform die Bewegung der Muster-Zeicheneinheit 31 durch den Rechner 43 gesteuert wird, kann auch die Bewegung des Substrats 39 oder aber die Bewegungen sowohl von dem Substrat 39 als auch von der Muster-Zeicheneinheit 31 durch den Rechner 43 gesteuert werden. Auch in diesem Fall werden die gleichen Effekte wie oben beschrieben erzielt.

Obwohl Solarzellen vom Übergangstyp mikrokristallines/kristallines Silicium in einer der voran beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wird selbst für den Fall, daß lineare Elektroden auf einer lichtaufnehmenden Oberfläche einer amorphen Silicium-Solarzelle, deren aktive Schicht amorphes Silicium aufweist, gebildet wird, ein Übergangsbereich in der aktiven Schicht nicht zerstört, und es werden die gleichen Effekte erzielt, wie sie in Zusammenhang mit diesen Ausführungsformen beschrieben wurden.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein lineares Muster auf die lichtaufnehmende Oberfläche einer aktiven Schicht oder auf die Oberfläche einer lichtdurchlässigen, auf der aktiven Schicht angeordneten Elektrode ausgebildet. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Herstellung eines linearen Musters der vorliegenden Erfindung kann ebenso auf eine Bildung von Schaltungsmustern auf einem Drucksubstrat oder einem Keramiksubstrat angewendet werden. Auch in diesem Fall werden die gleichen, wie oben beschriebenen Effekte erreicht. Da zusätzlich keine plötzlichen Änderungen der Prozeßtemperatur während der Musterbildung auftreten, werden Deformationen der Substrate oder Keramik-Substrate, auf die gedruckt wird, vermieden.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, wird erfindungsgemäß das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt in seinem geschmolzenen Zustand gehalten, wobei das geschmolzene Metall der Spitze des Zeichenkopfes, die die Oberfläche des Substrats berührt, durch Kapillarwirkung zugeführt wird, woraufhin das geschmolzene Metall auf dem Substrat in einer Linie mit einer Breite unter 100 Mikrons (µm) aufgebracht wird, in dem der Zeichenkopf bewegt wird, wobei abschließend das lineare Muster des geschmolzenen Metalls abgekühlt wird und sich spontan auf dem Substrat verfestigt. Dieses Verfahren kommt ohne eine Anordnung einer Abschirmungsmaske und ohne Brennen des Musters auf dem Substrat, was bei den herkömmlichen Verfahren erforderlich ist, aus. Es wird demgemäß ein lineares Muster mit einer Breite kleiner als 100 Mikrons und einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10^-6 Ω_*cm direkt auf dem Substrat in einem einfachen Verfahrensschritt mit hoher Effizienz ausgebildet, wobei die Produktionsausbeute signifikant verbessert wird.

Da zusätzlich das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet wird, wird ein lineares Muster, das eine Breite kleiner als 100 Mikrons und einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10^-6 Ω_*cm aufweist, in einem Niedrigtemperaturverfahrensschritt unterhalb 450°C herstellbar, so daß Deformationen des Substrats, auf dem das Muster gebildet wird, vermieden werden. Insbesondere dann, wenn das lineare Muster als Elektrode auf einer lichtaufnehmenden Oberfläche einer Solarzelle vom Übergangstyp mikrokristallines/kristallines Silicium oder auf einer amorphen Siliciumsolarzelle gebildet wird, wird der Übergangsbereich in der Solarzelle während der Herstellung nicht zerstört. Da die somit gebildete Elektrode eine Breite kleiner als 100 Mikrons und einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10^-6 Ω_*cm aufweist, nimmt der effektive, leistungserzeugende Bereich der Solarzelle zu und ein in der aktiven Schicht erzeugter Strom wird mit hoher Effizienz entnommen, was zu einer signifikant verbesserten Charakteristik der Solarzelle führt.

Zusätzlich sind das Gefäß zum Halten des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt in seinem geschmolzenen Zustand und der Zeichenkopf zum Aufbringen des geschmolzenen Metalls auf dem Substrat vereinigt, wobei die Bewegung der Einheit durch einen Rechner gesteuert wird. Das zu formende Muster und die Aufbringungsbedingungen des geschmolzenen Metalls können deshalb einfach und schnell durch das in dem Rechner gespeicherte Programm geändert werden, mit dem Ergebnis, daß verschiedene Arten von linearen Mustern mit hoher Effizienz gebildet werden können.

Die Erfindung schafft somit ein Verfahren zur Herstellung eines linearen Musters auf einer Oberfläche, das eine Breite kleiner als 100 Mikrons und einen spezifischen Widerstand in einer Größenordnung von 10^-6 Ω_*cm aufweist. Die Verfahrensschritte beinhalten Schritte zum Halten eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt in seinem geschmolzenen Zustand, zum Zuführen des geschmolzenen Metalls an eine Spitze eines Zeichenkopfes unter Kapillarwirkung, wobei der Zeichenkopf sehr nahe an dem Substrat angeordnet ist oder das Substrat berührt, und einen Schritt, bei dem das geschmolzene Metall auf dem Substrat in einer Linie aufgebracht wird, die eine Breite kleiner als 100 Mikrons aufweist, während die Spitze des Zeichenkopfes bewegt wird. Das lineare Muster des geschmolzenen Metalls wird abgekühlt und verfestigt sich, indem das lineare Muster sich selbst überlassen ist. Ein lineares Muster, das eine Breite kleiner als 100 Mikrons und einen spezifischen Widerstand von 10^-6 Ω_*cm aufweist, wird somit direkt auf dem Substrat in einem einfachen Prozeß mit hoher Effizienz aufgebracht, und die Produktionsausbeute wird signifikant verbessert.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines linearen Musters mit einer Linienstärke unter 100 Mikrons (µm) und einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10^-6 Ω_*cm auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt in einem Gefäß in seinem geschmolzenen Zustand gehalten wird;
das geschmolzene Metall (1) durch Kapillarwirkung einer Spitze eines Zeichenkopfes (3; 32) zugeführt wird, welcher sehr nahe an dem Substrat (4; 39) angeordnet ist oder das Substrat (4; 39) berührt;
das geschmolzene Metall (1) auf das Substrat (4; 39) in einer Linie, die eine Breite kleiner als 100 Mikrons aufweist, aufgebracht wird, während die Spitze des Zeichenkopfes (3; 32) bewegt wird; und
das lineare Muster des geschmolzenen Metalls (1) auf dem Substrat abgekühlt wird, wodurch es sich verfestigt und in der Form verbleibt, in der es aufgebracht worden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt unterhalb 200°C liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt aus In, einer In-Sn-Legierung oder einer In-Pb-Legierung besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes lineares Muster auf dem Substrat (4; 39) gebildet wird und dann ein zweites lineares Muster auf das erste lineare Muster aufgebracht wird, wobei der Schmelzpunkt des niedrigschmelzenden Metalls des zweiten linearen Musters niedriger als der Schmelzpunkt des niedrigschmelzenden Metalls für das erste lineare Muster ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das niedrigschmelzende Metall für das erste und zweite lineare Muster eine In-Sn-Legierung, eine In-Pb-Legierung oder zwei Metalle aufweist, die aus In, einer In-Sn-Legierung und einer In-Pb-Legierung ausgewählt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem niedrigschmelzenden Metall Metallteilchen, die einen höheren Schmelzpunkt und einen niedrigeren, spezifischen Widerstand als die niedrigschmelzenden Metalle aufweisen, zugemischt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen kugelförmige oder flockenartige Teilchen sind, die zumindest eines der Metalle Ag, Au, Cu und/oder Pt aufweisen.

8. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, zur Herstellung von Elektroden bei einer Solarzelle.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
ein Gefäß (2; 30) zum Halten eines Metalls (1) mit niedrigem Schmelzpunkt in seinem geschmolzenen Zustand, wobei das Gefäß einen schmalen Durchgang aufweist, durch den das geschmolzene Metall (1) fließt; und
einen Zeichenkopf (3; 32), der eine dünne, mit dem schmalen Durchgang des Gefäßes (2; 30) verbundene Rinne (7, 8) aufweist, dessen Spitze sehr nahe an dem Substrat (4; 39) angeordnet ist oder das Substrat (4; 39) berührt; wobei
das geschmolzene Metall (1) der Spitze des Zeichenkopfes (3; 32) durch die Rinne (7, 8) durch Kapillarwirkung zugeführt und dann auf die Oberfläche des Substrats (4; 39) aufgebracht wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (2; 30) und der Zeichenkopf (3; 32) vereinigt sind, um eine Muster-Zeicheneinheit (31) zu bilden, wobei zumindest eine der Komponenten Muster-Zeicheneinheit (31) und Substrat (4; 39) in einer vorgeschriebenen Richtung durch Steuerung mittels eines Rechners (43) bewegt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zeichenköpfe vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt des Zeichenkopfes (3; 32), der die Oberfläche des Substrats (4; 39) berührt, einen runden Bogenabschnitt bzw. Kreisbogenabschnitt oder einen eliptischen Bogenabschnitt aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeichenkopf (3; 32) und die Oberfläche des Substrats (4; 39) in einer inerten Atmosphäre vorliegen.

14. Solarzelle, mit
einer aktiven Schicht, die mindestens eine p-leitende Schicht (22) und eine n-leitende Schicht (23) aufweist; und
Elektroden zur Entnahme des in der aktiven Schicht erzeugten Stromes, die auf der gegenüberliegenden Oberfläche zu beiden Seiten der aktiven Schicht angebracht sind, wobei
eine dieser Elektroden, die auf einer lichtaufnehmenden Oberfläche der aktiven Schicht aufgebracht ist, ein lineares Muster aufweist, das von einem niedrigschmelzenden Metall gebildet ist und eine Stärke bzw. Breite unter 100 Mikrons und einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10^-6 Ω_*cm besitzt,
dadurch gekennzeichnet, daß
das lineare Muster ein erstes lineares, auf die lichtaufnehmende Oberfläche der aktiven Schicht aufgebrachtes Muster und ein zweites lineares, auf das erste lineare Muster aufgebrachte Muster aufweist, wobei das zweite Muster von einem niedrigschmelzenden Metall gebildet ist, das einen Schmelzpunkt hat, der niedriger als der Schmelzpunkt des niedrigschmelzenden Metalls liegt, das das erste Muster bildet.

15. Solarzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das lineare Muster als Linie ausgebildet ist.

16. Solarzelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht mikrokristallines Silicium oder amorphes Silicium aufweist, und daß der Schmelzpunkt des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt unterhalb 200°C liegt.

17. Solarzelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall (1) mit niedrigem Schmelzpunkt aus In, einer In-Sn-Legierung oder einer In-Pb-Legierung besteht.

18. Solarzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt des ersten und zweiten linearen Musters aus einer In-Sn-Legierung, einer In-Pb-Legierung oder von zwei Metallen gebildet sind, die aus In, In-Sn-Legierung und In-Pb-Legierung ausgewählt sind.

19. Solarzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in das niedrigschmelzende Metall Metallteilchen, die einen höheren Schmelzpunkt und einen niedrigeren spezifischen Widerstand als das niedrigschmelzende Metall aufweisen, eingemischt werden.