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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-37820
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/3782/


Mette, Ansgar

New concepts for front side metallization of industrial silicon solar cells

Neue Konzepte für die Vorderseitenmetallisierung von industriell hergestellten Siliziumsolarzellen

Dokument1.pdf (9.133 KB) (md5sum: 32d1f42ec81c4d86d3740aae169d3a91)

Kurzfassung in Deutsch

Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Optimierung der Vorderseitenstruktur industriell gefertigter Siliziumsolarzellen. Da der standardmäßig mit dem Siebdruckverfahren hergestellte Kontakt stark limitiert ist, das heißt einen hohen Kontaktwiderstand zum Silizium, eine geringe Fingerleitfähigkeit und ein geringes Aspektverhältnis (Höhe:Breite) aufweist, wurden alternative Metallisierungstechnologien für die Solarzellenvorderseite evaluiert. Hierzu zählen Schablonen-, Tampon-, Tintenstrahldruck und Dispensen. Allerdings erfüllt keine dieser Technologien alle Anforderungen eines hocheffizienten Vorderseitenkontaktes. Aus diesem Grund basieren die in dieser Arbeit entwickelten Konzepte überwiegend auf einem Zweischichten-kontaktsystem. Die erste Schicht soll dabei eine schmale Kontaktbreite, einen niedrigen Kontaktwiderstand, eine ausreichende Haftfestigkeit sowie eine gute Anbindung zu dem Metall der darüber liegenden zweiten Schicht aufweisen. Die Aufgabe der zweiten Schicht ist es, den Strom der ersten Schicht einzusammeln und abzuführen. Daher spielt hier eine hohe spezifische Leitfähigkeit die zentrale Rolle.
Aufgrund der großen Bedeutung der Siebdrucktechnologie in der industriellen Solarzellenherstellung wurde dieser Prozess ebenfalls untersucht. Der Vorderseitensiebdruckprozess konnte unter Einsatz von hochschmelzenden Pasten optimiert werden. Trotz der unterschiedlichen Zusammensetzung der hochschmelzenden Paste im Vergleich zu herkömmlichen Pasten ist das Fließverhalten und somit die Druckfähigkeit ähnlich, wenn eine erhöhte Temperatur gewählt wird. Der Vorteil der siebgedruckten hochschmelzenden Paste ist das Erreichen von relativ hohen Aspektverhältnissen (1:3–1:4). Wirkungsgrade von bis zu 18.0% konnten auf 12.5x12.5 cm² großen Cz-Silizium-Solarzellen erreicht werden.
Für den Hocheffizienzprozess wird die so genannte Licht-induzierte Galvanik benutzt, um die zweite Schicht des vorgeschlagenen Zweischichtenkontaktsystems herzustellen. Durch theoretische sowie experimentelle Untersuchungen wurde ein tiefer gehendes Verständnis der chemischen Abläufe erreicht. So konnten optimale Betriebsbedingungen für den Galvanikprozess ermittelt werden. Dies ermöglichte den erfolgreichen Übertrag von kleinflächigen, hocheffizienten Solarzellen mit aufgedampften Kontakten auf großflächig hergestellten Solarzellen mit feinen Siebdruckkontakten und einem ganzflächigen Aluminium Rückseitenkontaktfeld (Al-BSF) als Rückseitenstruktur. Ein Wirkungsgradgewinn von 0.3% bis 0.4% absolut wurde realisiert. Dieses Ergebnis führte zu der Entwicklung einer industriellen Licht-induzierten Galvanikanlage im Durchlaufverfahren. Auf 2x2 cm² großen FZ-Silizium-Solarzellen mit feinen siebgedruckten und galvanisierten Kontakten sowie einem Al-BSF wurden Wirkungsgrade bis zu 18.7% erreicht. Unter Verwendung des LFC Rückseitenprozesses wurden Wirkungsgrade bis zu 19.3% erreicht, der nach Wissen des Autors höchste berichtete Wirkungsgrad für Solarzellen mit einer Siebdruckvorderseite.
Anstelle des Feinliniensiebdrucks gibt es eine Vielzahl von Technologien, die sich zur Herstellung der Kontaktschicht eignen. Eine vielversprechende Alternative bietet der Tampondruck. In dieser Arbeit wurde der Tampondruckprozess mit hochschmelzenden Pasten durchgeführt, bei dem das komplette Druckbild vom Tampon zum Wafer übertragen werden konnte. In Verbindung mit der Licht-induzierten Galvanik wurden Wirkungsgrade bis zu 17.9% auf 10x10 cm² Cz-Silizium-Solarzellen mit einem Al-BSF erreicht.
Eine Metallisierungstechnologie, die den Wafer mechanisch nicht belastet, basiert auf der Vernebelung von Metall-Tinten. Mit dem patentierten und in dieser Arbeit weiterentwickelten Aerosolstrahldruckverfahren konnten mit metallorganischen Tinten unterbrechungsfreie Linien von nur 14 µm Breite erreicht werden. Unter Verwendung modifizierter Siebdruckpasten wurden auf Cz-Silizium-Solarzellen mit einer Größe von 12.5x12.5 cm² Wirkungsgrade bis zu 18.3% und einem Füllfaktor von 81.0% mit Aerosolstrahldruck gedruckten und galvanisierten Frontkontakten erzielt.
Um ein besseres Verständnis des Kontaktbildungsprozesses der galvanisierten und dünn gedruckten Finger zu erreichen, wurden Mikrostrukturuntersuchungen durchgeführt. Die Zunahme des Kontaktwiderstandes mit abnehmender Kontaktbreite konnte auf eine geringere Ätzung der Siliziumnitridfläche und einer geringeren Silber-Kristallitdichte unter dem Kontakt zurückgeführt werden. Zur Erklärung der beobachteten Verbesserung des Kontaktwiderstandes durch den Galvanikprozess, werden neue Strompfade zwischen Galvaniksilber und Silizium am Randbereich des Dickfilmkontaktes vorgeschlagen.


Kurzfassung in Englisch

This work focuses on the optimization of the front side metallization process of industrial silicon solar cells. Since the state-of-the-art screen-printed contact has some well-known limitations, as a high contact resistance, a low lateral conductance and a low aspect ratio (height : width), alternative metallization technologies suitable for a one-layer grid structure of solar cells were reviewed. These include stencil-printing, pad-printing, ink-jet printing and dispensing. However, none of these technologies fulfills all the demands of a high-efficiency contact. Thus in this work the development of new concepts for the front side metallization was based on the two-layer contact structure. This structure has the advantage that every layer can be optimized individually. The requirement for the first layer is a small contact width, a low contact resistance, a sufficient adhesion to the underlying silicon surface as well as a good adhesion to the metal of the second layer. The task of the second layer is to collect the current from the first one, so its critical parameter is high line conductivity.
Due to its major importance in the state-of-the-art industrial production, screen-printing was investigated as a reference process. The front side screen-printing process could be optimized by using hotmelt silver paste. Despite the different composition of the hotmelt compared to conventional paste, the rheology and hence the printability of the paste behaves similarly at elevated temperatures. The advantage of screen-printing hotmelt paste is the achievement of relatively high finger aspect ratios (1:3-1:4). Efficiencies of 18.0% on 12.5x12.5 cm² Cz-silicon with an Al-BSF were obtained.
Light-induced plating is used for the high-efficiency process in order to form the second layer of the proposed two-layer contact structure. Theoretical as well as experimental investigations allowed a profound understanding of the chemical reaction in the bath and optimum plating conditions were found. The light-induced plating process was transferred successfully from small-area high-efficiency with evaporated contacts to large-area processed solar cells with fine-line screen-printed contacts. An efficiency increase of 0.3% to 0.4% absolute was demonstrated. This promising result led to the development of a light-induced plating machine with horizontal inline transport. Efficiencies up to 18.7% were achieved on 2x2 cm² FZ silicon solar cells with fine-line screen-printed and plated contacts on the front and an aluminum back surface field (Al-BSF) on the rear. In combination with a laser-fired rear-contact structure, efficiencies up to 19.3% were achieved, representing the highest efficiency for a screen-printed front metallization scheme up to date.
Apart from fine-line screen-printing, other technologies are also suitable to deposit the contact layer. A promising alternative for achieving contacts of small width is pad-printing. In this work hotmelt paste was pad-printed resulting in a complete transfer of the print image from the pad to the wafer. In combination with the light-induced plating process, efficiencies up to 17.9% were achieved on 10x10 cm² Cz-silicon solar cells with an Al-BSF.
A metallization technology not applying any load to the wafer is based on aerosolization an ink. The patented metal aerosol jet technology was further developed in this work. Line widths down to 14 µm were achieved printing metal organic inks. 12.5x12.5 cm² Cz-silicon solar cells with aerosol jet printed and plated front contacts were processed using modified screen-printing paste achieving efficiencies up to 18.3% and a fill factor of 81.0%.
In order to reach a better understanding of the contact formation process of plated and fine-line printed fingers, a micro structure analysis was performed. An increase of the contact resistivity with decreasing finger width was traced back to a reduced etched fraction of the SiNx layer and a lower silver crystallite density under the contacts. Furthermore, an improvement of the contact resistance by the plating step was revealed, which is probably caused by new current paths between silicon and plated silver in the edge zone of the contact.


SWD-Schlagwörter: Solarzelle , Metallisieren , Siebdruck , Aerosol
Freie Schlagwörter (deutsch): licht-induzierte Galvanik
Freie Schlagwörter (englisch): light induced plating
PACS Klassifikation 84.60.Jt P
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Wittwer, Volker (Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.11.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 12.12.2007
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