ES2897647T3

ES2897647T3 - Composiciones y procesos para fabricar células solares pasivadas por la parte posterior

Info

Publication number: ES2897647T3
Application number: ES13854955T
Authority: ES
Inventors: Ted Kreutz; Jin-An He; Joel Garcia; Maura Mostowy-Gallagher; Graham Robins; Monica Liu
Original assignee: Sun Chemical Corp
Current assignee: Sun Chemical Corp
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2022-03-02
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: US20150295123A1; CN104854684A; EP2920809A1; US9882082B2; EP2920809A4; WO2014078011A1; EP2920809B1; CN104854684B

Abstract

Una composición de un material adecuado para usarse como agente resistente al grabado o el chapado en un proceso de fabricación de células solares PERC (de emisor pasivado y contacto trasero), que comprende compuestos orgánicos que incluyen: una resina de fenol-formaldehído; un polímero o copolímero de vinilo; un polímero o copolímero de acetato de vinilo; una resina de colofonia o una resina de colofonia modificada; un poliéster de colofonia; una goma de colofonia o un éster modificado de una goma de colofonia; goma laca; melamina o resina de melamina modificada; caucho ciclado; resina de uintahita; o combinaciones de estos compuestos; uno o más solventes; y un modificador reológico, que incluye: (i) de un 0,1% a un 12% en peso de aditivo reológico de organoarcilla, de un 2,0% a un 35% en peso de talco no revestido y de un 0,1% a un 15% en peso de una cera de amida o una cera de amida micronizada, o (ii) de un 1,0% a un 30% de talco; de un 1,0% a un 40% de sílice pirogenada; y de un 0,1% a un 15% en peso de coadyuvante de flujo de poliacrilato.

Description

DESCRIPCIÓN

Composiciones y procesos para fabricar células solares pasivadas por la parte posterior

CAMPO TÉCNICO

[0001] La presente invención está relacionada con la fabricación de células solares y, más particularmente, está relacionada con las composiciones y los procesos para la fabricación de células solares pasivadas por detrás utilizando un proceso de grabado húmedo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0002] Los métodos convencionales para poner en contacto una célula solar pasivada por detrás utilizan la ablación por láser de la oblea de silicio. En estos métodos, se dispara un láser de alta potencia sobre la superficie posterior de la célula, de manera que ablaciona térmicamente la capa de pasivación depositada. Este proceso tiene varias desventajas. En primer lugar, el daño que causa la ablación láser al silicio situado bajo la superficie disminuye la eficiencia de la célula. En segundo lugar, dado que el láser tiene que rastrear o hacer un barrido de toda la superficie, el proceso puede llevar mucho tiempo. La ablación por láser no permite producir formas intrincadas o complejas y detalles de alta resolución en la superficie posterior, lo que puede aumentar la eficiencia. Además, este método no permite controlar la profundidad en la célula solar. Esto es importante, ya que la eficiencia final de la célula puede depender de la profundidad de la superficie abierta, y a medida que el láser ablaciona más material, generalmente esto conlleva un mayor daño térmico en el sustrato y, por consiguiente, una menor eficiencia.

[0003] Por lo tanto, en la técnica de este campo se necesitan métodos mejorados para fabricar células solares pasivadas por detrás que solventen los problemas de los métodos y enfoques convencionales, como la ablación por láser.

[0004] El documento US 2008/264902 desvela un método para formar un patrón en una fina capa o película, que incluye: proporcionar un rodillo de impresión y un sustrato que incluye una fina película; recubrir el rodillo de impresión con una solución de 'etch-resist' que incluye un polímero base, un solvente portador, un adhesivo y un surfactante; eliminar el 'solvente portador' de la solución de 'etch-resist' recubierta, haciendo que la solución de 'etchresist' pase de la fase líquida a la fase sólida; modelar el 'etch-resist' sólido; transferir el 'etch-resist' modelado desde el rodillo de impresión al sustrato; y modelar la fina película correspondiente al 'etch-resist' transferido. El documento US 6210862 B1 describe una máscara de soldadura a base de epoxi catiónicamente polimerizable y fotoimprimible, que contiene un sistema de resina epoxi no bromada y de unas 0,1 a unas 15 partes en peso de un fotoiniciador catiónico por cada 100 partes de sistema de resina. El documento WO 02/085962 A1 describe una composición curable por radiación para su uso como formulación de resistencia al grabado UV, de manera que la composición comprende un amido (met)-acrilato en combinación con un semiéster de (met)-acrilato. El documento KR 20120113548 A1 describe una pasta de máscara de grabado y una célula solar de contacto posterior que -según se afirma- mejoran la eficiencia de una célula solar mediante la formación de una capa de pasivación a fin de reducir la pérdida de recombinación trasera. El documento US 2007/295688 A1 describe un método y un equipo para fabricar un patrón de película fina que -según se afirma- mejora la fiabilidad de la formación del patrón de película fina mediante un método de resistencia de impresión. El documento US 2011/020970 A1 describe un proceso de grabado o chapado que comprende los siguientes pasos: i) imprimir por chorro de tinta una tinta (de fusión en caliente, insoluble en agua y extraíble con álcali) sobre un sustrato para formar una imagen de resistencia o imagen protectora; ii) grabar o chapar el sustrato en un medio ácido acuoso; y iii) eliminar la imagen de resistencia con un álcali acuoso. El documento US 2005/022862 A1 describe una célula solar que se fabrica utilizando un patrón de tinta como máscara para una etapa de procesamiento. El documento US 5340701 A describe compuestos de titanoceno carentes de flúor que -según se afirma- son adecuados como fotoiniciadores para la fotopolimerización de compuestos que contienen enlaces dobles etilénicamente insaturados. El documento EP 1630600 A2 describe una composición atenuante de la luz y un método para usarla.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

[0005] La invención queda definida y delimitada en las reivindicaciones.

[0006] Se describen composiciones y métodos usados para fabricar una célula solar de silicio pasivado por detrás. Se describe un método para abrir la superficie posterior para poner en contacto el silicio con una pasta de aluminio convencional. Se describen varios materiales resistentes al grabado serigrafiables. En primer lugar, se puede imprimir un material resistente al grabado en la parte posterior de una oblea de célula solar pasivada por detrás. Posteriormente, la capa de pasivación puede eliminarse mediante un grabado en húmedo y, a continuación, puede eliminarse la capa de material resistente al grabado. Asimismo, opcionalmente puede usarse un paso adicional de grabado húmedo para profundizar la apertura en el silicio y mejorar el BSF (el campo de la superficie posterior). A continuación, se puede imprimir pasta de aluminio sobre toda la parte posterior de la célula ya grabada. Después se enciende o cuece toda la célula. En las realizaciones ejemplares de la presente invención, la pasta puede escogerse de tal modo que no se cueza a través de la capa de pasivación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS ILUSTRACIONES

[0007]

La Figura 1 (FIG. 1) muestra un proceso ejemplar de fabricación de una célula solar de silicio pasivada por detrás, de acuerdo con diversas realizaciones ejemplares de la presente invención;

La Figura 2 muestra dos imágenes SEM (de microscopio electrónico de barrido) de la misma pasta de aluminio cocida en una célula solar pasivada, de manera que en la parte izquierda se han usado medios convencionales y en la parte derecha se han usado métodos de una realización ejemplar de la presente invención;

Las Figuras 2A y 2B son versiones ampliadas de las dos vistas de la Figura 2, respectivamente; y

La Figura 3 representa un modelo o patrón ejemplar de una pantalla de prueba para la impresión de resistencias de grabado de acuerdo con diversas realizaciones ejemplares de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

[0008] Se describen métodos para fabricar una célula solar de silicio pasivada por detrás (o con pasivado posterior). Más particularmente, se describen composiciones y métodos para preparar una célula solar pasivada por detrás para fijar o unir contactos eléctricos usando innovadores 'etch resists' o resistencias de grabado y un grabado en húmedo.

[0009] Como se ha señalado anteriormente, las células solares de silicio convencionales con pasivación trasera proporcionan ventajas sobre las obleas no pasivadas, pero los contactos eléctricos con la parte trasera de la oblea de silicio deben realizarse a través de las capas de pasivación no conductoras. A continuación, se describe un método novedoso para preparar la superficie trasera o posterior de una célula solar para poner en contacto el silicio con una pasta de aluminio convencional. En las realizaciones ejemplares de la presente invención, en primer lugar, se puede imprimir un patrón de resistencia al grabado imprimible en pantalla en la parte posterior de una oblea pasivada, tal y como se muestra, por ejemplo, en la Figura 1. Después, la capa de pasivación puede retirarse de manera selectiva, de modo que puede modelarse usando un grabado húmedo, y a continuación puede retirarse la capa de material resistente al grabado. Además, opcionalmente puede usarse un paso o etapa adicional de grabado húmedo para hacer más profunda la abertura en el silicio y mejorar el BSF (campo de superficie posterior). Por último, se puede imprimir una pasta de aluminio sobre toda la cara posterior y cocerse. En las realizaciones ejemplares de la presente invención, la pasta de aluminio puede escogerse, por ejemplo, para que no se encienda a través de la capa de pasivación.

[0010] Una técnica de grabado húmedo proporcionará una mayor eficiencia que un proceso con láser, debido a los daños que provocan tales procesos de ablación láser, tal y como se ha explicado anteriormente. Sin embargo, hasta el momento no se ha desarrollado ninguna solución que permita integrar un grabado químico húmedo en un entorno de alto rendimiento.

[0011] En las realizaciones ejemplares de la presente invención se resuelven los diversos problemas asociados a la ablación por láser. Estos métodos ejemplares están optimizados, de manera que los pequeños detalles pueden serigrafiarse fácilmente usando un 'etch resist' o material resistente al grabado imprimible de alta resolución, y de manera que los grabados químicos no dañarán las obleas. Además, los autores de la invención han observado que los campos de superficie posterior ('BSFs') que se crean mediante el método propuesto son más gruesos y se ajustan mejor al perímetro que con un contacto creado por láser. Asimismo, han observado que la formación de BSFs en las muestras grabadas en húmedo es mayor que la de las aberturas creadas por láser (véase la Figura 2, que muestra imágenes comparativas ejemplares). El BSF es una región de silicio dopado degenerativamente con aluminio que se crea cuando la pasta de aluminio y el silicio se funden y posteriormente se solidifican durante la cocción. Esta capa proporciona una mejora del campo eléctrico cerca del contacto eléctrico y aumenta el número de portadores que fluyen hacia el contacto. Si se produce alguna rotura en la BSF cerca de una capa de pasivación, pueden producirse corrientes de derivación cuando los portadores con carga opuesta que están cerca de la superficie se recombinan con la mayoría de los portadores. Por lo tanto, una BSF con un buen grosor y forma es crucial para obtener una alta eficiencia, y estas propiedades o características mejoran cuando se utilizan procesos de acuerdo con la presente invención en comparación con los métodos convencionales.

[0012] Las realizaciones ejemplares de acuerdo con la presente invención ofrecen diversas ventajas comerciales debido a su mayor rendimiento, mientras que generalmente el equipo necesario ya estará disponible en una fábrica que utilice métodos de impresión/grabado/aclarado.

[0013] De este modo, en las realizaciones ejemplares de la presente invención, por ejemplo puede abrirse una capa, o pila, de pasivación dieléctrica posterior utilizando un material resistente al grabado serigrafiable, seguida de un proceso de grabado húmedo. El material resistente al grabado serigrafiable puede comprender una de las composiciones novedosas que se describen en el presente documento, lo que facilita el uso de procesos de grabado húmedo con un mayor rendimiento y con resoluciones mucho mayores. Como se ha señalado, en el pasado se tardaba mucho tiempo en proporcionar un material resistente al grabado y en modelar la resistencia usando métodos de fotolitografía (es decir, modelando una resistencia, utilizando luz ultravioleta para desarrollar selectivamente la resistencia y después enjuagando y retirando la resistencia desarrollada), o usando un grabado de plasma. Sin embargo, la última generación de pastas resistentes al grabado proporcionadas por el Solicitante/Destinatario del presente documento, Sun Chemical, de Parsippany, Nueva Jersey, EE. UU., pueden (i) imprimirse por serigrafía a resoluciones muy altas, (ii) curarse rápidamente y (iii) utilizarse como material resistente al grabado para grabar un patrón en la parte posterior de una célula solar para células solares PERC (de emisor pasivado y contacto trasero), de modo que (iv) posteriormente pueda dispararse una pasta de aluminio sobre la capa pasivada. Algunos ejemplos de estas pastas novedosas resistentes al grabado proporcionadas por Sun Chemical son CXT-0597; XZ77; y ESTA-1150. Las formulaciones ejemplares se describen en la Tabla 1 de más abajo.

[0014] Estas resistencias de grabado son capaces de adherirse lo suficiente a los sustratos a fin de proteger las áreas impresas del baño de grabado químico húmedo. Por ejemplo, este proceso puede eliminar sólo las capas de pasivación o, por ejemplo, puede usarse también para grabar una zanja o surco de manera controlada en la superficie posterior del silicio. A continuación, se puede retirar o eliminar el material resistente al grabado mediante un baño de desprendimiento que elimina rápidamente el material resistente al grabado sin afectar a las zonas expuestas de la oblea. Después, si se desea, se puede grabar en húmedo otra zanja o surco en el dispositivo usando un método estándar de grabado en húmedo que no dañe la capa pasivante. Los ejemplos de tales soluciones de grabado húmedo incluyen, por ejemplo, KOH acuoso o TMAH.

[0015] En las realizaciones ejemplares de la presente invención, se puede utilizar un material resistente al grabado serigrafiable con una capacidad de impresión de líneas finas de muy alta resolución. Esta técnica proporciona diversas ventajas. En primer lugar, la composición puede diseñarse para que tenga un perfil reológico que permita crear patrones de alta precisión en la capa pasivada mediante un proceso de serigrafía. Además, preferiblemente la formulación puede tener una excelente adhesión a la capa de pasivación para (i) minimizar el debilitamiento o socavación del agente grabador y (ii) mejorar la resistencia al agente grabador. En las realizaciones ejemplares de la presente invención, la combinación de una capacidad de impresión de alta precisión y una resistencia al agente grabador permite una alta precisión en la creación de patrones, que es una característica crucial del proceso PERC. Preferiblemente, los componentes del material resistente al grabado pueden tener un alto nivel de resistencia al agente grabador para que la oblea impresa pueda soportar un tiempo de exposición suficiente sin degradarse. De este modo, las áreas o zonas impresas protegidas de la capa de pasivación permanecen intactas durante la etapa de grabado; sin embargo, preferiblemente la composición del material resistente al grabado puede, por ejemplo, seguir degradándose rápidamente durante la etapa de retirada o eliminación para conservar así el alto rendimiento del proceso. La facilidad de retirada o eliminación es una característica importante de un material resistente al grabado imprimible. En las realizaciones ejemplares de la presente invención, preferiblemente el material resistente al grabado impresa puede eliminarse por completo durante el paso o etapa de eliminación del material resistente al grabado, de modo que no queden residuos del material resistente al grabado tras el paso de eliminación.

[0016] En la presente invención, una composición adecuada para su uso como material resistente al grabado comprende cualquiera de los siguientes componentes o diversas combinaciones de los siguientes componentes: una resina de fenol-formaldehído, por ejemplo una resina de novolac o un resol; un polímero o copolímero de vinilo; un polímero o copolímero de acetato de vinilo; una resina de colofonia o una resina de colofonia modificada, como una colofonia maleica, fumárica, fenólica o modificada de otro modo o un éster de colofonia; un poliéster de colofonia; una goma de colofonia o un éster modificado de goma de colofonia; goma laca; melamina o resina de melamina modificada; goma ciclada; o resina de uintahita. También se desvela la gilsonita.

[0017] En un ejemplo, la resina de novolac puede estar en un rango o intervalo de un 5% a un 50%, pero preferiblemente está en un rango de un 15-25% de p/p (entiéndase que, a menos que se especifique lo contrario, todos los porcentajes descritos en el presente documento son en peso). También se incluye un copolímero de vinilo, como, por ejemplo, ácido 2-butenoico, un copolímero de acetato de vinilo, en un rango de un 1% a un 40%, pero preferiblemente en un rango de un 5-15%.

[0018] En otro ejemplo, el sistema puede comprender goma laca, una resina modificada fumárica o maleica, una resina fenólica y una resina de melamina. La goma laca puede estar en un rango de un 0,1 a un 30% y, preferiblemente, está en un rango de un 1-10%. La resina modificada maleica puede estar en un rango de un 0,1 a un 50% y es preferible que esté en un rango de un 2-8%. La resina fenólica puede estar en un rango de un 0,1% a un 50% y es preferible que esté en un rango de un 15-25%. La resina de melamina puede estar en un rango de un 0,1% a un 75%, pero preferiblemente está en un rango de un 5-10%.

[0019] La composición adecuada como material resistente al grabado también contiene componentes inorgánicos que funcionan como modificadores reológicos y además proporcionan a la película seca una capacidad de impresión fina y propiedades de resistencia y de eliminación de álcalis. En la presente invención, el modificador reológico incluye: (i) de un 0,1% en peso a un 12% en peso de aditivo reológico de organoarcilla, de 2,0% en peso a un 35% en peso de talco no recubierto, y de un 0,1% en peso a un 15% en peso de una cera de amida o una cera amida micronizada, o (ii) de un 1,0 a un 30% de talco; de un 1,0% a un 40% de sílice pirogenada; y de un 0,1% en peso a un 15% en peso de coadyuvante de flujo de poliacrilato. Otros ejemplos incluyen la sílice pirogenada, en un rango de un 1% a un 30%, preferentemente en un rango de un 10% a un 20%, incluida la sílice tratada, como la sílice hidrófoba o hidrófila; y la arcilla, por ejemplo una arcilla de caolinita, bentonita, bentona, illita, muscovita o clorita, o una arcilla de tipo montmorillonita, por ejemplo un talco, en un rango de un 0,1% a un 30% y, preferiblemente, en un rango de un 5-15%. También puede usarse una organoarcilla en un rango de un 0,1% a un 12% y, preferiblemente, en un rango de un 1-5%. Y puede usarse vidrio de sílice pirogenada en un rango de un 0,1% a un 40% y, preferiblemente, en un rango de un 5-15%.

[0020] En la formulación también puede usarse un colorante. Los colorantes adecuados incluyen -pero no se limitan a- los pigmentos y tintes orgánicos o inorgánicos. Los colorantes incluyen -pero no se limitan a- los colorantes azoicos, los colorantes de antraquinona, los colorantes de xanteno, los colorantes de azina, las combinaciones de los mismos y similares. Los pigmentos orgánicos pueden ser un pigmento o una combinación de pigmentos, como por ejemplo los números de pigmento amarillo 12, 13, 14, 17, 74, 83, 114, 126, 127, 174, 188; los números 2, 22, 23, 48:1, 482, 52, 52:1, 53, 57:1, 112, 122, 166, 170, 184, 202, 266, 269; los números de pigmento naranja 5, 16, 34, 36; los números de pigmento azul 15, 15:3, 15:4; los números de pigmento violeta 3, 23, 27; y/o el número de pigmento verde 7. Los pigmentos inorgánicos pueden ser uno de los siguientes pigmentos (de manera no limitativa): óxidos de hierro, dióxidos de titanio, óxidos de cromo, ferrocianuros de amonio férrico, negros de óxido férrico, pigmento negro número 7 y/o pigmento blanco número 6 y 7. También pueden usarse otros pigmentos y tintes orgánicos e inorgánicos, así como combinaciones que permitan obtener los colores deseados. Se prefieren los colorantes resistentes a los ácidos.

[0021] En las realizaciones ejemplares de la presente invención, también pueden usarse versiones claras de las formulaciones, las cuales no contienen colorantes. Las formulaciones con o sin colorantes pueden contener un blanqueador o abrillantador óptico u otro indicador visual o una mezcla de indicadores.

[0022] La adición de ceras -como ceras de amida o poliamida- a la formulación de material resistente al grabado presenta la propiedad especial de mejorar simultáneamente la reología y la capacidad de impresión del material resistente al grabado, además de mejorar la resistencia al baño con un agente grabador (que puede ser, por ejemplo, ácido fluorhídrico, o una combinación de ácidos, como los ácidos nítrico y fluorhídrico, o una combinación de ácidos y sales amortiguadoras), la tasa o velocidad de eliminación de álcalis tras la etapa de grabado, y la resolución de impresión del material resistente al grabado. La cera puede usarse en un rango de un 0,1% a un 15%, siendo el rango preferido de un 1% a un 10%. Para obtener estas propiedades también pueden usarse otros componentes, incluidos los derivados de triglicéridos o aceites insaturados, como los derivados modificados de aceite de ricino, un ejemplo particular del cual es Thixatrol® ST, un derivado del aceite de ricino modificado orgánicamente y suministrado por Elementis Specialties. Las ceras de amidas o poliamidas que se prefieren especialmente son la familia de aditivos reológicos Crayvallac®, como los derivados del ricino, los derivados del ricino modificados con amidas y las amidas o poliamidas, producidos por Arkema Coating Resins.

[0023] En las realizaciones ejemplares de la presente invención, los solventes utilizados pueden incluir diversos solventes de éter de glicol de alto punto de ebullición y pueden incluir, entre otros, los siguientes compuestos: éter monometílico de etilenglicol, éter monoetílico de etilenglicol, éter monopropílico de etilenglicol, éter monobutílico de etilenglicol, éter monometílico de dietilenglicol, acetato de éter monometílico de dietilenglicol, éter monoetílico de dietilenglicol, acetato de éter monoetílico de dietilenglicol, éter monopropílico de dietilenglicol, éter butílico de dietilenglicol, éter dibutílico de dietilenglicol, éter monometílico de propilenglicol, acetato de éter monometílico de propilenglicol, éter monoetílico de propilenglicol, acetato de éter monoetílico de propilenglicol, éter monopropílico de propilenglicol, acetato de éter monopropílico de propilenglicol, éter monobutílico de propilenglicol, éter fenílico de propilenglicol, acetato de éter monobutílico de propilenglicol, éter monometílico de dipropilenglicol, acetato de éter metílico de dipropilenglicol, o alcohol de diacetona, hidrocarburos aromáticos o mezclas de hidrocarburos aromáticos, como Solvesso, o nafta, monoisobutirato de 2,2,4-trimetil-1,3,-pentanodiol (Texanol), diisobutirato de 2,2,4-trimetil-1,3-pentanodiol (TXIB), o un éster dibásico o una mezcla de ésteres dibásicos, como uno o todos los ésteres de ácidos dicarboxílicos, como el ácido adípico, el ácido glutárico y el ácido succínico.

EJEMPLOS DEL PROCESO

[0024] Los siguientes ejemplos ilustran aspectos ejemplares específicos de la presente invención y no pretenden limitar en modo alguno el alcance de la misma.

[0025] La Figura 1 (FIG. 1) ilustra un proceso ejemplar de contacto con la parte posterior de una célula solar pasivada ejemplar. Refiriéndonos a la misma, habitualmente los fabricantes comienzan con una oblea de silicio que se ha revestido o recubierto por la parte frontal -o el lado orientado al sol- con un revestimiento antirreflectante. La parte posterior de la oblea se recubre con un revestimiento de pasivación dieléctrica. Los métodos de contacto con la parte posterior de la oblea se llevan a cabo mediante uno de dos procesos principales. En primer lugar, la capa de pasivación puede ablacionarse por medio de un láser de alta potencia, tal y como se ha descrito anteriormente, lo que elimina la capa de pasivación trasera. En segundo lugar, en la oblea se puede imprimir una pasta grabadora y curarla después para eliminar de manera selectiva partes o porciones de la pasivación. Después de estos pasos, la oblea está lista para la metalización.

[0026] En el proceso de la invención, después de procesar una oblea ejemplar con el revestimiento antirreflectante delantero y el revestimiento de pasivación trasero, la oblea se recubre con un material resistente al grabado -o 'etch resist'- serigrafiable. La parte frontal o delantera de la oblea puede estar recubierta, o no, dependiendo de la necesidad de protegerla durante las etapas de grabado. Después de que la pasta de material resistente al grabado se haya secado y curado, las obleas pueden -por ejemplo- introducirse en un baño de grabado, que grabará químicamente la capa de pasivación y puede o no grabar el sustrato de silicio. El baño de grabado suele consistir en una solución acuosa de un ácido o una mezcla de ácidos, que puede incluir ácido fluorhídrico, o ácido fluorhídrico mezclado con ácido nítrico u otros ácidos. El baño de grabado reaccionará químicamente con las zonas expuestas (no impresas) de la oblea, disolviéndolas y dejando intactas las zonas impresas y modeladas. La capa de material resistente al grabado está formulada para resistir el ataque químico del baño de grabado, y para adherirse al sustrato y evitar que se socaven las zonas impresas y no expuestas de la oblea. A continuación, el material resistente al grabado se elimina con un fluido, que puede ser una solución alcalina, un solvente orgánico u otro fluido. El fluido del baño de eliminación alcalino puede contener una solución acuosa diluida de un hidróxido, por ejemplo hidróxido de sodio o hidróxido de potasio. El proceso de eliminación o decapado puede incluir un baño de flotación que utiliza la agitación o inmersión estática, la sonicación o la pulverización, por ejemplo. También puede usarse un paso de grabado final que haga más profunda la zanja o surco grabado en la oblea de silicio.

[0027] De este modo, el proceso de la invención elimina la necesidad de un grabado láser, que puede ralentizar el tiempo de procesamiento y además dañar la oblea, lo cual conlleva una menor eficiencia. El método de la pasta grabadora también conlleva un mayor tiempo de producción en comparación con el proceso de grabado húmedo. Además, las pastas grabadoras no están diseñadas específicamente para una capa o un grupo de capas de pasivación arbitrarios y serán menos eficientes con pilas o grupos de materiales variables, como se ve a menudo en la práctica.

[0028] La Figura 2 muestra dos imágenes de SEM (microscopio electrónico de barrido) de la misma pasta de aluminio encendida sobre una célula solar pasivada. Las células empezaron siendo dos células fabricadas de forma idéntica con un revestimiento antirreflectante y un revestimiento de pasivación trasera, tal y como se muestra en la Figura 1. Las aberturas en la pasivación se han creado mediante láser (en la imagen de la izquierda) y mediante el proceso de la presente invención (en la imagen de la derecha). Las pastas de aluminio de estos experimentos son idénticas y tienen la misma disposición (peso impreso por área). Después, las células se cocieron en un horno BTU en condiciones estándar de procesamiento de células solares. Después de la cocción, las células se marcaron para la microscopía transversal y los bordes se pulieron químicamente con una inmersión de ácido fluorhídrico/nítrico/acético. Esta inmersión solo pule el borde de la oblea para facilitar la visualización de la sección transversal mediante microscopía y no daña de manera significativa la oblea de ningún otro modo.

[0029] Cuando se cuecen u hornean, las pastas se funden en el sustrato de silicio creando la depresión. La fina estructura -similar a un halo- que rodea la depresión es el campo de la superficie posterior (BSF). Para obtener células con una buena eficiencia, en la técnica de este ámbito se ha comprobado que este BSF debe ajustarse preferiblemente a toda la forma de la depresión, extenderse a lo largo de todas las dimensiones de la depresión y ser lo más grueso posible. Tal y como se muestra, con el proceso de la presente invención se obtienen capas de BSF más gruesas y uniformes en comparación con el proceso de láser convencional. Además, y en comparación con el proceso estándar, en el proceso de la presente invención la capa de BSF está completamente formada a lo largo del borde exterior de la depresión. Esto, unido a la ausencia de daños en el sustrato durante el proceso -como los que se observan en los métodos de la técnica anterior-, da como resultado una mayor eficiencia.

EJEMPLOS DE COMPOSICIONES

[0030] La Tabla 1 de más abajo proporciona fórmulas para los ejemplos inventivos 1, 1A, 2 y 3 de materiales resistentes al grabado, y los ejemplos comparativos 4 y 5 (formulaciones anteriores o conocidas) de materiales resistentes al grabado. Debe entenderse que las composiciones de los ejemplos 1 y 1A son idénticas, excepto por la presencia de un pigmento.

[0031] El ejemplo 1 incluye un pigmento negro y el ejemplo 1A incluye un blanqueador o abrillantador óptico y, por lo tanto, es transparente. A menudo, resulta útil que un material resistente al grabado sea claro o transparente, de modo que se puedan ver los efectos de los diversos pasos o etapas de procesamiento posteriores a su aplicación.

[0032] Como puede verse tomando como referencia la Tabla 1, uno de los ingredientes novedosos de las composiciones 1, 1A y 3 es el modificador de cera de amida micronizada. Como se observa, no está incluido en los ejemplos de formulaciones convencionales 4 y 5. Este material proporciona las características/requisitos opuestos de (i) una resistencia extrema al baño de grabado, y (ii) una propensión o susceptibilidad muy alta a la solución del baño de decapado. Ayuda al material resistente al grabado a descomponerse muy rápidamente y por completo durante la etapa de eliminación, de modo que en el baño efluente no queden escamas de revestimiento no disueltas. Además, debido a la alta resistencia al baño de grabado, impide el socavamiento del material resistente al grabado, que obviamente degrada las posibles resoluciones que puedan obtenerse. Por último, la cera micronizada proporciona un comportamiento reológico de alta dilución por cizallamiento, que es lo que facilita la impresión de alta resolución. Así, mientras se empuja a través de una pantalla, y por lo tanto se somete a altas fuerzas de corte o cizallamiento, se adelgaza, y por tanto fluye con una viscosidad baja a través de la pantalla, pero, cuando cesan las fuerzas de cizallamiento (es decir, una vez que atraviesa la pantalla), vuelve a un estado de alta viscosidad y, por tanto, "permanece quieta" exactamente donde se desea. Cabe señalar que la composición del ejemplo 2 no incluye cera micronizada, pero sí incluye más talco y sílice pirogenada. Este último componente proporciona una rápida capacidad de desprendimiento o eliminación. Sin embargo, cabe señalar que, en un porcentaje demasiado alto, puede comprometer o poner en riesgo la resistencia al baño de grabado. También se observa que los ejemplos inventivos 1, 1A y 3 incluyen organoarcilla. Esto mejora la reología y la resolución de impresión. También cabe señalar que la organoarcilla, al igual que la cera de amida de los ejemplos 1, 1A y 3, es un modificador reológico. Sirve para retrasar la recuperación de la viscosidad o, en otras palabras, funciona como agente tixotrópico. Funciona bien en formulaciones similares, pero generalmente puede no ser suficiente, por sí misma, para aplicaciones de impresión de alta definición. Por este motivo, los ejemplos 1, 1A y 3 además incluyen la cera de amida.

Tabla 1

Fórmulas para los ejemplos inventivos 1, 1A, 2 y 3 de materiales resistentes al grabado y los ejemplos comparativos 4 y 5 de materiales resistentes al grabado (las acotaciones se muestran más abajo)

1Mowilith CT-5 (Hoeschst Celanese Corp.)

2FRJ-425 (SI Group)

3Alnovol (Cytec)

4Cymel MI-12 (Cytec)

5FlexRez 5700 (Lawter)

6Regal 300R (Cabot Corp)

7Orgalon Blue 603 (Kelly Chemical Corp)

8Tixogel TE (Southern Clay Products, Inc.)

9Cimpact 699 (Imerys)

10Mistron ZSC prod (Imerys)

11Micro Talc IT (Norwegian Talc)

12Aerosil 200 (Evonik)

13Cabosil M5 (Cabot Corporation)

14Crayvallac Super (Arkema Inc.)

15Modaflow (Cytec)

16Benetex OB (Cytec)

[0033] Cabe señalar que los compuestos/productos ejemplares que se indican en las acotaciones o notas aclaratorias de la Tabla 1 son versiones del compuesto disponibles habitualmente. Obviamente, los compuestos equivalentes que tengan las mismas propiedades también pueden sustituirse según se desee.

[0034] Las composiciones inventivas de materiales resistentes al grabado de los ejemplos 1, 1A, 2 y 3 poseen una capacidad apreciablemente mejor para imprimir líneas finas, en comparación con los ejemplos comparativos 4 y 5. Esto se debe a que los altos niveles de talco mejoran la reología y la adhesión. El talco de los ejemplos 1, 1A y 3 no está recubierto, y este tipo de talco se dispersa mejor y proporciona una mejor resolución de impresión en comparación, por ejemplo, con el talco recubierto del ejemplo 5.

[0035] La resolución de impresión se evaluó utilizando un patrón de pantalla formado por una serie de aberturas de líneas gradualmente más estrechas. Estas zonas o áreas abiertas pueden imprimirse como áreas negativas para evaluar la capacidad que tiene un material resistente al grabado para imprimir detalles o características inversas nítidas sin extenderse. El patrón de pantalla se muestra en la Figura 3. Refiriéndonos a él, las líneas negras representan las áreas no impresas. El área blanca es el área abierta de la pantalla. La impresión es un área sólida de material resistente al grabado con líneas abiertas. El patrón consiste en tres conjuntos de líneas que se repiten y que tienen las siguientes anchuras: 200, 175, 150, 125, 100, 75 y 50 micras. De este modo, cuando se imprimen, los tres conjuntos de líneas no contienen ningún material resistente al grabado y, por lo tanto, es aquí donde se eliminará la capa de pasivación durante el grabado.

[0036] La Tabla 2 de más abajo resume la resolución de impresión comparativa, expresada por la línea más fina en el patrón de la serie de líneas de la Figura 3 que puede obtenerse mediante los procesos ejemplares de impresión, grabado y decapado que se describen en el presente documento. En la Tabla 2 también se indica (i) el tiempo de contacto de la solución de ácido fluorhídrico (HF) al 10% en peso que puede tolerar el material resistente al grabado sin que la solución grabadora socave o corte por debajo el sustrato, y (ii) el tiempo -en segundos- que se necesita para eliminar o decapar en el paso de decapado el 'material resistente al grabado' impreso, de manera que el paso de decapado sigue al paso de grabado. El baño de decapado que se usó fue una solución acuosa de KOH al 3% p/v a temperatura ambiente.

Tabla 2 - Resumen de las propiedades del material resistente al grabado

[0037] Los datos que se resumen en la Tabla 2 muestran la resolución de impresión, la resistencia al ácido fluorhídrico y la capacidad de decapado de una composición ejemplar de material resistente al grabado y de formulaciones de la técnica anterior en este campo. La resolución de impresión en micras describe la característica o detalle de la línea de apertura inversa más estrecha de la capa de pasivación que puede obtenerse mediante el proceso. Esta característica es el área modelada o estampada que queda desprotegida y se graba, mientras que el resto de la capa de pasivación está protegida durante el paso o etapa del baño de grabado del proceso. El proceso ejemplar incluye imprimir el patrón de pantalla que se muestra en la Figura 3 y grabar después la oblea impresa en una solución al 10% de ácido fluorhídrico, o una mezcla de ácido fluorhídrico y ácido nítrico, u otra composición de baño de grabado, durante un período de tiempo suficiente para grabar una capa de pasivación de nitruro de silicio, u otra capa de pasivación, hasta la profundidad deseada de la oblea de sustrato. Dicha profundidad deseada puede ser, por ejemplo, la suficiente como para eliminar la capa de pasivación y exponer el silicio, o puede que el proceso requiera un grabado más profundo y un intervalo de contacto más largo con el baño de grabado para eliminar parte del silicio además de la capa de pasivación. El último paso de este proceso consiste en eliminar o decapar el material resistente al grabado. La característica o detalle más estrecho de la capa de pasivación abierta, que se ha grabado previamente por medio del material resistente al grabado, es el valor indicado para la resolución de impresión. Por consiguiente, resulta preferible un valor más bajo para la anchura en micras de la característica o detalle obtenido, ya que indica una mayor resolución de impresión, una mayor capacidad para obtener una línea fina o una característica o detalle más pequeño y, en última instancia, un patrón más intrincado o complejo y un mayor grado de control en la creación del producto final. Por ejemplo, la formulación de la técnica anterior que se incluye en la Tabla 1 como 'Ejemplo comparativo 5' tiene una resolución de impresión de 175 micras, lo que significa que este es el detalle más pequeño que puede formarse utilizando este material resistente al grabado en particular. El Ejemplo inventivo 1, que tiene una resolución de impresión de 50 micras, puede serigrafiarse o imprimirse con una resolución lo suficientemente alta como para que se pueda formar o modelar una característica o detalle de 50 micras utilizando el proceso de la invención.

[0038] La segunda columna de datos de la Tabla 2, que describe la resistencia a un baño de grabado con ácido fluorhídrico (HF) al 10%, es una comparación de la resistencia al ácido de los 'materiales resistentes al grabado' impresos. Los valores indican el tiempo -en minutos- que puede soportar el 'material resistente al grabado' impreso cuando se expone a una composición de baño de grabado estándar sin desintegrarse ni permitir la socavación de las zonas o áreas protegidas. Cuando se produce una socavación, la solución de grabado penetra bajo el 'material resistente al grabado' impreso y graba parte de la capa de pasivación o del silicio subyacente, lo cual no resulta deseable. Un material resistente al grabado más resistente al ácido podrá soportar un mayor tiempo de exposición a un baño de grabado, y permitirá una mayor flexibilidad en el proceso, ya que puede ser necesario un mayor tiempo de exposición para obtener una profundidad óptima de grabado o para eliminar diversas pilas o conjuntos de pasivación. Por último, la tercera columna de datos muestra la capacidad de decapado del material resistente al grabado. Esto se determina midiendo el tiempo -en segundos- que se necesita para eliminar por completo el material resistente al grabado usando una solución alcalina estándar de decapado. En este caso resulta deseable un tiempo de decapado o eliminación más corto, ya que esto mejora el rendimiento del proceso. Un material resistente al grabado ideal presentará un alto grado de resistencia e impermeabilidad a diversos baños de grabado, pero tendrá muy poca resistencia a la solución de decapado deseada. Un baño de decapado típico consiste en una solución acuosa de un álcali, como una solución de hidróxido de potasio o una solución de hidróxido de sodio en un rango de un 2% a un 5% en peso, y dentro de un rango o intervalo de temperatura de 20°C a 50°C. La solución de decapado estándar que se eligió para las comparaciones que se indican en la Tabla 2 fue de KOH al 3% y a 22°C.

[0039] Los materiales resistentes al grabado se evaluaron mediante serigrafía utilizando una pantalla de malla de 325 y una espátula o escobilla de goma de 80 durómetros sobre obleas de silicio monocristalino de una pulgada cuadrada (6,45 cm cuadrados) recubiertas con una capa de pasivación de nitruro de silicio. En la Figura 3 se muestra el patrón de pantalla utilizado en estos ensayos. Las obleas se imprimieron de forma que las líneas impresas fueran detalles o características inversas. En otras palabras, las líneas negras de la Figura 3 representan áreas no impresas en la oblea donde el agente grabador debería eliminar la capa de pasivación. El patrón de pantalla consiste en tres series repetidas de líneas abiertas con anchuras de 200, 175, 150, 125, 100, 75 y 50 micras. Los materiales resistentes al grabado se secaron durante tres minutos a 140°C. Las obleas impresas se expusieron a un baño de grabado con una solución de ácido fluorhídrico al 10% en peso durante los intervalos de tiempo especificados y posteriormente se enjuagaron con agua del grifo. A continuación, se eliminó el material resistente al grabado usando un baño de decapado de solución acuosa de KOH al 3% p/vol. a temperatura ambiente. Las obleas se sumergieron en el baño de decapado en intervalos de 10 segundos con una ligera agitación hasta que se hubo eliminado el material resistente al grabado. Las obleas se dejaron secar al aire y, a continuación, se inspeccionaron para comprobar la calidad de las áreas de la(s) capa(s) de pasivación, que eran las áreas cubiertas por el material resistente al grabado. La resolución de impresión se determinó mediante la línea intacta más estrecha de la capa de pasivación eliminada que pudiera obtenerse por medio del proceso. La resistencia a la solución de ácido fluorhídrico se determinó sumergiendo las obleas impresas en un baño de grabado de ácido fluorhídrico al 10% en peso durante períodos de tiempo variables y analizando después la calidad de las áreas impresas de la capa de pasivación con resistencia al grabado. Los materiales resistentes al grabado con una menor resistencia al agente grabador presentan daños en la capa de pasivación impresa -tras un tiempo de contacto relativamente más corto con el agente grabador- en las zonas o áreas en las que se imprimió el material resistente al grabado y que debían estar protegidas del baño de grabado. Las grietas o la ruptura del material resistente al grabado en las áreas impresas podía detectarse en forma de cambios visuales en el color y la apariencia del nitruro de silicio subyacente (en caso de daños mínimos), o la eliminación completa de la pasivación de nitruro de silicio hasta el silicio subyacente en las áreas impresas (en caso de daños graves en la capa de material resistente al grabado). El tiempo de contacto más largo utilizado en las pruebas fue de 5 minutos. Los materiales resistentes al grabado con la mejor resistencia al ácido fluorhídrico (HF) fueron aquellos que no presentaban ningún daño en las áreas impresas de la capa de pasivación tras 5 minutos de contacto con el baño de grabado de HF al 10% en peso.

[0040] Por consiguiente, todas las composiciones ejemplares de acuerdo con la presente invención proporcionan la útil combinación de funcionalidades que se ha descrito anteriormente en relación con la Tabla 2. A saber: una resolución de impresión fina (por ejemplo, 100 micras o menos), un tiempo elevado de resistencia al grabado (por ejemplo, más de cinco minutos), en el que no se produce la socavación del sustrato, y un tiempo reducido (en segundos; por ejemplo, 60 segundos o menos) para decapar o eliminar en la etapa de decalado el 'material resistente al grabado' impreso, de manera que la etapa de decalado sigue a la etapa de grabado. Como se ha indicado anteriormente, a menos que se especifique lo contrario, o bien sea obvio por el contexto, todos los porcentajes que se ofrecen en el presente documento son en peso (p/p).

[0041] La presente invención se ha descrito al detalle, lo cual incluye diversas realizaciones ejemplares preferidas de la misma.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una composición de un material adecuado para usarse como agente resistente al grabado o el chapado en un proceso de fabricación de células solares PERC (de emisor pasivado y contacto trasero), que comprende compuestos orgánicos que incluyen:

una resina de fenol-formaldehído; un polímero o copolímero de vinilo; un polímero o copolímero de acetato de vinilo; una resina de colofonia o una resina de colofonia modificada; un poliéster de colofonia; una goma de colofonia o un éster modificado de una goma de colofonia; goma laca; melamina o resina de melamina modificada; caucho ciclado; resina de uintahita; o combinaciones de estos compuestos;

uno o más solventes; y

un modificador reológico, que incluye:

(i) de un 0,1% a un 12% en peso de aditivo reológico de organoarcilla, de un 2,0% a un 35% en peso de talco no revestido y de un 0,1% a un 15% en peso de una cera de amida o una cera de amida micronizada, o

(ii) de un 1,0% a un 30% de talco; de un 1,0% a un 40% de sílice pirogenada; y de un 0,1% a un 15% en peso de coadyuvante de flujo de poliacrilato.

2. La composición de material de la reivindicación 1, de manera que los compuestos orgánicos incluyen uno de entre los siguientes: (i) de un 1,0 % a un 40% en peso de copolímero de acetato de vinilo y de un 5,0% a un 50% en peso de novolac fenólico, o (ii) de un 5,0% a un 15% en peso de copolímero de acetato de vinilo y de un 15% a un 25% en peso de novolac fenólico.

3. La composición de material de la reivindicación 1, de manera que los compuestos orgánicos incluyen uno de entre los siguientes: (i) de un 0,1% a un 30% en peso de resina de goma laca; de un 0,10% a un 50% en peso de resina fenólica; de un 0,10% a un 75% en peso de resina de melamina parcialmente isobutilada; de un 0,10% a un 50% en peso de éster de colofonia modificado con ácido maleico, o ii) de un 1,0% a un 10% en peso de resina de goma laca; de un 15% a un 25% en peso de resina fenólica; de un 1,0% a un 5,0% de resina de melamina parcialmente isobutilada; y de un 2,0% a un 8,0% de éster de colofonia modificado con ácido maleico.

4. La composición de material de la reivindicación 1, de manera que los compuestos orgánicos incluyen un 5-20% en peso de copolímero de acetato de vinilo y un 10-30% en peso de novolac fenólico.

5. La composición de material de la reivindicación 1, de manera que los -uno o más- solventes incluyen uno de los siguientes: (i) un 5-30% en peso de éter monobutílico de etilenglicol y un 10-40% en peso acetato de éter monoetílico de dietilenglicol, o (ii) un 15-20% en peso de éter monobutílico de etilenglicol y un 25-30% en peso de acetato de éter monoetílico de dietilenglicol.

6. La composición de material de la reivindicación 1, de manera que los -uno o más- solventes incluyen uno de los siguientes: (i) un 5-35% en peso de éter monobutílico de etilenglicol y un 5-25% en peso de éter butílico de dietilenglicol, o (ii) un 20-25% en peso de éter monobutílico de etilenglicol y un 10-15% en peso de éter butílico de etilenglicol.

7. La composición de material de la reivindicación 1, de manera que los -uno o más- solventes incluyen uno de los siguientes: un 5-30% en peso de éter monoetílico de dietilenglicol y un 10-40% en peso de acetato de éter monoetílico de dietilenglicol, o (ii) un 15-20% en peso de éter monoetílico de dietilenglicol y un 25-30% en peso de acetato de éter monoetílico de dietilenglicol.

8. La composición de material de la reivindicación 1, de manera que el modificador reológico incluye de un 1,0% a un 5,0% en peso de aditivo reológico de organoarcilla; de un 10% a un 15% en peso de talco no revestido; y de un 3,0% a un 6,0% en peso de modificador reológico de cera de amida o de modificador reológico de cera de amida micronizada.

9. La composición de material de la reivindicación 1, de manera que el modificador reológico incluye de un 20% a un 25% en peso de talco; de un 5,0% a un 15% en peso de sílice pirogenada; y de un 1,0% a un 5,0% en peso de coadyuvante de flujo de poliacrilato.

10. La composición de material de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende al menos uno de los siguientes: (i) uno o más rellenos inorgánicos, (ii) un pigmento o tinte colorante, y (iii) un abrillantador óptico.

11. Un método de fabricación de una célula PERC, que incluye: imprimir cualquiera de las composiciones de material de cualquiera de las reivindicaciones precedentes como material resistente al grabado sobre una oblea de célula solar de silicio; grabar en húmedo la oblea; y llevar a cabo sobre la oblea un proceso de eliminación del material resistente al grabado.

12. Un método para abrir una capa aislante en la superficie posterior de una célula solar de silicio para contacto, que incluye:

depositar un material resistente al grabado serigrafiable en la superficie posterior;

grabar la capa de aislamiento/pasivación; y

eliminar el material resistente al grabado mediante un proceso de pulverización o inmersión en líquido, de manera que el material resistente al grabado es una composición de material como la que se ha especificado en cualquiera de las reivindicaciones 1a 10.