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Dokumentenidentifikation DE102006030822A1 03.01.2008
Titel Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktstruktur einer Solarzelle
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Mette, Ansgar, 79106 Freiburg, DE;
Schetter, Christian, 79098 Freiburg, DE;
Glunz, Stefan, Dr., 79111 Freiburg, DE;
Richter, Philipp, 79115 Freiburg, DE
Vertreter Lemcke, Brommer & Partner, Patentanwälte, 76133 Karlsruhe
DE-Anmeldedatum 30.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006030822
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse H01L 31/18(2006.01)A, F, I, 20060630, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B41J 2/03(2006.01)A, L, I, 20060630, B, H, DE   
Zusammenfassung 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.

Beschreibung[de]

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, C.H. 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 × 10–3 &OHgr; 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 × 10–8 &OHgr; 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 °C und 900 °C 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

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

2 den darauf folgenden Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem die Kontaktstruktur auf der Vorderseite der Solarzelle galvanisch verstärkt wird.

In 1 ist ein Druckkopf 1 mit einer Druckdüse 1a dargestellt, welcher zum Aufbringen eines Aerosols 2 auf die Oberfläche 5 einer Solarzelle dient. Der Druckkopf 1 weist Einlässe 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 1a 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 1a 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 1a 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 1 nach rechts und links und in die Bildebene hinein und aus dieser heraus) verfahren kann. Anschließend erfolgt ein Temperaturschritt bei ca. 400 °C 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 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.


Anspruch[de]
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 (1a) auf die Oberfläche (5) der Solarzelle (8) aufgebracht wird.
Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Druckdüse (1a) bei dem Aufbringen der metallhaltigen Tinte die Oberfläche (5) der Solarzelle (8) nicht berührt, insbesondere,

dass der Abstand der Druckdüse (1a) von der Oberfläche (5) der Solarzelle (8) bei dem Aufbringen der metallhaltigen Tinte mindestens 100 µm beträgt.
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. 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. 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. 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 × 10–3 &OHgr; cm2 aufweist, insbesondere, dass das erste Metall Nickel ist. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metall einen spezifischen Leitungswiderstand < 3 × 10–8 &OHgr; m aufweist, insbesondere, dass das zweite Metall Silber oder Kupfer ist. 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. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Silber-Siebdruckpaste mittels Aerosoldruck aufgebracht wird. 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. 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. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur einer Solarzelle (8) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Tinte mittels Inkjet-Druck aufgebracht wird. 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. 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. 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 100 °C und 900 °C erhitzt wird. 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.
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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