WO2007085448A1 - Verfahren zum herstellen einer metallischen kontaktstruktur einer solarzelle - Google Patents

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WO2007085448A1
WO2007085448A1 PCT/EP2007/000630 EP2007000630W WO2007085448A1 WO 2007085448 A1 WO2007085448 A1 WO 2007085448A1 EP 2007000630 W EP2007000630 W EP 2007000630W WO 2007085448 A1 WO2007085448 A1 WO 2007085448A1
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solar cell
contact structure
metal
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Ansgar Mette
Christian Schetter
Stefan Glunz
Philipp Richter
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    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/146—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a metallic contact structure of a solar cell.
  • a solar cell is a planar semiconductor element, in which a charge carrier separation is generated by means of incident electromagnetic radiation, so that a potential is created between at least two contacts of the solar cell and electrical power can be tapped from the solar cell via an external circuit connected to these contacts.
  • the charge carriers are collected via metallic contact structures, so that by contacting these contact structures at one or more contact points, the charge carriers can be fed into the external circuit.
  • grid-like metallic contact structures are typically applied to a surface of the solar cell, which overlap the surface of the solar cell finger-like, so that the charge carriers from all areas of the solar cell enter the contact structure and flow in the contact structure to the contact point and from there into the external circuit ,
  • the metallic contact structure on the one hand must have a low contact resistance to the contacted semiconductor region of the solar cell and on the other hand, the line resistance of the contact structure must be low.
  • the contact structure serves to make contact with the front side of the solar cell, through which the illumination of the solar cell also takes place, the contact structure must furthermore cover the smallest possible surface area of the front side of the solar cell in order to minimize shading losses.
  • Known for the production of such contact structures is the complete application of the entire contact grid in one step by screen printing a silver-containing paste. However, this creates wide contact fingers with limited conductivity and high electrical contact resistance to the semiconductor.
  • the present invention is therefore based on the object to propose a method for producing a contact structure of a solar cell, which is inexpensive and quick to carry out and on the other hand reduces the above-mentioned loss possibilities to a minimum.
  • the inventive method thus differs fundamentally from the prior art in that first the metallic contact structure is generated by a metal-containing ink, which by means of at least one
  • Pressure nozzle is applied to the surface of the solar cell and then a reinforcement of the metallic contact structure is made in an electrolytic bath.
  • the amplification can be carried out as known electroless amplification by exploiting different chemical potentials or in that in the electrolytic bath electrically a potential difference between a metal electrode and the metallic
  • the contact structure is formed by applying the metal-containing ink through a pressure nozzle, which is moved relative to the solar cell surface and substantially parallel to this.
  • the inventive method can be used for different solar cell sizes by the movement pattern of the printing nozzle is adjusted relative to the solar cell surface of the solar cell size.
  • Another advantage of the method according to the invention is that in the application of the metal-containing ink, the solar cell is subjected to only a small pressure compared to the conventional one
  • the metal-containing ink is applied to the solar cell by means of an inkjet printing process.
  • Essential to this embodiment of the method according to the invention is that the already developed inkjet printing method is used and combined with the reinforcement of the contact structure in an electrolytic bath, so that on the one hand on the cost and with respect to the design of the metallic contact structure flexible inkjet technology can be used and on the other hand the benefits of reinforcement in an electrolytic bath are utilized.
  • the metallic contact structure is applied to the solar cell by means of an aerosol printing process.
  • a metal-containing ink is applied by means of at least one pressure nozzle on the surface of the solar cell.
  • the aerosol process initially produces an aerosol of the printing ink.
  • This aerosol is directed by means of a pressure nozzle to the solar cell, wherein the pressure nozzle is attached to a printhead by means of a focusing gas, the aerosol is bundled and fed in focused form of the pressure nozzle.
  • a metal in each step.
  • a first metal can be contained in the metal-containing ink and thus form the metallic contact structure on the surface of the solar cell.
  • a second metal can be chosen for reinforcement in the electrolytic bath, for example for the metal electrode in the galvanic reinforcement, so that the reinforcement takes place by means of this second metal.
  • the metal of the metal-containing ink which is applied in the first step is selected as a metallic contact structure in such a way that a low electrical contact resistance and a high mechanical adhesion to the surface of the solar cell arise.
  • Typical silicon solar cells have an n-doped region on the side at which the metallic contact structure is to be applied.
  • the specific contact resistance between contact structure and n-doped region should advantageously be less than 1 ⁇ 10 -3 ⁇ cm 2 .
  • nickel is suitable as the metal content of the ink because low specific contact resistances are obtained by nickel.
  • Nickel points In addition, a high adhesion to the silicon surface, so that a later tearing of the contact structure can be avoided.
  • the use of metals with a specific line resistance ⁇ 3 ⁇ 10 -8 ⁇ m is advantageous in order to avoid negative losses due to the line resistance of the contact grid.
  • the use of silver or copper is advantageous because these metals have a low resistivity.
  • metal-containing ink For the process according to the invention can advantageously be used as metal-containing ink is a known silver screen printing paste which is so diluted with solvents that it has approximately 60 wg% silver particles with a size of 1 micron to 5 microns.
  • the use of such a thinned screen printing paste has the advantage that such pastes are widely used in screen printing processes and therefore already extensively researched and commercially available and the additional dilution reduces the risk of clogging of the printing nozzle.
  • the size of the metal particles present as nanoparticles being between 20 nm and 1000 nm.
  • the weight fraction of the metal particles and the paste is usefully in the range of 10% by weight to 20% by weight. Applicant's investigations have shown that with such an ink it is possible to print very fine lines with a width of less than 10 ⁇ m due to the small particle size, in particular in connection with the aerosol printing process.
  • this printing ink is also suitable for the use of the inkjet printing process, since due to the smaller particle size there is a lower risk of clogging of the printing nozzle.
  • a metal-containing ink for the process according to the invention, in which the metal is present in dissolved form, that is to say ionically.
  • Such inks are also called organometallic inks.
  • the metal content of these inks is about 20 wg%.
  • the surface of a solar cell, to which a metallic contacting structure is to be applied usually has a dielectric layer which has arisen due to oxidation of the surface or which has been deliberately applied to improve the reflection property of the surface and thus an increased proportion of the Solar cell incident light to couple into the solar cell.
  • the contact structure For a functional contacting, the contact structure must contact the underlying region of the solar cell through the dielectric layer.
  • the dielectric layer on the surface of the solar cell, to which the contact structure is to be applied is removed by means of a laser prior to application of the metal-containing ink.
  • the dielectric layer is removed only in the areas in which a contact between the metallic contact structure and the solar cell is to take place.
  • the laser or at least the exit opening of the laser is connected in a stationary manner to the pressure nozzle.
  • laser and pressure nozzle can be adjusted so that during the relative movement of the solar cell and the pressure nozzle first by means of the laser, the dielectric layer is removed and immediately followed by the application of the metallic contact structure by means of the pressure nozzle.
  • no adjustment between the steps of removing the dielectric layer and applying the metallic contact structure is necessary, but rather the dielectric layer is removed in the same process step by also applying the metal-containing ink.
  • the solar cell is heated to a temperature between 100 ° C. and 900 ° C. for a period between one second and thirty minutes ,
  • Heating the solar cell prior to amplifying in the electrolytic bath has the advantage that solvents contained in the ink evaporate before immersing the solar cell in the electrolytic bath.
  • the step of temperature treatment and thus the Einsinterung can also be performed with a tracking laser beam directly after the application of the metal layer.
  • the inventive method is applied to apply a metallic contact structure on the front side of a solar cell.
  • the back of the solar cell is typically provided with a full-surface metallization, which represents the back contact of the solar cell.
  • the solar cell is placed in the galvanic bath and irradiated with light, so that a potential difference between the front and back of the solar cell is generated.
  • the potential of the metal electrode can now be selected such that a potential difference between the metal electrode and the front side of the solar cell and thus the metallic contact structure applied by means of the printing process results, so that the metallic contact structure is reinforced in the electrolytic bath.
  • the back side of the solar cell is contacted during the galvanic reinforcement.
  • the solar cell is illuminated during galvanic amplification, so that a Potential difference between the front and back contact exists.
  • the potential difference is now chosen such that no resolution of the back side metallization of the solar cell takes place in the electrolytic bath. In this way it is achieved that the galvanic reinforcement only affects the front side contact of the solar cell and that only the metal electrode dissolves in the electrolytic bath, but not the back contact of the solar cell.
  • Figure 1 shows the process step of the method according to the invention by means of a laser, the dielectric layer of the solar cell is opened and by means of aerosol printing a metal-containing printing ink on the
  • FIG. 2 shows the subsequent process step of the invention
  • the printhead 1 shows a printhead 1 with a pressure nozzle 1 a, which serves for applying an aerosol 2 to the surface 5 of a solar cell.
  • the printhead 1 has inlets 3a and 3b into which focusing gas is introduced, so that the aerosol 2 is focused by a ring flow of the focusing gases so that it exits from the pressure nozzle 1 a, without touching the pressure nozzle.
  • a light guide 4 which is connected to a laser (not shown). Via the light guide 4, the surface 5 of the solar cell is exposed to laser radiation, so that the dielectric layer is removed on the surface of the solar cell in the applied areas by evaporation. Pressure nozzle 1 a and light guide 4 are adjusted such that upon movement of the solar cell according to direction A, the aerosol is applied in the open by means of laser radiation region of the dielectric layer on the surface 5 of the solar cell.
  • the aerosol 2 is produced from a screen printing paste which has approximately 60% by weight of nickel particles with a diameter of 1 to 5 ⁇ m.
  • the screen printing paste from which the aerosol 2 is obtained contains no glass frit, because a through-etching through the dielectric layer is not necessary.
  • the remaining 100% by weight missing parts by weight of screen printing paste consist of binders and solvents.
  • the printing takes place under normal atmosphere at room temperature.
  • the relative movement between the surface 5 of the solar cell and the print head 1 with the pressure nozzle 1 a and the light guide 4 is achieved in that the solar cell is mounted on an XY table, which perpendicular to the jet direction of the pressure nozzle (ie to the right in FIG and left and into the picture plane and out of it). Subsequently, a temperature step at about 400 0 C to perform the contact formation of the applied metal paste to the semiconductor.
  • a metallic contact structure which has a small line width is thus applied to the surface 5 by means of the aerosol.
  • nickel was chosen as the metal for the metal particles, so that the contact structure applied by the aerosol printing on the one hand has a low contact resistance with the n-type doping of the silicon solar cell located on the surface 5 on the solar cell and, moreover, good adhesion between the contact structure and the surface 5 of the solar cell is given.
  • the solar cell is placed in an electrolytic bath for galvanic reinforcement, as shown in Figure 2.
  • a container 6a is an electrolytic bath 6, in which a silver electrode 7 and the solar cell 8 - whose surface 5 has the previously applied metallic contact structure - are immersed.
  • the bottom of the drawing in the drawing back contact of the solar cell is connected to the negative contact of a voltage source whose positive contact is connected to the silver electrode 7.
  • a light source 9 acts on the front side of the solar cell 8 with light, so that a potential is formed between the front side contact lying in the drawing above with the contact structure applied by means of aerosol printing and the rear side contact.
  • the potential ratio between silver electrode 7, front side contact and back contact of the solar cell 8 is now selected such that silver ions from the silver electrode 7 through the electrolytic bath 6 attach to the contact structure on the front side 5 of the solar cell 8, so that it is galvanically reinforced.
  • the potential of the rear side of the solar cell 8 is selected such that no metal ions pass into the electrolytic bath from the rear side of the solar cell, so that the rear-side contact of the solar cell 8 does not dissolve.
  • the potential of the front of the solar cell is lower than the potential of the back of the solar cell and this in turn less than the potential of the electrode.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktstruktur einer Solarzelle, umfassend die Verfahrensschritte: - Aufbringen einer metallischen Kontaktstruktur auf eine Oberfläche der Solarzelle, Verstärken der metallischen Kontaktstruktur in einem elektrolytischen Bad. Wesentlich ist, dass die metallische Kontaktstruktur dadurch aufgebracht wird, dass eine metallhaltige Tinte mittels mindestens einer Druckdüse auf die Oberfläche der Solarzelle aufgebracht wird.

Description

Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktstruktur einer Solarzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktstruktur einer Solarzelle.
Eine Solarzelle stellt ein flächiges Halbleiterelement dar, bei dem mittels einfallender elektromagnetischer Strahlung eine Ladungsträgertrennung erzeugt wird, so dass zwischen mindestens zwei Kontakten der Solarzelle ein Potential entsteht und über einen mit diesen Kontakten verbundenen externen Stromkreis elektrische Leistung von der Solarzelle abgegriffen werden kann.
Die Ladungsträger werden dabei über metallische Kontaktstrukturen eingesammelt, so dass durch Kontaktierung dieser Kontaktstrukturen an einem oder mehreren Kontaktpunkten die Ladungsträger in den externen Stromkreis eingespeist werden können.
Hierzu werden typischerweise gitterartige metallische Kontaktstrukturen auf eine Oberfläche der Solarzelle aufgebracht, welche fingerartig die Oberfläche der Solarzelle überdecken, so dass aus allen Bereichen der Solarzelle die Ladungsträger in die Kontaktstruktur eintreten und in der Kontaktstruktur zu dem Kontaktpunkt und von dort in den externen Stromkreis fließen können.
Zur Vermeidung von Verlusten muss die metallische Kontaktstruktur einerseits einen geringen Kontaktwiderstand zu dem kontaktierten Halbleiterbereich der Solarzelle aufweisen und andererseits muss der Leitungswiderstand der Kontaktstruktur gering sein.
Sofern die metallische Kontaktstruktur zur Kontaktierung der Vorderseite der Solarzelle dient, durch die auch die Beleuchtung der Solarzelle stattfindet, muss die Kontaktstruktur weiterhin einen möglichst kleinen Flächenbereich der Vorderseite der Solarzelle abdecken, um Abschattungsverluste zu minimieren. Bekannt zur Herstellung solcher Kontaktstrukturen ist das vollständige Aufbringen des gesamten Kontaktgitters in einem Schritt mittels Siebdruck einer silberhaltigen Paste. Dabei entstehen jedoch breite Kontaktfinger mit begrenzter Leitfähigkeit und hohem elektrischen Kontaktwiderstand zum Halbleiter.
Weiterhin ist es bekannt, zunächst eine gitterartige, metallische Kontaktstruktur mittels Siebdruck auf die Vorderseite einer Silizium-Solarzelle aufzubringen und anschließend die Kontaktstruktur in einem elektrolytischen Bad zu verstärken. Bei dieser galvanischen (strominduzierten) Verstärkung werden die Solarzelle und eine Metallelektrode in das elektrolytische Bad gegeben, wobei sowohl die Kontaktstruktur als auch die Metallelektrode kontaktiert werden, so dass ein Potential zwischen diesen erzeugt werden kann, derart, dass von der Metallelektrode ausgehend Metallionen durch das elektrolytische Bad wandern und sich an der metallischen Kontaktstruktur der Solarzelle anlagern und diese somit verstärken.
Für die industrielle Fertigung ist es wesentlich, dass der gesamte Herstellungsprozess der Solarzelle, insbesondere auch die Herstellung der Kontaktstruktur einfach und kostenunaufwendig durchgeführt werden kann, ohne dass der Wirkungsgrad der Solarzelle durch das gewählte Herstellungsverfahren wesentlich beeinträchtigt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle vorzuschlagen, welches kostengünstig und schnell durchführbar ist und andererseits die oben genannten Verlustmöglichkeiten auf ein Minimum reduziert.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktstruktur einer Solarzelle gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Unteransprüchen 2 bis 17.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich vom Stand der Technik also grundlegend dadurch, dass zunächst die metallische Kontaktstruktur durch eine metallhaltige Tinte erzeugt wird, welche mittels mindestens einer
Druckdüse auf die Oberfläche der Solarzelle aufgebracht wird und anschließend eine Verstärkung der metallischen Kontaktstruktur in einem elektrolytischen Bad vorgenommen wird. Die Verstärkung kann dabei als bekannte stromlose Verstärkung unter Ausnutzung unterschiedlicher chemischer Potentiale erfolgen oder dadurch, dass in dem elektrolytischen Bad elektrisch eine Potentialdifferenz zwischen einer Metallelektrode und der metallischen
Kontaktstruktur erzeugt wird und dadurch eine galvanische (strominduzierte) Verstärkung erfolgt.
Im Gegensatz zu dem Siebdruckverfahren, bei dem ein Sieb auf die Oberfläche der Solarzelle gelegt wird und mittels eines Rakels Siebdruckpaste durch das Sieb auf die Oberfläche der Solarzelle gedrückt wird, entsteht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kontaktstruktur durch Aufbringen der metallhaltigen Tinte durch eine Druckdüse, welche relativ zu der Solarzellenoberfläche und im wesentlichen parallel zu dieser bewegt wird.
Hierdurch sind keine Drucksiebe erforderlich, da die Kontaktstruktur sich aus der Relativbewegung zwischen Solarzellenoberfläche und Druckdüse ergibt, so dass Kosten eingespart werden können:
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für unterschiedliche Solarzellengrößen benutzt werden, indem das Bewegungsmuster der Druckdüse relativ zur Solarzellenoberfläche der Solarzellengröße angepasst wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich außerdem unterschiedliche Formen der metallischen Kontaktstrukturen verwirklichen. Insbesondere ist die Herstellung aller gängigen Kontaktstrukturen, das heißt gitterartige, kammartige oder sternförmige Kontaktstrukturen möglich.
Es können somit unterschiedliche Größen und Formen von Kontaktstrukturen erzeugt werden, ohne dass dafür jeweils ein spezielles Drucksieb hergestellt werden muss.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bei dem Aufbringen der metallhaltigen Tinte die Solarzelle nur mit einem geringen Druck beaufschlagt wird, verglichen mit dem herkömmlichen
Siebdruckverfahren. Hierdurch wird die Bruchgefahr beim Herstellen der Kontaktstruktur verringert und darüber hinaus können Unebenheiten in der Oberfläche der Solarzelle leicht ausgeglichen werden: Zum einen ist durch die Beabstandung zwischen Druckdüse und Oberfläche der Solarzelle eine Unebenheit in der Oberfläche der Solarzelle unerheblich. Zum anderen kann die Druckdüse bei erheblichen Unebenheiten leicht diesen Unebenheiten nachgeführt werden, so dass ein annähernd konstanter Abstand zur Oberfläche vorliegt.
Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass für typische Silizium- Solarzellen ein Mindestabstand von Druckdüse zu der Oberfläche der Solarzelle von mindestens 100 μm für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei typischen Silizium-Solarzellen besonders geeignet ist.
In einer vorzugsweisen Ausgestaltung wird die metallhaltige Tinte mittels eines Inkjet-Druckverfahrens auf die Solarzelle aufgebracht. Das Inkjet-
Druckverfahren ist zum Bedrucken von Materialien mit Farbstoff bereits bekannt und findet insbesondere bei Tintenstrahldruckern eine breite Verwendung. Eine Übersicht über die Technik der Inkjet-Druckverfahren findet sich in J. Heinzl, CH. Hertz, „Ink-Jet Printing", Advances in Electronics and Electron Physics, Vol. 65 (1985), pp. 91-112.
Wesentlich an dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass das bereits entwickelte Inkjet-Druckverfahren angewandt und mit der Verstärkung der Kontaktstruktur in einem elektrolytischen Bad kombiniert wird, so dass einerseits auf die kostengünstige und bezüglich der Gestaltung der metallischen Kontaktstruktur flexible InkJet-Technik zurückgegriffen werden kann und andererseits die Vorteile der Verstärkung in einem elektrolytischen Bad genutzt werden.
Darüber hinaus werden Nachteile vermieden, welche bei der kompletten
Herstellung der Kontaktstruktur mittels Inkjet-Druck auftreten. Als Hauptnachteil ist hierbei zu nennen, dass aufgrund der relativ geringen Metallmenge, die pro Inkjet-Durchgang aufgebracht wird, mehrere Durchgänge notwendig sind, um die Kontaktstruktur in der notwendigen Stärke bzw. Leitfähigkeit aufzubauen. Des Weiteren kann bei reinen InkJet-Verfahren nur ein kleineres erreichbares Aspektverhältnis von Linienhöhe zu Linienbreite der fingerartigen Strukturen der Kontaktstruktur erreicht werden, wohingegen mit der Kombination Inkjet-Druck und anschließender Verstärkung in einem elektrolytischen Bad geringere Linienbreiten bei gleichem Leitungswiderstand erzeugt werden können, so dass die Abschattung der Solarzelle bei Beleuchtung geringer ist und damit ein höherer Wirkungsgrad der Solarzelle erzielt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die metallische Kontaktstruktur mittels eines Aerosol- Druckverfahrens auf die Solarzelle aufgebracht. Auch bei diesem Verfahren wird eine metallhaltige Tinte mittels mindestens einer Druckdüse auf die Oberfläche der Solarzelle aufgebracht.
Im Gegensatz zum Inkjet-Druckverfahren wird bei dem Aerosol-Verfahren zunächst ein Aerosol der Drucktinte erzeugt. Dieses Aerosol wird mittels einer Druckdüse auf die Solarzelle geleitet, wobei die Druckdüse an einem Druckkopf angebracht ist, indem mittels eines Fokussiergases das Aerosol gebündelt wird und in fokussierter Form der Druckdüse zugeleitet.
Hierdurch wird ein Kontakt zwischen Druckdüse und Tinte vermieden, so dass die Gefahr einer Verstopfung der Druckdüse im Vergleich zum Inkjet- Druckverfahren wesentlich geringer ist.
Darüber hinaus ist durch die Fokussierung mittels des Fokussiergases der
Druck von feineren Linien, verglichen mit dem Inkjet-Druckverfahren möglich, so dass nach der Verstärkung im elektrolytischen Bad insgesamt nochmals feinere Kontaktstrukturen und ein größeres Aspektverhältnis möglich sind und hierdurch Abschattungsverluste verringert werden können.
Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass durch die Fokussierung des Aerosols mittels des Fokussiergases ein größerer Abstand zwischen Druckdüse und Solarzellenoberfläche als bei dem Inkjet-Druckverfahren möglich ist, ohne dass Verschmierungen der Drucktinte auftreten. Insbesondere kann bei dem Aerosolverfahren ein Abstand von 1 mm zwischen Druckdüse und Oberfläche der Solarzelle bestehen, so dass auch größere Unebenheiten der Solarzellenoberfläche kein Nachführen der Druckdüse erfordern.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Aufbringen der metallischen Struktur und das Verstärken mittels des elektrolytischen Bades in zwei Schritten vorgenommen wird, ist es möglich, in jedem Schritt jeweils ein Metall zu verwenden. So kann ein erstes Metall in der metallhaltigen Tinte enthalten sein und somit die metallische Kontaktstruktur auf der Oberfläche der Solarzelle bilden. Ein zweites Metall kann für die Verstärkung im elektrolytischen Bad gewählt werden, beispielsweise für die Metallelektrode bei der galvanischen Verstärkung, so dass die Verstärkung mittels dieses zweiten Metalls stattfindet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden für das Aufbringen der metallischen Kontaktstruktur und für die Verstärkung im elektrolytischen Bad unterschiedliche Metalle verwendet. Dies hat den Vorteil, dass die Auswahl des Metalls für unterschiedliche Funktionen optimiert werden kann:
So ist es vorteilhaft, das Metall der metallhaltigen Tinte, das im ersten Schritt als metallische Kontaktstruktur aufgebracht wird derart zu wählen, dass ein geringer elektrischer Kontaktwiderstand und eine hohe mechanische Haftung mit der Oberfläche der Solarzelle entstehen.
Bei der Verstärkung im elektrolytischen Bad ist hingegen vorteilhafterweise ein Metall zu wählen, welches einen geringen spezifischen Leitungswiderstand aufweist, so dass der Leitungswiderstand der Kontaktstruktur minimiert wird.
Typische Silizium-Solarzellen weisen an der Seite, an der die metallische Kontaktstruktur aufgebracht werden soll einen n-dotierten Bereich auf. Hierbei sollte vorteilhafterweise der spezifische Kontaktwiderstand zwischen Kontaktstruktur und n-dotiertem Bereich kleiner als 1 x10'3 Ω cm2 sein.
Daher ist insbesondere Nickel als Metallanteil der Tinte geeignet, da durch Nickel niedrige spezifische Kontaktwiderstände erhalten werden. Nickel weist darüber hinaus eine hohe Haftung mit der Siliziumoberfläche auf, so dass ein späteres Abreißen der Kontaktstruktur vermieden werden kann.
Für die elektrolytische Verstärkung ist die Verwendung von Metallen mit einem spezifischen Leitungswiderstand < 3 x 10~8 Ω m vorteilhaft um joulsche Verluste aufgrund des Leitungswiderstandes des Kontaktgitters zu vermeiden. Insbesondere ist die Verwendung von Silber oder Kupfer vorteilhaft, da diese Metalle einen geringen spezifischen Leitungswiderstand aufweisen.
Grundsätzlich sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren alle bekannten metallhaltigen Tinten verwendbar. Untersuchungen der Anmelderin haben jedoch ergeben, dass gewisse metallhaltige Tinten besondere Vorzüge aufweisen:
Für das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise als metallhaltige Tinte eine an sich bekannte Silber-Siebdruckpaste verwendet werden, welche derart mit Lösungsmitteln verdünnt wird, dass sie in etwa 60 wg% Silberpartikel mit einer Größe von 1 μm bis 5 μm aufweist. Die Verwendung einer solchen verdünnten Siebdruck-Paste hat den Vorteil, dass solche Pasten in Siebdruckverfahren breite Verwendung finden und daher bereits ausgiebig erforscht und kommerziell erhältlich sind und durch die zusätzliche Verdünnung die Verstopfungsgefahr der Druckdüse verringert wird.
Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass eine Verwendung der Siebdruck-Paste für das Inkjet-Druckverfahren aufgrund der Partikelgröße der Metallpartikel in der Siebdruckpaste häufig zu Verstopfungen der Druckdüse führt, so dass es vorteilhaft ist, die Siebdruckpaste mittels Aerosoldruck aufzubringen, da hier kein Kontakt der Paste mit der Druckdüse stattfindet und daher die Wahrscheinlichkeit einer Verstopfung deutlich reduziert ist.
Ebenso ist die Verwendung einer metallhaltigen Tinte vorteilhaft, welche Nanopartikel aufweist, wobei die Größe der als Nanopartikel vorliegenden Metallpartikel zwischen 20 nm und 1000 nm liegt. Der Gewichtsanteil der Metallpartikel und der Paste liegt sinnvollerweise im Bereich von 10 wg% bis 20 wg%. Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass mit solch einer Tinte aufgrund der geringen Partikelgröße insbesondere in Verbindung mit dem Aerosol-Druckverfahren das Drucken von sehr feinen Linien mit einer Breite kleiner 10 μm möglich ist.
Darüber hinaus eignet sich diese Drucktinte auch für die Anwendung des Inkjet- Druckverfahrens, da aufgrund der geringeren Partikelgröße eine geringere Gefahr der Verstopfung der Druckdüse besteht.
Weiterhin ist es vorteilhaft, eine metallhaltige Tinte für das erfindungsgemäße Verfahren zu benutzen, bei der das Metall in gelöster Form, das heißt ionisch vorliegt. Solche Tinten werden auch metallorganische Tinten genannt. Der Metallanteil bei diesen Tinten beträgt in etwa 20 wg%.
Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass die Verwendung dieser Tinte insbesondere für Inkjet-Druck geeignet ist, da das Metall nicht als Partikel in der Drucktinte vorliegt und somit eine Verstopfung der Druckdüse nahezu ausgeschlossen werden kann. Darüber hinaus ist aufgrund des Vorliegens des Metalls in ionischer Form (und nicht als Metallpartikel) das Drucken von sehr feinen Linien möglich.
Die Oberfläche einer Solarzelle, auf die eine metallische Kontaktierungsstruktur aufgebracht werden soll, weist üblicherweise eine dielektrische Schicht auf, welche aufgrund einer Oxidierung der Oberfläche entstanden ist oder welche willentlich aufgebracht wurde, um die Reflektionseigenschaft der Oberfläche zu verbessern und so einen erhöhten Anteil des auf die Solarzelle auftreffenden Lichts in die Solarzelle einzukoppeln.
Für eine funktionierende Kontaktierung muss die Kontaktstruktur durch die dielektrische Schicht hindurch den darunter liegenden Bereich der Solarzelle kontaktieren.
Hierfür ist es aus den Siebdruckverfahren bekannt, der Siebdruckpaste Glasfritte hinzuzufügen und nach Drucken der Kontaktstruktur durch einen Temperaturschritt (Erhitzen der Solarzelle) einen durch die Glasfritte unterstütztes Durchfeuern (d.h. Durchätzen) der Metallstruktur durch die dielektrische Schicht zu erzeugen.
Die Verwendung von Glasfritte weist jedoch Nachteile auf, da der Ätzvorgang der Glasfritte durch die dielektrische Schicht nur Nährungsweise durch Wahl der Temperatur und Dauer des Temperaturschritts gesteuert werden kann, so dass eine Beschädigung der unter der dielektrischen Schicht liegenden Bereiche Solarzelle, insbesondere des n-dotierten Bereiches möglich ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher die dielektrische Schicht auf der Oberfläche der Solarzelle, auf die die Kontaktstruktur aufgebracht werden soll, vor dem Aufbringen der metallhaltigen Tinte mittels eines Lasers entfernt. Hierbei wird die dielektrische Schicht nur in den Bereichen entfernt, in denen ein Kontakt zwischen der metallischen Kontaktstruktur und der Solarzelle stattfinden soll.
Um nach dem Entfernen der dielektrischen Schicht eine Oxidierung oder Verschmutzung der Oberfläche der Solarzelle in diesen Bereichen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die dielektrische Schicht mittels des Lasers unmittelbar vor dem Aufbringen der metallhaltigen Tinte auf die Oberfläche der Solarzelle zu entfernen.
Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Laser oder zumindest die Austrittsöffnung des Lasers wie beispielsweise ein flexibler Lichtleiter ortsfest mit der Druckdüse verbunden ist. Auf diese Weise können Laser und Druckdüse derart justiert werden, dass bei der Relativbewegung von Solarzelle und Druckdüse zunächst mittels des Lasers die dielektrische Schicht entfernt wird und unmittelbar anschließend das Aufbringen der metallischen Kontaktstruktur mittels der Druckdüse erfolgt. Auf diese Weise ist keine Justierung zwischen den Verfahrensschritten des Entfernens der dielektrischen Schicht und des Aufbringens der metallischen Kontaktstruktur notwendig, vielmehr wird die dielektrische Schicht in demselben Verfahrensschritt entfernt, indem auch die metallhaltige Tinte aufgebracht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine metallische
Kontaktstruktur aufgebracht, welche anschließend in einem elektrolytischen Bad verstärkt wird. Um den Kontakt der metallischen Kontaktstruktur und der Verstärkung zu verbessern ist es vorteilhaft, wenn vor und/oder nach der Verstärkung im elektrolytischen Bad die Solarzelle für eine Zeitdauer zwischen einer Sekunde und dreißig Minuten auf eine Temperatur zwischen 100 0C und 900 0C erhitzt wird.
Eine Erhitzung der Solarzelle vor dem Verstärken im elektrolytischen Bad hat den Vorteil, dass in der Tinte enthaltene Lösungsmittel vor dem Eintauchen der Solarzelle in das elektrolytische Bad verdampfen. Der Schritt der Temperaturbehandlung und damit der Einsinterung kann auch mit einem nachgeführten Laserstrahl direkt nach dem Aufbringen der Metallschicht durchgeführt werden.
Typischerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren angewandt, um eine metallische Kontaktstruktur auf die Vorderseite einer Solarzelle aufzubringen. Die Rückseite der Solarzelle ist typischerweise mit einer ganzflächigen Metallisierung versehen, welche den Rückseitenkontakt der Solarzelle darstellt.
Die Eigenschaft der Solarzelle, eine Trennung von Ladungsträgern bei Bestrahlung mit Licht zu erzeugen kann daher ausgenutzt werden, um eine galvanische (strominduzierte) Verstärkung vorzunehmen, ohne dass die Solarzelle im galvanischen Bad kontaktiert werden müsste:
Hierzu wird vorteilhafterweise die Solarzelle in das galvanische Bad gegeben und mit Licht bestrahlt, so dass eine Potentialdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite der Solarzelle erzeugt wird. Das Potential der Metallelektrode kann nun derart gewählt werden, dass eine Potentialdifferenz zwischen der Metallelektrode und der Vorderseite der Solarzelle und damit der mittels des Druckverfahrens aufgebrachten metallischen Kontaktstruktur entsteht, so dass in dem elektrolytischen Bad ein Verstärken der metallischen Kontaktstruktur stattfindet.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Rückseite der Solarzelle während der galvanischen Verstärkung kontaktiert. Wie vorhergehend beschrieben wird die Solarzelle während der galvanischen Verstärkung beleuchtet, so dass eine Potentialdifferenz zwischen dem Vorder- und Rückseitenkontakt besteht. Zwischen der kontaktierten Rückseite der Solarzelle und der Metallelektrode in dem elektrolytischen Bad wird die Potentialdifferenz nun derart gewählt, dass keine Auflösung der Rückseitenmetallisierung der Solarzelle im elektrolytischen Bad erfolgt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die galvanische Verstärkung lediglich den Vorderseitenkontakt der Solarzelle betrifft und dass sich lediglich die Metallelektrode im elektrolytischen Bad auflöst, nicht aber der Rückseitenkontakt der Solarzelle.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 den Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, indem mittels eines Lasers die dielektrische Schicht der Solarzelle geöffnet wird und mittels Aerosoldruck eine metallhaltige Drucktinte auf die
Oberfläche der Solarzelle aufgebracht wird und
Figur 2 den darauf folgenden Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen
Verfahrens, in dem die Kontaktstruktur auf der Vorderseite der Solarzelle galvanisch verstärkt wird.
In Figur 1 ist ein Druckkopf 1 mit einer Druckdüse 1 a dargestellt, welcher zum Aufbringen eines Aerosols 2 auf die Oberfläche 5 einer Solarzelle dient. Der Druckkopf 1 weist Einlasse 3a und 3b auf, in welche Fokussiergas eingeleitet wird, so dass das Aerosol 2 durch einen Ringstrom der Fokussiergase derart fokussiert wird, dass es aus der Druckdüse 1 a austritt, ohne die Druckdüse zu berühren.
An dem Druckkopf ist ferner ein Lichtleiter 4 angebracht, welcher mit einem (nicht dargestellten) Laser verbunden ist. Über den Lichtleiter 4 wird die Oberfläche 5 der Solarzelle mit Laserstrahlung beaufschlagt, so dass die dielektrische Schicht auf der Oberfläche der Solarzelle in den beaufschlagten Bereichen durch Verdampfen entfernt wird. Druckdüse 1 a und Lichtleiter 4 sind dabei derart justiert, dass bei einer Bewegung der Solarzelle gemäß Richtung A das Aerosol in dem mittels der Laserstrahlung geöffneten Bereich der dielektrischen Schicht auf der Oberfläche 5 der Solarzelle aufgebracht wird. Das Aerosol 2 wird aus einer Siebdruckpaste erzeugt, welche in etwa 60 wg% Nickelpartikel mit einem Durchmesser von 1 bis 5 μm aufweist. Da die dielektrische Schicht der Solarzelle mittels des Lasers geöffnet wird, enthält die Siebdruckpaste, aus der das Aerosol 2 gewonnen wird, keine Glasfritte, denn ein Durchätzen durch die dielektrische Schicht ist nicht notwendig. Die restlichen zu 100 wg% fehlenden Gewichtsanteile der Siebdruckpaste bestehen aus Binde- und Lösungsmitteln.
Der Druckvorgang findet unter Normalatmosphäre bei Raumtemperatur statt.
Die Relativbewegung zwischen der Oberfläche 5 der Solarzelle und dem Druckkopf 1 mit der Druckdüse 1 a und dem Lichtleiter 4 wird dadurch erreicht, dass die Solarzelle auf einem XY-Tisch gelagert ist, welcher diese senkrecht zur Strahlrichtung der Druckdüse (d. h. in Figur 1 nach rechts und links und in die Bildebene hinein und aus dieser heraus) verfahren kann. Anschließend erfolgt ein Temperaturschritt bei ca. 4000C um die Kontaktbildung der aufgebrachten Metallpaste zum Halbleiter durchzuführen.
Nach Abschluss dieses Verfahrensschrittes ist auf der Oberfläche 5 somit mittels des Aerosols eine metallische Kontaktstruktur aufgebracht, welche eine geringe Linienbreite aufweist. Für die Siebdruckpaste wurde Nickel als Metall für die Metallpartikel gewählt, so dass die mittels des Aerosoldrucks aufgebrachte Kontaktstruktur einerseits einen geringen Kontaktwiderstand mit der sich an der Oberfläche 5 an der Solarzelle befindenden n-Dotierung der Siliziumsolarzelle aufweist und darüber hinaus eine gute Haftung zwischen der Kontaktstruktur und der Oberfläche 5 der Solarzelle gegeben ist.
Nachdem dieser Verfahrensschritt abgeschlossen ist, wird die Solarzelle in ein elektrolytisches Bad zur galvanischen Verstärkung gegeben, wie in Figur 2 dargestellt.
In einem Behälter 6a befindet sich ein elektrolytisches Bad 6, in das eine Silberelektrode 7 und die Solarzelle 8 - deren Oberfläche 5 die vorhergehend aufgebrachte metallische Kontaktstruktur aufweist - eingetaucht sind. Der in der Zeichnung unten liegende Rückseitenkontakt der Solarzelle ist mit dem negativen Kontakt einer Spannungsquelle verbunden, deren positiver Kontakt mit der Silberelektrode 7 verbunden ist. Eine Lichtquelle 9 beaufschlagt die Vorderseite der Solarzelle 8 mit Licht, so dass sich zwischen dem in der Zeichnung oben liegenden Vorderseitenkontakt mit der mittels Aerosoldruck aufgebrachten Kontaktstruktur und dem Rückseitenkontakt ein Potential ausbildet. Das Potentialverhältnis zwischen Silberelektrode 7, Vorderseitenkontakt und Rückseitenkontakt der Solarzelle 8 ist nun derart gewählt, dass Silberionen ausgehend von der Silberelektrode 7 durch das elektrolytische Bad 6 sich an der Kontaktstruktur auf der Vorderseite 5 der Solarzelle 8 anlagern, so dass diese galvanisch verstärkt wird.
Ferner ist das Potential der Rückseite der Solarzelle 8 derart gewählt, dass von der Rückseite der Solarzelle keine Metallionen in das elektrolytische Bad übergehen, so dass sich der Rückseitenkontakt der Solarzelle 8 nicht auflöst. Das Potential der Vorderseite der Solarzelle ist dabei geringer, als das Potential der Rückseite der Solarzelle und dieses wiederum geringer als das Potential der Elektrode.

Claims

A n s p r ü c h e
1 . Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktstruktur einer Solarzelle (8), umfassend die Verfahrensschritte:
- Aufbringen einer metallischen Kontaktstruktur auf eine Oberfläche
(5) der Solarzelle (8), - Verstärken der metallischen Kontaktstruktur in einem elektrolytischen Bad (6) dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Kontaktstruktur dadurch aufgebracht wird, dass eine metallhaltige Tinte (2) mittels mindestens einer Druckdüse (1 a) auf die Oberfläche (5) der Solarzelle (8) aufgebracht wird.
2. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdüse (1 a) bei dem Aufbringen der metallhaltigen Tinte die
Oberfläche (5) der Solarzelle (8) nicht berührt, insbesondere, dass der Abstand der Druckdüse (1 a) von der Oberfläche (5) der Solarzelle (8) bei dem Aufbringen der metallhaltigen Tinte mindestens 100 μm beträgt.
3. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Kontaktstruktur mittels eines Inkjet- Druckverfahrens auf die Solarzelle (8) aufgebracht wird.
4. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Kontaktstruktur mittels eines Aerosol-
Druckverfahrens auf die Solarzelle (8) aufgebracht wird.
5. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Tinte ein erstes Metall aufweist und dass zur galvanischen Verstärkung ein zweites Metall verwendet wird, wobei das erste Metall und das zweite Metall verschieden sind.
6. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metall einen spezifischen Kontaktwiderstand zu einer n- dotierten Siliziumschicht an der Oberfläche der Solarzelle kleiner 1 x10"3 Ω cm2 aufweist, insbesondere, dass das erste Metall Nickel ist.
7. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metall einen spezifischen Leitungswiderstand < 3x10 8
Ω m aufweist, insbesondere, dass das zweite Metall Silber oder Kupfer ist.
8. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Tinte eine Silber-Siebdruckpaste ist, welche in etwa 60 wg% Silberpartikel mit einer Größe zwischen 1 μm bis 5 μm aufweist.
9. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Silber-Siebdruckpaste mittels Aerosoldruck aufgebracht wird.
10. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Tinte einen Nanopartikel enthaltende Paste ist, welche Metallpartikel mit einer Größe zwischen 20 nm und 1000 nm enthält, wobei der Gewichtsanteil der Metallpartikel an der Paste im Bereich von 10 wg% bis 30 wg% liegt.
1 1 . Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Tinte eine metallorganische Tinte ist, bei der das
Metall in gelöster Form (ionisch) vorliegt.
12. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der Ansprüche 10 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Tinte mittels InkJet-
Druck aufgebracht wird.
13. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der metallischen Kontaktstruktur eine dielektrische Schicht auf der Oberfläche (5) der Solarzelle (8) zumindest teilweise in den Bereichen entfernt wird, in denen die metallische Kontaktstruktur auf die Oberfläche (5) der Solarzelle (8) aufgebracht wird.
14. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht auf der Oberfläche (5) der Solarzelle (8) mittels eines Lasers entfernt wird, insbesondere, dass unmittelbar vor dem Aufbringen der metallhaltigen Tinte auf die Oberfläche (5) der Solarzelle (8) die dielektrische Schicht mittels des Lasers entfernt wird.
15. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach der Verstärkung in dem elektrolytischen Bad der metallischen Kontaktstruktur die Solarzelle für eine Zeitdauer zwischen
1 sec und 30 Minuten auf eine Temperatur zwischen 1000C und 900°C erhitzt wird.
16. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Kontaktstruktur auf die Vorderseite (5) der
Solarzelle (8) aufgebracht wird, dass die Verstärkung eine galvanische (strominduzierte) Verstärkung ist und dass bei der galvanischen Verstärkung zwischen Vorder- und Rückseite der Solarzelle (8) eine Potentialdifferenz dadurch erzeugt wird, dass die
Solarzelle (8) mit Licht bestrahlt wird.
17. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach
Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite der Solarzelle (8) elektrisch kontaktiert wird, um eine Potentialdifferenz zu einer sich im elektrolytischen Bad befindlichen Metallelektrode (7) zu erzeugen und dass die Potentialdifferenz zwischen der Rückseite der Solarzelle (8) und der Metallelektrode (7) so gewählt wird, dass keine Auflösung einer Rückseitenmetallisierung der Solarzelle (8) im elektrolytischen Bad erfolgt.
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