NL1011081C2

NL1011081C2 - Werkwijze en inrichting voor het aanbrengen van een metallisatiepatroon op een substraat voor een fotovoltaïsche cel.

Info

Publication number: NL1011081C2
Application number: NL1011081A
Authority: NL
Inventors: Arthur Wouter Weeber
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2000-07-21
Also published as: WO2000044051A1; AU2331700A; EP1149422A1; JP2003536240A

Description

WERKWIJZE EN INRICHTING VOOR HET AANBRENGEN VAN EEN METALLISATIEPATROON OP EEN SUBSTRAAT VOOR EEN FOTOVOLTAÏSCHE CEL

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het aanbrengen van een metallisatie op ten minste een van de buitenste vlakken van een substraat voor een fotovoltaïsch element volgens een vooraf bepaald patroon van elektrische 5 geleiders dat een stelsel van relatief smalle lijnen en een daarmee verbonden stelsel van relatief brede banen voor het transporteren van elektrische ladingsdragers omvat, welke werkwijze de stappen omvat van (i) het verschaffen van genoemd substraat waarvan ten minste een van de buitenste 10 vlakken is ingericht voor het daarop aanbrengen van een metallisatie, (ii) hetöpbrengen van een metaal bevattende geleidende pasta volgens genoemd bepaald patroon op het betreffende vlak, en (iii) het drogen van de op het vlak opgebrachte pasta.

15 Bekend is het aanbrengen van een metallisatiepatroon op de voorzijde van een fotovoltaïsch element, bijvoorbeeld een silicium zonnecel, met behulp van een zeefdruktechniek. Volgens deze bekende werkwijze wordt op een in een frame gespannen roestvast stalen gaas een daartoe geschikte 20 emulsielaag aangebracht waarin het patroon van de aan te brengen metallisatie is uitgespaard. De aldus verkregen zeef wordt over de voorzijde van een siliciumsubstraat aangebracht, waarna op de emulsielaag de metaal bevattende geleidende pasta wordt opgebracht, bijvoorbeeld een pasta van 25 zilverdeeltjes, frit, een bindmiddel en een oplosmiddel. De pasta wordt met behulp van een rakel afgestreken en door de openingen in de emulsielaag via het gaas op het substraat gedrukt. Het aldus ontstane pasta-patroon op het substraat wordt vervolgens in een oven gedroogd, waarbij het 30 oplosmiddel verdampt, onder toevoeging van lucht of zuurstof verhit om organische bindmiddelen te verbranden, en gesinterd om de metaaldeeltjes aan elkaar en aan het substraat te hechten. "~"7' 1011081 2

Het is een belangrijk voordeel van de bekende werkwijze dat een substraat waarop door zeefdrukken een pasta is opgebracht in één ovengang kan worden gedroogd, verder verhit en gesinterd om het beoogde metallisatiepatroon te 5 verkrijgen.

Inherent aan de bekende werkwijze is het bezwaar dat de minimale breedte van de te vormen metallisatielijnen op het substraat wordt bepaald door de maaswijdte van de gebruikte zeef. Voor het drukken van zeer fijne lijnen wordt 10 bijvoorbeeld een zeef met maaswijdte mesh 325 of hoger (d.w.z. 325 of meer mazen per inch) gebruikt. Wanneer de lijnbreedte in de orde van grootte van de steek van de zeef is (voor een zeef met maaswijdte mesh 400 bijvoorbeeld bedraagt de steek 65 μτη) , wordt de opening in de emulsielaag 15 kritisch: het percentage open oppervlak fluctueert significant, wat resulteert in een overeenkomstig fluctuerende lijnbreedte van de opgebrachte pasta. Het gebruik van dunnere draden voor de zeef of het vergroten van de afstand tussen de draden ervan verhoogt de uniformiteit 20 van gedeponeerde metaalpasta-lijnen, maar verlaagt de sterkte van de zeef en vermindert daarmee de levensduur tot een niveau dat economisch niet acceptabel kan zijn.

Bij het ontwerpen van een metallisatiepatroon van een zonnecel wordt gestreefd naar zo smal mogelijke lijnen, 25 teneinde schaduwverliezen ten gevolge van de metallisatie zo laag mogelijk, en daarmee het rendement zo hoog mogelijk te houden. Teneinde weerstandsverliezen in smalle lijnen beneden bepaalde waarden te houden is echter een bepaalde minimale hoogte van deze lijnen vereist. Het is een ander nadeel van 30 de zeefdruktechniek dat deze een zodanige bovengrens stelt aan de viscositeit van een te gebruiken pasta, dat de met die pasta te realiseren lijnhoogte tot een ongewenst lage waarde is begrensd.

Het is een doel van de uitvinding een werkwijze te 35 verschaffen voor het aanbrengen van een metallisatiepatroon met relatief smalle en goed gedefinieerde lijnen, die een zodanige hoogte hebben dat weerstandsverliezen in een 1011081 3 zonnecel met een dergelijk patroon verwaarloosbaar zijn althans beneden een aanvaarbaar niveau blijven.

Het voorts een doel een dergelijke werkwijze te verschaffen waarbij een op een substraat opgebrachte pasta 5 in één ovengang kan worden gedroogd, verder verhit en gesinterd om het beoogde metallisatiepatroon te verkrijgen.

Het is nog een doel een werkwijze te verschaffen die op snelle en kostenbesparende wijze kan worden uitgevoerd.

Deze doelen worden bereikt, en andere voordelen worden 10 behaald, met de in de aanhef genoemde werkwijze, waarbij overeenkomstig de uitvinding in de tweede stap (ii) een eerste pasta voor het stelsel relatief smalle lijnen wordt opgebracht met behulp van een stencil en vervolgens een tweede pasta voor het stelsel relatief brede banen wordt 15 opgebracht met behulp van een inrichting voor contactloos opbrengen.

Een stencil is een folie, gewoonlijk van een metaal, bijvoorbeeld nikkel of roestvast staal, dat in plaats van een zeef over het substraat voor een zonnecel wordt gebracht, 20 waarbij openingen in het folie zijn gevormd volgens een op het substraat aan te brengen lijnenpatroon.

Gevonden is dat door middel van een stencil in één drukgang een patroon voor zeer smalle, strakke en relatief hoge lijnen van een eerste pasta op het substraat kan worden 25 aangebracht. Het patroon van relatief brede banen die de busbars in een zonnecel vormen is aansluitend, zonder tussentijdse droging van het lijnenpatroon, door middel van een daartoe geschikte inrichting contactloos op te brengen, Hiermee blijft een tweede drukgang met een tweede stencil of 30 met een zeef, die nodig zou zijn om het patroon op te brengen met de busbars die de smalle lijnen snijden, achterwege. Hiermede blijft het voordeel van de zeefdruktechniek, dat na het drukken met slechts één ovengang kan worden volstaan, behouden, terwijl de nadelen ervan niet optreden. De pasta 35 voor de brede banen wordt bijvoorbeeld opgebracht met behulp van een opstelling voor contactloze dispensie, of door middel van een andere techniek voor contactloos opbrengen.

1011081 4

In een eerste uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding zijn de eerste pasta en de tweede pasta identiek.

In een volgende uitvoeringsvorm heeft de tweede pasta een lagere viscositeit dan de eerste pasta, wat het voordeel 5 biedt dat de tweede pasta zodanige reologische eigenschappen heeft dat deze gemakkelijker door een inrichting voor contacloze dispensie is te transporteren dan de eerste pasta, waarvan de viscositeit zodanig is gekozen dat met die pasta zeer smalle en relatief hoge lijnen gedrukt kunnen worden.

10 De werkwijze is in het bijzonder geschikt te worden uitgevoerd met een stencil dat een folie omvat waarin met het stelsel relatief smalle lijnen corresponderende sleuven zijn aangebracht die een breedte hebben kleiner dan ca. 100 μπ\, in het bijzonder kleiner dan ca. 50 μτη, waarbij het folie 15 bijvoorbeeld een dikte kleiner dan ca. 50 μπι heeft.

De werkwijze overeenkomstig de uitvinding wordt bijvoorbeeld uitgevoerd met behulp van een inrichting voor contactloos opbrengen die een boven het substraat plaatsbare spuitmond bevat, waarbij de tweede pasta wordt opgebracht 20 door de spuitmond en het substraat zodanig ten opzichte van elkaar te bewegen dat de spuitmond het vooraf bepaalde patroon van het stelsel relatief brede banen volgt.

De spuitmond vertoont bijvoorbeeld een doorsnede met een aspect-ratio met een waarde ongelijk aan 1, bij voorkeur een 25 waarde groter dan 2, bij meer voorkeur een waarde ten minste gelijk aan 5.

Bij voorkeur strekt de spuitmond zich met een lange as van de doorsnede evenwijdig aan het oppervlak van het substraat en loodrecht op de richting van de relatieve 30 beweging van spuitmond en substraat uit, waarbij bij meer voorkeur de spuitmond een doorsnede met een lange as met een lengte van ca. 1,5 mm lengte en een korte as met een lengte van ca. 3 00 μτη heeft.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een inrichting 35 voor het uitvoeren van de bovenbeschreven werkwijze.

De uitvinding zal in het volgende worden toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden, met verwijzing naar de 101 toe 1 5 tekeningen.

In de tekeningen tonen

Fig. 1 in bovenaanzicht een substraat van een vierkante zonnecel waarop overeenkomstig de uitvinding in een eerste 5 stap een eerste pasta volgens een patroon van smalle lijnen is opgebracht,

Fig. 2 in bovenaanzicht het substraat van fig. 1 waarop overeenkomstig de uitvinding in een tweede stap een tweede pasta volgens een patroon van relatief brede banen is 10 opgebracht,

Fig. 3 in perspectivisch aanzicht een vereenvoudigde weergave van een uitvoeringsvorm van een opstelling voor contactloze dispensie van pasta voor de busbars op een substraat voor een zonnecel, 15 Fig. 4 de in fig. 3 getoonde opstelling op een later tijdstip,

Fig. 5 in zijaanzicht een doorsnede door de in fig. 4 getoonde opstelling, en

Fig. 6 in zijaanzicht een detail van een alternatieve 20 uitvoeringsvorm van een opstelling voor contactloze dispensie.

In de figuren worden overeenkomstige onderdelen aangeduid met dezelfde verwijzingdgetallen.

Fig. 1 toont een substraat 1 voor een zonnecel met een 25 gedeelte van een zogeheten H-patroon. Een volledig H-patroon bestaat uit relatief smalle lijnen of vingers en relatief brede banen of busbars. De vingers hebben tot doel de door de zonnecel over het gehele oppervlak te genereren stroom af te voeren naar de busbars, die op hun beurt dienen voor centrale 30 afvoer voor de stroom en voor het in serie schakelen van een volgende zonnecel, door middel van op de busbars te monteren geleiders. Op het substraat 1 is door middel van een stencil, dat wordt gevormd door een 50 μτη dik folie van een geschikt metaal waarin sleuven met een breedte van 50 μτη zijn 35 uitgespaard, een patroon gedrukt van lijnen 2 van een geleidende pasta, die onder meer ca. 70 gew.% zilver bevat in de vorm van zeer kleine bolvormige deeltjes met een diameter 1011081 6 van ca. 1-2 μτη en een geringe fractie vlokvorraige deeltjes of plaatjes met een een grootste afmeting van ca. 5 μτη. De met het betreffende stencil opgedrukte lijnen 2 hebben in gedroogde en uitgegloeide toestand een breedte van ca. 55 μτη 5 en een hoogte van ca. 20 μτη.

Fig. 2 toont het substraat 1 van fig. 1 waarop met behulp van een opstelling voor contactloze dispensie twee banen 3 zijn opgebracht van een tweede geschikte en op zich bekende geleidende pasta. De met de betreffende opstelling 10 opgebrachte banen 3 hebben in gedroogde en uitgegloeide toestand een breedte van ca. 1,5 mm en een hoogte van ca.

3 00 μτη, en vormen de busbars van de zonnecel.

Fig. 3 toont een dispensie-apparaat 4 voor het contactloos opbrengen van pasta voor de busbars op een 15 substraat 1 voor een zonnecel, op een tijdstip t=tQ. Getoond zijn een houder 5 voor het bijvoorbeeld door perslucht onder druk houden van pasta, een huis 7 met een aandrijving voor een transportschroef 8 en een spuitmond 9, die uitmondt boven een substraat 1 dat is voorzien van lijnen 2. Het dispensie-20 apparaat is ten opzichte van het substraat 1 beweegbaar langs twee onderling loodrechte ophangarmen 10, 11 en een niet getoonde verticale geleider, waarbij de relatieve beweging van substraat 1 en spuitmond 9 met behulp van een niet getoonde besturingsschakeling zodanig regelbaar is dat de 25 spuitmond het vooraf bepaalde patroon van het op te brengen stelsel busbars volgt. De figuur toont voorts nog een referentiekader voor de drie onderling loodrechte bewegingsrichtingen X, Y, Z voor de spuitmond 9. De spuitmond 9 heeft een doorsnede met een lange as van ca. 1,5 mm in de 30 Y-richting en een korte as met een lengte van ca. 300 μπι in de X-richting (zodat de aspect ratio 5 bedraagt).

Fig. 4 toont het dispensie-apparaat 4 van fig. 3 op een tijdstip t=tlf waarop het apparaat langs de arm 10 over een bepaalde afstand in de richting van de pijl X is verplaatst. 35 Tijdens de verplaatsing is pasta uit de houder 5 via de leiding 6 naar de roterende (rotatie gesymboliseerd door de gekromde pijl ω) transportschroef 8 gebracht, en met behulp 1011081 7 van deze transportschroef 8 via de spuitmond 9 contactloos op het substraat 1 opgebracht, volgens een rechte brede baan 3 die zich dwars over de lijnen 2 uitstrekt. Nadat de gehele baan 3 is opgebracht wordt achtereenvolgens de toevoer van 5 pasta onderbroken, het apparaat 4 langs de arm 11 over een zodanige afstand verplaatst dat de spuitmond 9 juist boven de plaats van een volgende op te brengen busbar uitmondt, waarna de toevoer van pasta en de beweging langs arm 10 in (tegengestelde) X-richting hervat kunnen worden, voor het 10 opbrengen van een volgende busbar 3 op het substraat 1.

Fig. 5 toont een doorsnede door de in fig. 4 getoonde opstelling volgens de lijn V-V. In het getoonde voorbeeld is de afstand Z0 tussen de onderzijde van de spuitmond 9 en het oppervlak van het substraaat 1 instelbaar tussen 0,020 mm en 15 5 mm, waarmee de dikte d van de op te brengen pastabaan 3 op het substraat 1 kan worden ingesteld in het gebied van ca. 10-300 μιη.

Fig. 6 toont een detail van een alternatieve uitvoeringsvorm van het dispensie-apparaat, waarbij het in 20 fig. 5 getoonde huis 7 met spuitmond 9 in het X,Z-vlak kantelbaar is, zodat de pasta 3 bij gekantelde toestand (getekend in streeplijnen) van huis 7 en spuitmond 9 onder een hoek α met de normaal op het oppervlak van het substraat 1 kan worden opgebracht, waarmee wordt voorkomen dat bij 25 staken van de toevoer van pasta het uiteinde van de baan 3 boven het niveau van het overige deel van die baan uitsteekt.

1011081

Claims

1. Werkwijze voor het aanbrengen van een metallisatie op ten minste een van de buitenste vlakken van een substraat (1) voor een fotovoltaïsch element volgens een vooraf bepaald patroon van elektrische geleiders dat een stelsel van 5 relatief smalle lijnen (2) en een daarmee verbonden stelsel van relatief brede banen (3) voor het transporteren van elektrische ladingsdragers omvat, welke werkwijze de stappen omvat van (i) het verschaffen van genoemd substraat (1) waarvan ten 10 minste een van de buitenste vlakken is ingericht voor het daarop aanbrengen van een metallisatie, (ii) het opbrengen van een metaal bevattende geleidende pasta volgens genoemd bepaald patroon (2, 3) op het betreffende vlak, en 15 (iii) het drogen van de op het vlak opgebrachte pasta, met het kenmerk. dat in de tweede stap (ii) een eerste pasta voor het stelsel relatief smalle lijnen (2) wordt opgebracht met behulp van een stencil en vervolgens een tweede pasta voor 20 het stelsel relatief brede banen (3) wordt opgebracht met behulp van een inrichting (4) voor contactloos opbrengen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste pasta en de tweede pasta identiek zijn.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de 25 tweede pasta een lagere viscositeit heeft dan de eerste pasta.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk. dat het stencil een folie omvat waarin met het stelsel relatief smalle lijnen (2) corresponderende sleuven 30 die een breedte kleiner dan ca. 100 μνα hebben zijn aangebracht.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de breedte kleiner dan ca. 50 μιη is.

6. Werkwijze volgens een der conclusies 4 of 5, met het 1011081 kenmerk. dat het folie een dikte kleiner dan ca. 50 μτα heeft.

7. Werkwijze volgens een der vorige conclusies, waarbij de inrichting (4) voor contactloos opbrengen een boven het 5 substraat (1) plaatsbare spuitmond (9) omvat, met het kenmerk, dat de tweede pasta wordt opgebracht door de spuitmond (9) en het substraat (1) zodanig ten opzichte van elkaar te bewegen dat de spuitmond (9) het vooraf bepaalde patroon van het stelsel relatief brede banen (3) volgt.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de spuitmond (9) een doorsnede met een aspect-ratio met een waarde ongelijk aan 1 vertoont.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de aspect-ratio een waarde groter dan 2 heeft.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de aspect-ratio een waarde ten minste gelijk aan 5 heeft.

11. Werkwijze volgens een der conclusies 8-10, met het kenmerk. dat de spuitmond (9) zich met een lange as van de doorsnede evenwijdig aan het oppervlak van het substraat (1) 20 en loodrecht op de richting van de relatieve beweging van spuitmond (9) en substraat (1) uitstrekt.

12. Werkwijze volgens een der conclusies 8-11, waarbij de spuitmond (9) een doorsnede met een lange as met een lengte van ca. 1,5 mm lengte en een korte as met een lengte van ca. 25 300 μτη heeft.

13. Inrichting (4) voor het contactloos opbrengen van een tweede pasta voor een stelsel relatief brede banen (3) op ten minste een van de buitenste vlakken van een substraat (1) voor een fotovoltaisch element volgens een werkwijze volgens 30 een der conclusies 1-6, met het kenmerk, dat deze een boven het substraat plaatsbare spuitmond (9) omvat, waarbij het substraat (1) en deze spuitmond (9) zodanig ten opzichte van elkaar beweegbaar zijn dat tijdens een relatieve beweging van substraat (1) en spuitmond (9) de spuitmond (9) het vooraf 35 bepaalde patroon van het stelsel relatief brede banen (3) volgt.

14. Inrichting (4) volgens conclusie 13 voor het 4 1011081 uitvoeren van een werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk. dat de spuitmond (9) een doorsnede met een aspect-ratio met een waarde ongelijk aan 1 vertoont.

15. Inrichting (4) volgens conclusie 14 voor het 5 uitvoeren van een werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk. dat de aspect-ratio een waarde groter dan 2 heeft.

16. Inrichting (4) volgens conclusie 15 voor het uitvoeren van een werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de aspect-ratio een waarde ten minste gelijk aan 10. heeft.

17. Inrichting (4) volgens een der conclusies 14-16 voor het uitvoeren van een werkwijze volgens respectievelijk een der conclusies 8-10, met het kenmerk, dat de spuitmond (9) zich met een lange as van de doorsnede evenwijdig aan het 15 oppervlak van het substraat (1) en loodrecht op de richting van de relatieve beweging van spuitmond (9) en substraat (1) uitstrekt.

18. Inrichting (4) volgens een der conclusies 14-17 voor het uitvoeren van een werkwijze volgens respectievelijk een 20 der conclusies 8-11, met het kenmerk, dat de spuitmond (9) een doorsnede met een lange as met een lengte van ca. 1,5 mm lengte en een korte as met een lengte van ca. 300 μτα heeft.

19. Fotovoltaïsch element, voorzien van een volgens een werkwijze volgens een der conclusies 1-12 aangebracht 25 metallisatiepatroon (2, 3). 1011081