EP2218106A2 - Verfahren zur metallisierung von solarzellen, hotmelt-aerosol-tinte und aerosol-jet-drucksystem - Google Patents

Verfahren zur metallisierung von solarzellen, hotmelt-aerosol-tinte und aerosol-jet-drucksystem

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Publication number
EP2218106A2
EP2218106A2 EP08856298A EP08856298A EP2218106A2 EP 2218106 A2 EP2218106 A2 EP 2218106A2 EP 08856298 A EP08856298 A EP 08856298A EP 08856298 A EP08856298 A EP 08856298A EP 2218106 A2 EP2218106 A2 EP 2218106A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
aerosol
hotmelt
ink
jet printing
printing system
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08856298A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias HÖRTEIS
Philipp Richter
Stefan Glunz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2218106A2 publication Critical patent/EP2218106A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D11/00—Inks
    • C09D11/30—Inkjet printing inks
    • C09D11/34—Hot-melt inks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D11/00—Inks
    • C09D11/52—Electrically conductive inks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a novel process for applying conductive structures to solar cells, wherein a hot-melt aerosol ink is atomized by means of an aerosol-jet printing system and discharged out of the printing system in the direction of the solar cell, the printing system being heated at least partially, to keep the viscosity of the ink used low.
  • a hot-melt aerosol ink is atomized by means of an aerosol-jet printing system and discharged out of the printing system in the direction of the solar cell, the printing system being heated at least partially, to keep the viscosity of the ink used low.
  • the non-heated substrate solar cell
  • the contact area For conductive contacts on solar cells, especially at front side contacts, it is desirable to keep the contact area as low as possible and at the same time the electrical conductivity of the contact grid high.
  • a small contact surface prevents too much shadowing and reduces the recombination of charge carriers.
  • Good conductivity of the contact grille reduces the electrical losses. Both can be achieved by making a printed contact as narrow as possible and at the same time as high as possible. The ratio of height to width is called the aspect ratio.
  • hotmelt pastes can be used. These are screen-printing pastes which are highly viscous at room temperature and low viscosity at higher temperatures 40 0 C to 90 0 C. This is achieved by replacing the solvent of the pastes with a thermoplastic polymer system. Hotmelt pastes are used for metallization in screen printing and pad printing.
  • a very narrow and also flat metal layer is printed, which is galvanically reinforced in a second step.
  • seed layer is printed, which is galvanically reinforced in a second step.
  • the seed layer is printed very narrow.
  • the narrower the seed layer the better the aspect ratio can be better.
  • line widths of less than 20 ⁇ m can be realized. However, these only have a height of a maximum of 2 microns.
  • the aerosol jet technique is an inkjet process that makes it possible to print flat and thin lines.
  • the technique is used to create thin metal contacts (contact width 20 ⁇ m to 60 ⁇ m, contact height ⁇ 2 ⁇ m) in a single pass. These thin metal contacts serve as a seed layer for galvanic reinforcement.
  • these contact widths (20 ⁇ m to 60 ⁇ m) can only be achieved if the substrate is heated to well above room temperature (FIGS. 1 and 2). Heating causes the solvent in the aerosol to evaporate after impact with the substrate, drying the ink and preventing it from running on the substrate.
  • Temperatures of 100 0 C to 200 0 C are to neces- dig. This high substrate temperature hindered or hitherto hindered industrial use of the printing process, since the cycle times are lower than at a pressure at room temperature. Furthermore, there is always an increased safety risk with the combination of solvents and high temperatures.
  • Claim 18 provides a hot-melt aerosol ink which has advantageous properties in the metallization process.
  • an inventive aerosol jet printing system for the metallization of solar cells is specified.
  • the inventive method thus relates to a
  • Method for applying conductive structures to solar cells in which by means of an aerosol-jet printing system, a conductive contact is applied to the substrate surface of the solar cell, wherein a hot-melt aerosol ink is atomized and at least partially heated the aerosol-jet printing system is comprising with the proviso that the used hot melt aerosol ink has a viscosity ⁇ ⁇ 1 Pas at a temperature of at least 40 0 C.
  • Hot melt aerosol ink in the aerosol jet printing system is atomized at elevated temperatures so that the ink has a defined, advantageous viscosity that allows favorable atomization of the ink.
  • the viscosity must be at least 40 ° C. ⁇ 1 Pas.
  • the thus atomized ink is discharged in the direction of the solar cell (substrate) from the aerosol-jet printing system. Upon impact with the substrate, the ink is flash precipitated and solidifies there.
  • the metal contact formed thereby is characterized by an excellent aspect ratio (height to width) of 1: 3 to 1:10, preferably from 1: 3 to 1: 5.
  • the hotmelt aerosol ink used is chosen from its composition and viscosity adjustment so that the stated in claim 1 viscosity of ⁇ ⁇ 1 Pas at least 40 0 C can be achieved.
  • the hotmelt aerosol ink used contains 50 to 90% by weight of conductive particles as a solid, which are dispersed in a thermoplastic compound. In order to be able to form defined contacts, it is preferred if the conductive particles used have a diameter d 90 smaller than 500 nm.
  • the ink may further contain further solids, in particular metal oxides and / or glass frits.
  • thermoplastic compound of the ink in which the solids are dispersed are in particular one or more C 14 - to C 2 o alcohols and / or thermoplastic polymers.
  • C i4 -C 6 alcohols are preferred.
  • the ink which is preferably used in the process is defined in particular by the following formulation: a) 50 to 90% by weight of solids comprising metal particles, metal oxides and / or glass frits, b) 10 to 20% by weight of a Ci 4 to C 2 o linear alcohol as a thermoplastic compound, c) from 10 to 30% by weight of a solvent and d) from 0.01 to 1% by weight of additives, the sum of the individual formulation constituents a) to d) being 100 Wt .-% is.
  • the ink used is formulated so that problem-free atomization at elevated temperature in the system is possible.
  • the ink must have a viscosity ⁇ of ⁇ 200 Pas at room temperature in order to avoid bleeding on the substrate.
  • Favorable viscosity at room temperature is between 200 and 5000 Pas, more preferably between 200 and 500 Pas.
  • the system to be used in this case comprises at least one atomizer, a concentrator (Virtual Impactor) and a printhead, as known from the prior art. According to the invention it is now provided to partially heat at least one of these components of the aerosol-jet printing system to the desired
  • the atomizer with a Zerstäubergas which is heated to 70 to 100 0 C, operated.
  • the ink should be within the printing system on a Temperature of 40 to 70 0 C are kept. For this purpose it is favorable when the concentrator (virtual impactor), the print head and the individual components connecting transport hoses at a temperature of 50 to 100 0 C are maintained.
  • the method thus makes it possible to apply conductive contacts, in particular metallizations, to solar cells. Due to the particularly advantageous aspect ratio of the applied metallizations, the method is preferably suitable for applying front side contacts to solar cells.
  • the substrate surface is formed in particular from silicon or glass in the coated or uncoated state, for example with SiO 2 , SiN x , TCO, ⁇ -Si, TiO 2 .
  • the preferred aspect ratio is 1: 3 to 1:10, preferably 1: 3 to 1: 5.
  • the substrate surface of the solar cell does not have to be heated or is cooled. It is essential here that the temperature of the substrate surface is such that a solidification of the ink used occurs when hitting the substrate in the shortest possible time.
  • a galvanic thickening or reinforcement preferably by galvanization with silver and / or copper, is carried out.
  • the invention further relates to a hot-melt aerosol ink as described above.
  • the targeted control of the viscosity is effected in particular by the amount and type of thermoplastic polymer used.
  • the viscosity ⁇ is at RT ⁇ 200 Pas, preferably it is in the range of 200 to 5000 Pas, more preferably in the range of 200 to 500 Pas.
  • the metal particles used are in particular selected from the group consisting of silver, nickel, tin, zinc, chromium, cobalt, tungsten, titanium and / or mixtures thereof.
  • metal oxides lead oxide, bismuth oxide, titanium oxide, aluminum oxide, magnesium oxide and / or mixtures thereof are present in the ink.
  • thermoplastic compounds are selected from the group consisting of Ci 6 to C 2O , preferably Ci 4 -Ci e linear aliphatic alcohols and / or polyhydric alcohols, such as hexane-1,6-diol.
  • the solvent contained in the ink is selected from glycol ether, M-methylpyrolidone, 2- (2-butoxyethoxy) ethanol and / or mixtures thereof. It is further preferred if the hot-melt aerosol ink contains dispersants and / or defoamers as additives.
  • an aerosol-jet printing system comprising at least one atomizer, a concentrator and a print head as well as connection tubes connecting these components
  • the pressure system according to the invention is characterized in that at least one of the aforementioned components is heatable, it is preferred if all components are designed to be heated.
  • Example of a hotmelt aerosol ink according to the invention is a hotmelt aerosol ink according to the invention.
  • Composition in percent by weight (wt .-%): solids content (metal powder, metal oxides, glass frit) 70.5 wt .-%, long-chain alcohol C i4 + 10.5 wt .-%, solvent with low vapor pressure (glycol ether) 19 wt %, Dispersant 0.5% by weight.
  • FIG. 1 shows a conventional aerosol jet Printing system using a heated substrate
  • Figure 2 shows the result of a conventional, known from the prior art
  • Figure 3 is a schematic representation of an aerosol jet printing system according to the invention.
  • FIG. 4 shows the result of the invention
  • FIG. 1 shows a prior art aerosol jet printing device 1, wherein the atomizer 2 (atomizer) is operated with a nebulizer gas.
  • the aerosol generated in the Virtual Impacter 3 is discharged via the printhead 4, to which additionally a focusing gas is added, via a nozzle 5 in the direction of the heated substrate 6.
  • a focusing gas is added, via a nozzle 5 in the direction of the heated substrate 6.
  • the temperature of the substrate 6 is normally 150 ° C.
  • FIG. 3 shows schematically the structure of an aerosol-jet printing apparatus 9 according to the invention, by means of which the method according to the invention can also be explained in more detail.
  • the nebulizer 10 (atomizer) described here is heated and supplied with the aerosol jet ink according to the invention. That the atomizer supplied 10 is also heated to a temperature between 70 and 100 0 C.
  • the generated aerosol is fed to the likewise heated Virtual Impactor 11, wherein the tubes connecting the components and feeds or supply lines are also heated to an operating temperature of about 60 ° C.
  • the focusing or sheath gas supplied to the likewise heated print head 12 does not have to be heated, so that the focusing or sheath gas contributes to the cooling of the heated aerosol and its viscosity is increased on the way to the substrate 13.
  • FIG. 4 shows the results which can be achieved in the metallization of solar cells by the method according to the invention. Compared to Figure 2, the significantly improved aspect ratio can be seen.
  • the metallizations achieved here are much higher than those shown in FIG. 2 and have an excellent aspect ratio, so that a significantly improved current conduction and contact formation is possible.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zum Aufbringen von leitfähigen Strukturen auf Solarzellen, wobei mittels eines Aerosol-Jet-Drucksystems eine Hotmelt -Aerosol -Tinte zerstäubt und in Richtung der Solarzelle aus dem Drucksystem ausgetragen wird, wobei das Drucksystem mindestens teilweise beheizt wird, um die Viskosität der eingesetzten Tinte niedrig zu halten. Beim Auf treffen auf das nicht beheizte Substrat (Solarzelle) erstarrt die Tinte.

Description

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 089PCT 1566
Verfahren zur Metallisierung von Solarzellen, Hot- melt-Aerosol-Tinte und Aerosol -Jet-Drucksystem
Vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfah- ren zum Aufbringen von leitfähigen Strukturen auf Solarzellen, wobei mittels eines Aerosol-Jet-Drucksystems eine Hotmelt-Aerosol -Tinte zerstäubt und in Richtung der Solarzelle aus dem Drucksystem ausgetragen wird, wobei das Drucksystem mindestens teilweise beheizt wird, um die Viskosität der eingesetzten Tinte niedrig zu halten. Beim Auftreffen auf das nicht beheizte Substrat (Solarzelle) erstarrt die Tinte.
Für leitfähige Kontakte auf Solarzellen, besonders bei Vorderseitenkontakten ist es erstrebenswert, die Kontaktfläche möglichst gering und gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit des Kontaktgitters hoch zu halten. Eine geringe Kontaktfläche verhindert eine zu große Abschattung und reduziert die Rekombination von Ladungsträgern. Eine gute Leitfähigkeit des Kontakt- gitters reduziert die elektrischen Verluste. Beides kann erreicht werden, indem ein gedruckter Kontakt möglichst schmal und gleichzeitig möglichst hoch geformt ist. Das Verhältnis aus Höhe zu Breite wird als Aspektverhältnis bezeichnet.
Überwiegend werden Solarzellen mittels Siebdruck metallisiert. Dabei wird eine Metallpaste durch ein Sieb gepresst, so dass entsprechend der Öffnung im Sieb, die Metallpaste auf das Substrat übertragen wird. Dabei werden Linienbreiten von 60 μm bis 120 μm erreicht, die eine Höhe von 10 bis 20 μm besitzen. Die Linienbreiten sind dabei etwa 5 μm bis 15 μm breiter als die Öffnung im Sieb. Ein leichtes Verlau- fen der Paste wird akzeptiert. Siebdruckpasten verwenden Partikelgrößen zwischen d=l μm und 10 μm.
Um ein Verlaufen nahezu vollständig zu verhindern, können Hotmelt-Pasten zum Einsatz kommen. Bei diesen handelt es sich um Siebdruck-Pasten, die bei Raumtemperatur hochviskos und bei höheren Temperaturen 40 0C bis 90 0C niederviskos werden. Dies wird erreicht, indem das Lösemittel der Pasten durch ein thermoplastisches Polymersystem ersetzt wird. Hotmelt-Pasten werden zur Metallisierung beim Siebdruck und Tampondruck eingesetzt.
Eine weitere Möglichkeit, ein gutes Aspektverhältnis zu erzielen, besteht darin, den Kontakt in zwei Schritten aufzubauen. In einem ersten Schritt wird eine sehr schmale und auch flache Metallschicht (Saatschicht) gedruckt, die in einem zweiten Schritt, galvanisch verstärkt wird. Um ein gutes Aspektverhältnis des galvanisch verstärkten Kontaktes zu er- reichen, ist es notwendig, die Saatschicht sehr schmal zu drucken. Je schmaler die Saatschicht, desto besser kann das Aspektverhältnis werden. Mit der bestehenden Aerosol-Jet-Technik sind Linienbreiten von unter 20 μm realisierbar. Jedoch haben diese lediglich eine Höhe von maximal 2 μm. Aerosol-Jet-Tinten zeichnen sich durch eine niedrige Viskosität aus, so dass sie leicht zerstäubt werden können. Aerosol - Tinten beinhalten ein Lösemittel mit einem niedrigen Dampfdruck und Viskosität. Die Viskosität der Tinten liegt bei Raumtemperatur typischerweise unter η = 1 Pas.
Beim Druck von Metallkontakten auf Substraten, wie z.B. Silizium-Solarzellen oder Glas, kommt es aufgrund der Viskosität der Tinte zu einem Auseinander- laufen und damit zu einer Verbreiterung der gedruckten Linie. Besonders deutlich ist dies bei kontaktlosen Druckverfahren wie InkJet- oder Aerosol -Jet- Techniken, aber auch bei berührenden Verfahren wie Tampondruck oder Siebdruck. Das Verlaufen der Linien bewirkt darüberhinaus eine geringe Auftragshöhe und damit ein ungünstiges Aspektverhältnis .
Die Aerosol-Jet-Technik ist ein InkJet-Verfahren, mit dem es möglich ist, flache und dünne Linien zu dru- cken. Die Technik wird eingesetzt, um dünne Metall - kontakte (Kontaktbreite 20 μm bis 60 μm, Kontakthöhe < 2 μm) in einem einzelnen Druckdurchgang zu erstellen. Diese dünnen Metallkontakte dienen als Saatschicht für die galvanische Verstärkung. Diese Kon- taktbreiten (20 μm bis 60 μm) können jedoch nur erreicht werden, wenn das Substrat auf weit über Raumtemperatur geheizt wird (Figur 1 und 2) . Das Heizen bewirkt, dass das Lösemittel im Aerosol nach dem Auf- treffen auf das Substrat verdunstet, die Tinte trock- net und auf dem Substrat nicht mehr verlaufen kann. Temperaturen von 100 0C bis 200 0C sind dazu notwen- dig. Diese hohe Substrattemperatur erschwert bzw. verhindert bisher einen industriellen Einsatz des Druckverfahrens, da die Taktzeiten niedriger sind als bei einem Druck bei Raumtemperatur. Weiterhin besteht bei der Kombination aus Lösemittel und hohen Temperaturen immer ein erhöhtes Sicherheitsrisiko.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein optimiertes Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Strukturen auf Solarzellen bereitzustellen, das eine automatisierte und reproduzierbare Aufbringung von Metallisierungen auf Solarzellen ermöglicht. Insbesondere soll dabei ein vorteilhaftes Aspektverhältnis des aufgebrachten Kontaktes ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Mit Patentanspruch 18 wird eine Hotmelt-Aerosol-Tinte bereitgestellt, die vorteilhafte Eigenschaften beim Metallisierungs- prozess aufweist. In Patentanspruch 27 ist ein erfindungsgemäßes Aerosol-Jet-Drucksystem für die Metallisierung von Solarzellen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft somit ein
Verfahren zum Aufbringen von leitfähigen Strukturen auf Solarzellen, bei dem mittels eines Aerosol-Jet- Drucksystems ein leitfähiger Kontakt auf die Substratoberfläche der Solarzelle aufgebracht wird, wo- bei eine Hotmelt-Aerosol-Tinte zerstäubt wird und das Aerosol-Jet-Drucksystem mindestens teilweise beheizt wird, mit der Maßgabe, dass die eingesetzte Hotmelt- Aerosol-Tinte eine Viskosität η ≤ 1 Pas bei einer Temperatur von mindestens 40 0C aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit eine Hotmelt-Aerosol-Tinte im Aerosol -Jet-Drucksystem bei erhöhten Temperaturen zerstäubt, so dass die Tinte eine definierte, vorteilhafte Viskosität aufweist, die eine günstige Zerstäubung der Tinte ermöglicht. Erfindungsgemäß muss die Viskosität bei mindestens 40 0C ≤ 1 Pas sein. Im Folgenden wird die so zerstäubte Tinte in Richtung der Solarzelle (Substrat) aus dem Aerosol-Jet-Drucksystem ausgetragen. Beim Auftreffen auf das Substrat wird die Tinte schlagar- tig abgekühlt und erstarrt dort.
Der dadurch gebildete Metallkontakt zeichnet sich nun durch ein ausgezeichnetes Aspektverhältnis (Höhe zu Breite) von 1:3 bis 1:10, bevorzugt von 1:3 bis 1:5 aus.
Für das Verfahren ist es dabei wichtig, dass die eingesetzte Hotmelt-Aerosol-Tinte von ihrer Zusammensetzung und Viskositätseinstellung so gewählt ist, dass die in Anspruch 1 angegebene Viskosität von η ≤ 1 Pas bei mindestens 40 0C erreicht werden kann.
Die eingesetzte Hotmelt-Aerosol-Tinte enthält dabei 50 bis 90 Gew.-% leitfähige Partikel als Feststoff, die in einer thermoplastischen Verbindung dispergiert sind. Um definierte Kontakte bilden zu können, ist es bevorzugt, wenn die eingesetzten leitfähigen Partikel einen Durchmesser d90 kleiner 500 nm aufweisen. Die Tinte kann weiterhin weitere Feststoffe, wie insbe- sondere Metalloxide und/oder Glasfritten enthalten.
Die thermoplastische Verbindung der Tinte, in dem die Feststoffe dispergiert sind, sind insbesondere ein oder mehrere C14- bis C2o-Alkohole und/oder thermo- plastische Polymere. Bevorzugt sind Ci4-Ci6-Alkohole . Die Tinte, die bevorzugt beim Verfahren verwendet wird, ist insbesondere durch folgende Formulierung definiert: a) 50 bis 90 Gew.-% Feststoffe, umfassend Metallpar- tikel, Metalloxide und/oder Glasfritten, b) 10 bis 20 Gew.-% eines Ci4- bis C2o~ linearen Alkohols als thermoplastische Verbindung, c) 10 bis 30 Gew.-% eines Lösemittels und d) 0,01 bis 1 Gew.-% Additive, wobei die Summe der einzelnen Formulierungsbestandteile a) bis d) 100 Gew.-% beträgt.
Wie bereits ausgeführt, ist es für das Verfahren wichtig, dass die eingesetzte Tinte so formuliert ist, dass ein problemloses Zerstäuben bei erhöhter Temperatur im System möglich ist.
Es konnte gezeigt werden, dass die Tinte bei Raumtemperatur eine Viskosität η von ≥ 200 Pas aufweisen muss, um ein Verlaufen auf dem Substrat zu vermeiden.
Günstige Viskosität bei Raumtemperatur liegt zwischen 200 und 5000 Pas, besonders bevorzugt zwischen 200 und 500 Pas.
Das zu verwendende System umfasst dabei mindestens einen Zerstäuber, einen Konzentrator (Virtual impac- tor) und einen Druckkopf, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, mindestens eine dieser Komponenten des Aerosol-Jet- Drucksystems teilweise zu beheizen, um die gewünschte
Eigenschaft zu erhalten. Hierbei kann der Zerstäuber mit einem Zerstäubergas, das auf 70 bis 100 0C beheizt ist, betrieben werden.
Die Tinte sollte innerhalb des Drucksystems auf eine Temperatur von 40 bis 70 0C gehalten werden. Dazu ist es günstig, wenn der Konzentrator (Virtual impactor) , der Druckkopf sowie die die einzelnen Bauteile verbindenden Transportschläuche auf einer Temperatur von 50 bis 100 0C gehalten werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das eingesetzte Aerosol-Jet-Drucksystem vollständig beheizbar ausgebildet ist.
Mit dem Verfahren ist es somit möglich, leitfähige Kontakte, insbesondere Metallisierungen, auf Solarzellen aufzubringen. Durch das besonders vorteilhafte Aspektverhältnis der aufgebrachten Metallisierungen eignet sich das Verfahren vorzugsweise zur Aufbringung von Vorderseitenkontakten auf Solarzellen.
Die Substratoberfläche ist dabei insbesondere aus Silizium oder Glas im beschichteten oder unbeschichte- ten Zustand, z.B. mit SiO2, SiNx, TCO, α-Si, TiO2, gebildet.
Das bevorzugte Aspektverhältnis beträgt dabei 1:3 bis 1:10, bevorzugt 1:3 bis 1:5.
Weiterhin ist es vorteilhaft, bei vorliegendem Verfahren, dass die Substratoberfläche der Solarzelle nicht beheizt werden muss oder gekühlt wird. Essentiell ist hierbei, dass die Temperatur der Substrat- Oberfläche so liegt, dass ein Erstarren der eingesetzten Tinte beim Auftreffen auf das Substrat in möglichst kurzer Zeit erfolgt.
Im Anschluss an die im Voranstehenden beschriebene Art der Herstellung der Metallisierung kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, zur Verfestigung oder Verstärkung und/oder zur Erhöhung der Leitfähigkeit der aufgetragenen Metallisierungsstruktur eine galvanische Verdickung oder Verstärkung, bevorzugt durch Galvanisierung mit Silber und/oder Kupfer, durchge- führt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Hotmelt- Aerosol-Tinte wie vorstehend beschrieben.
Die gezielte Steuerung der Viskosität erfolgt insbesondere durch die Menge und Art des eingesetzten thermoplastischen Polymers. Die Viskosität η beträgt dabei bei RT ≥ 200 Pas, bevorzugt liegt sie im Bereich von 200 bis 5000 Pas, besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 500 Pas.
Die zum Einsatz kommenden Metallpartikel sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silber, Nickel, Zinn, Zink, Chrom, Cobalt, Wolfram, Ti- tan und/oder deren Mischungen.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn insbesondere die Metalloxide Bleioxid, Bismuthoxid, Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und/oder deren Mischungen in der Tinte enthalten sind.
Insbesondere sind dabei die thermoplastischen Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ci6 bis C2O, bevorzugt Ci4-Cie linearen aliphatischen Alko- holen und/oder mehrwertigen Alkohole, wie Hexan- 1,6- diol.
Bevorzugt ist das in der Tinte enthaltene Lösemittel ausgewählt aus Glykolether, M-Methylpyrolidon, 2- (2- Butoxyethoxy) ethanol und/oder deren Mischungen. Weiter ist es bevorzugt, wenn die Hotmelt-Aerosol- Tinte als Additive Dispergiermittel und/oder Entschäumer enthält .
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Aerosol-Jet-Drucksystem, umfassend mindestens einen Zerstäuber, einen Konzentrator und einen Druckkopf sowie diese Bestandteile verbindende Verbindungsschlauche bereitgestellt, wobei sich das erfindungsgemäße Drucksystem dadurch auszeichnet, dass zumindest einer der zuvor genannten Bestandteile beheizbar ausgebildet ist, bevorzugt ist es, wenn alle Komponenten beheizbar ausgebildet sind.
Vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden, beispielhaften Beschreibung sowie den beigefügten Figuren näher erläutert, ohne die Beschreibung auf die dort genannten speziellen Ausführungsformen zu beschränken.
Beispiel für eine erfindungsgemäße Hotmelt-Aerosol- Tinte:
Zusammensetzung in Gewichtsprozent (Gew.-%) : Fest- stoffanteil (Metallpulver, Metalloxide, Glasfritte) 70,5 Gew.-%, langkettiger Alkohol Ci4 + 10,5 Gew.-%, Lösemittel mit niedrigem Dampfdruck (Glykolether) 19 Gew.-%, Dispergiermittel 0,5 Gew.-%.
Mit der vorstehend beschriebenen Hotmelt-Aerosol-
Tinte wurde ein wie in Figur 4 schematisch abgebildetes Aerosol-Jet-Drucksystem betrieben.
Es zeigt
Figur 1 ein konventionelles Aerosol-Jet- Drucksystem, bei dem ein geheiztes Substrat verwendet wird,
Figur 2 das Ergebnis eines konventionellen, aus dem Stand der Technik bekannten
Aerosol -Jet-Drucks,
Figur 3 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Aerosol-Jet- Drucksystems.
Figur 4 das Ergebnis des erfindungsgemäßen
Aerosol-Jet-Druckverfahrens und
Figur 1 zeigt eine Aerosol-Jet-Druckvorrichtung 1 aus dem Stand der Technik, wobei der Zerstäuber 2 (Atomi- zer) mit einem Zerstäubergas betrieben wird. Das im Virtual Impacter 3 erzeugte Aerosol wird über den Druckkopf 4, dem zusätzlich ein Fokussiergas zugefügt wird, über eine Düse 5 in Richtung des beheizten Substrats 6 ausgetragen. Mit 7 ist dabei ein xy-Tisch bezeichnet. Mit diesem Verfahren sind jedoch nur unzulängliche Ergebnisse erreichbar. Die Temperatur des Substrats 6 beträgt normalerweise 150 0C.
Durch das beheizte Substrat ist nur eine geringe Auftragshöhe (Figur 2) von ca. 2 μm erreichbar und ein schlechtes Aspektverhältnis von < 1:10, da die Tinte verläuft .
Figur 3 zeigt nun schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Aerosol-Jet-Druckvorrichtung 9, anhand deren auch das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden kann. Der hier beschriebene Zerstäuber 10 (Atomizer) ist beheizt und wird mit der erfindungsgemäßen Aerosol-Jet-Tinte versorgt. Das dem Zer- stäuber 10 zugeführte Zerstäubergas ist ebenfalls auf eine Temperatur zwischen 70 und 100 0C beheizt. Das erzeugte Aerosol wird dem ebenfalls beheizten Virtual Impacter 11 zugeführt, wobei die die Bestandteile verbindenden Schläuche und Zuführungen oder Zuleitungen ebenfalls auf eine Betriebstemperatur von ca. 60 0C beheizt werden. Das dem ebenfalls beheizten Druckkopf 12 zugeführte Fokussier- oder Sheathgas muss nicht beheizt werden, so dass das Fokussier- o- der Sheathgas zur Kühlung des beheizten Aerosols beiträgt und dessen Viskosität auf dem Weg zum Substrat 13 erhöht wird. Im deutlichen Unterschied zum Stand der Technik ist hier keine Beheizung des Substrats 13 erforderlich, so dass die erzeugten Aerosoltröpfchen auf dem Weg zum Substrat, spätestens beim Kontakt mit der Substratoberfläche erstarren und ein Zerlaufen unmöglich ist. Durch die in der Tinte enthaltenen langkettigen Alkohole ist ebenso gewährleistet, dass die Aerosoltropfchen bei Erstarren eine gute Adhäsi- onskraft gegen die weiteren schon anhaftenden Partikel aufweisen und somit ein gezieltes Wachstum der aufgebrachten Metallisierung in die Höhe gewährleistet ist, wobei jedoch ein gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessertes Aspektverhältnis ein- gehalten werden kann.
Figur 4 zeigt die Ergebnisse, die bei der Metallisierung von Solarzellen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt werden können. Im Vergleich zu Figur 2 ist das deutlich verbesserte Aspektverhältnis zu erkennen. Die hier erzielten Metallisierungen sind gegenüber den in der Figur 2 dargestellten sehr viel höher und weisen ein exzellentes Aspektverhältnis auf, so dass eine deutlich verbesserte Stromleitung, und Kontaktbildung möglich ist.

Claims

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 079P 1702Patentansprüche
1. Verfahren zum Aufbringen von leitfähigen Strukturen auf Solarzellen, bei dem mittels eines Aerosol-Jet-Drucksystems eine Hotmelt -Aerosol - Tinte zerstäubt wird und dadurch ein leitfähiger Kontakt auf die Substratoberfläche der Solarzelle aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerosol-Jet- Drucksystem mindestens teilweise beheizt wird, mit der Maßgabe, dass die eingesetzte Hotmelt- Aerosol-Tinte eine Viskosität η ≤ 1 Pas bei einer Temperatur von mindestens 40 0C aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Hotmelt-Aerosol-Tinte 50 bis 90 Gew.-% leitfähi- ge Partikel als Feststoff enthält, die in einer thermoplastischen Verbindung dispergiert sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten leitfähigen Partikel einen Durchmesser d90 klei- ner 500 nm aufweisen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Hotmelt-Aerosol-Tinte neben den leitfähigen Partikeln weitere Feststoffe, bevorzugt Metalloxide und/oder Glasfritten, enthält.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Hotmelt-Aerosol-Tinte mindestens eine thermoplastische Verbindung, bevorzugt einen oder mehrere Ci4- bis C2o-Alkohole und/oder thermoplastische Polymere, enthält.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Hotmelt-Aerosol-Tinte a) 50 bis 90 Gew.-% Feststoffe, umfassend Me- tallpartikel, Metalloxide und/oder Glasfritten, b) 10 bis 20 Gew.-% eines Ci4- bis C20- linearen Alkohols als thermoplastische Verbindung, c) 10 bis 30 Gew.-% eines Lösemittels und d) 0,01 bis 1 Gew.-% Additive enthält, wobei die Summe der einzelnen Formulierungsbestandteile a) bis d) 100 Gew.-% beträgt.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte
Hotmelt-Aerosol-Tinte bei Raumtemperatur eine Viskosität η ≥ 200 Pas aufweist.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Aerosol-Jet-Drucksystem mindestens einen Zerstäuber, einen Konzentrator (Virtual impactor) und einen Druckkopf umfasst.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuber mit einem Zerstäubergas, das auf 70 bis 100 0C beheizt ist, betrieben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hotmelt-Aero- sol-Tinte im Zerstäuber auf einer Temperatur von 40 bis 70 0C gehalten wird.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator (virtual impactor) , der Druckkopf sowie die die einzelnen Bauteile verbindenden Transportschläu- che auf einer Temperatur von 50 bis 100 0C gehalten werden.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Ae- rosol-Jet-Drucksystem vollständig beheizbar ausgebildet ist.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Vorderseitenkontak- te aufgebracht werden.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche aus beschichtetem oder unbeschichtetem Silicium oder Glas gebildet ist.
15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschiedenen Metallkontakte ein Aspektverhältnis (Höhe zu Breite) von 1:3 bis 1:10 aufweisen.
16. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche der Solarzelle nicht beheizt oder gekühlt wird.
17. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aerosol-Jet-Druck-Prozess eine galvanische
Verdickung oder Verstärkung der aufgetragenen leitfähigen Strukturen, bevorzugt mit Silber und/oder Kupfer, erfolgt.
18. Hotmelt-Aerosol-Tinte für Aerosol-Jet-Druck- Systeme zum Metallisieren von Substratoberflächen von Solarzellen, dadurch gekennzeichnet, dass a) 50 bis 90 Gew.-% Feststoffe umfassend leitfähige Partikel, Metalloxide und/oder Glasfrit- ten, b) 10 bis 20 Gew.-% eines Ci4- bis C20- linearen Alkohols als thermoplastische Verbindung, c) 10 bis 30 Gew.-% eines Lösemittels und d) 0,01 bis 1 Gew.-% Additive enthalten sind, wobei die Summe der einzelnen
Formulierungsbestandteile a) bis d) 100 Gew.-% und die Viskosität bei Raumtemperatur > η = 200 Pas beträgt .
19. Hotmelt-Aerosol-Tinte nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität η bei Raumtemperatur im Bereich von 200 bis 5000 Pas liegt.
20. Hotmelt-Aerosol-Tinte nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität über die Menge und Art der eingesetzten thermoplastischen Verbindung eingestellt worden ist .
21. Hotmelt-Aerosol-Tinte nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d90 der leitfähigen Partikel kleiner 500 nm ist.
22. Hotmelt-Aerosol-Tinte nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Partikel Metallpartikel sind, bevorzugt Metallpartikel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ag, Ni, Zn, Sn, Cr, Co, Ti, W und/oder deren Mischungen. .
23. Hotmelt-Aerosol-Tinte nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxide ausgewählt sind aus Bleioxid, Bismuthoxid, Titanoxid, Aluminiumoxid und/oder deren Mischungen.
24. Hotmelt-Aerosol-Tinte nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastische Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ci4 bis Ci6- linearer aliphatischen Alkoholen und/oder deren Mischungen.
25. Hotmelt-Aerosol-Tinte nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösemittel ausgewählt ist aus Glycolether, n-Methylpyrrolidon, 2- (2-Butoxyethoxy) ethanol und/oder deren Mischungen.
26. Hotmelt-Aerosol-Tinte nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass als Additive Dispergiermittel und/oder Entschäumer enthalten sind.
27. Aerosol-Jet-Drucksystem umfassend mindestens einen Zerstäuber, einen Konzentrator und einen Druckkopf sowie diese Bestandteile verbindende
Verbindungsschläuche , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Bestandteile Zerstäuber, Konzentrator, Druckkopf und/oder Verbindungsschläuche beheiz - bar ausgebildet ist.
28. Aerosol-Jet-Drucksystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass alle Komponenten beheizbar ausgebildet sind.
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