Deposition of Ultrafine Lines using Pattern Transfer Printing for Metallization of Silicon Solar Cells
Creators: name: Adrian, Adrian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Pattern Transfer Printing
metallization
solar cell
silver
ultrafine finger

description: In dieser Arbeit werden Kontaktstrukturen aus Silberpaste als vorderseitige Elektrode von kristallinen Silizium-Solarzellen hergestellt und untersucht. Ziel ist dabei eine deutliche Reduzierung des Silberverbrauchs unter Erhaltung guter elektrischer Eigenschaften der Solarzelle. Eine vielversprechende Alternative zum Standard-Siebdruckverfahren ist die Pattern Transfer Printing (PTP) Technologie. Die PTP-Technologie verwendet eine Polymer-Folie mit eingeprägten Gräben und Laserbestrahlung, um ultrafeine Linien aus Silberpaste auf eine Substratoberfläche zu deponieren. Schmaler gedruckte Linien können die Produktionskosten aufgrund eines reduzierten Silberverbrauches deutlich senken. Gleichzeitig können sie den Zellwirkungsgrad erhöhen, indem sie durch eine verringerte Abschattung der Zellvorderseite eine höhere Kurzschlussstromdichte ermöglichen. Eine Herausforderung besteht darin, einen durch höheren Serienwiderstand verursachten Füllfaktorverlust zu vermeiden. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der PTP-Druckprozess untersucht, mit dem Ziel ein Verständnis für die steuernden Prinzipien des Laserdruckverfahrens zu erlangen und den Prozess im Hinblick auf die Herstellung von schmalen Silberelektroden mit einem hohen Aspektverhältnis zu optimieren. Der Druckvorgang beim PTP-Verfahren lässt sich in zwei Prozesse unterteilen: die Füllung der Gräben und die anschließende Übertragung der Silberpaste auf das Substrat. Es sind zwei Rakeln erforderlich, um die Silberpaste in die Gräben zu füllen und Reste der Silberpaste von der Oberfläche der Folie zu entfernen. Ein größerer Winkel zwischen dem zweiten Rakel und der Folienoberfläche vermeidet, dass die Paste in Teilen wieder aus den Gräben entfernt wird und führt somit zu Elektroden mit einer gleichmäßigeren Höhe. Die Laserleistung ist der bestimmende Parameter zur Regulierung des PTP-Übertragungsprozesses. Es wird eine starke Abhängigkeit des Aspektverhältnisses von Elektroden und der Menge ungewünschter Silber-Ablagerungen außerhalb der Linie von der Laserleistung festgestellt. Höhere Laserleistungen verändern die Linienform hin zu breiten Linien mit einem geringeren Aspektverhältnis und führen zu vermehrten Ablagerungen von Pastenspritzern um die Silberlinien herum. Daher ist eine genaue Optimierung der Laserleistung erforderlich, sodass schmale Elektroden mit hohem Aspektverhältnis und geringen Silber-Ablagerungen hergestellt werden. Es werden drei mögliche Szenarien hinsichtlich der Laserleistung betrachtet: keine Übertragung, optimale Übertragung und explosive Übertragung bei zu hoher Leistung. Des Weiteren werden Materialeigenschaften untersucht, die für den PTP Lasertransferprozess eine große Rolle spielen, nämlich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Silberpasten und der Folienmaterialien. Eine Erhöhung der Fließgrenze der Silberpaste minimiert die Linienverbreitung während des Übertragungsprozesses, was zu einer geringeren Linienbreite und einem höheren Aspektverhältnis führt. Die Verbreitung der Linien wird verursacht durch eine Verringerung der Fließgrenze aufgrund einer lokalen Erwärmung der Silberpaste und durch den Druck, der beim Verdampfen flüchtiger Pastenbestandteile entsteht. Eine geringere Laserleistung kann bei Silberpasten verwendet werden, die Lösungsmittel mit einer niedrigeren Siedetemperatur enthalten, und bei Pasten, welche die Polymerfolie schlecht benetzen. Für ein anderes, dünneres Folienmaterial wurde eine geringere Lichtdurchlässigkeit festgestellt. Trotzdem erfordert dieses Folienmaterial eine niedrigere Laserleistung, was auf eine geringere Benetzung des Folienmaterials durch die Silberpaste und eine bessere Ausrichtung hinsichtlich der Fokusebene der Laser zurückzuführen ist. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Evaluierung der PTP-Technologie für die Metallisierung der Vorderseiten von Solarzellen im Vergleich zur etablierten Siebdrucktechnologie als Referenz. Die Auswirkung von verschiedenen Grabengeometrien auf Linienform, Silberverbrauch und Menge der Ablagerung wird analysiert. Dafür werden auch die elektrischen Parameter entsprechender Solarzellen mit Referenzen verglichen, die mit Siebdruck hergestellt werden. Jede Grabengeometrie erfordert eine unterschiedliche Laserleistung. Es wird gezeigt, dass die erforderliche Laserleistung mit dem Verhältnis aus dem Umfang und der horizontalen Breite des Grabens korreliert. Mit der PTP-Technologie können schmalere Fingerlinien hergestellt werden, als mit dem Siebdruck als Referenz-Technologie. Die erzielten Fingerbreiten variieren zwischen 18 und 22 µm, abhängig von der verwendeten Grabengeometrie. Dies führt bei allen PTP-Gruppen zu einem deutlichen Gewinn des Kurzschlussstromes Jsc und zu einer geringen Steigerung der offenen Klemmenspannung Voc. Allerdings führen die schmaleren Silberfinger des PTP-Druckers wegen eines höheren Serienwiderstands zu einem moderaten Füllfaktor (FF)-Verlust. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass mit der PTP-Technologie eine Reduzierung der Silbermenge von 54 % im Vergleich zur mit Siebdruck hergestellten Referenz erreicht werden kann (bei einer durchschnittlichen Elektrodenbreite von 22 µm und einer durchschnittlichen Querschnittsfläche von nur 220 µm²). Zudem konnte für die besten mittels PTP gedruckten Zellen der Energiewandlungswirkungsgrad um 0,12 %abs gegenüber der Referenz verbessert werden. Die schmalsten mit der PTP-Technologie hergestellten Finger haben eine Linienbreite von 18 µm bei einem Aspektverhältnis von 0,51, was sogar eine Reduzierung des Silbereinsatzes um 74 % ermöglicht. Allerdings sind bei dieser PTP-Gruppe eine weitere Pastenmodifikation und eine Optimierung des Layouts zur Verbesserung des Serienwiderstands erforderlich, um den erheblichen FF-Verlust zu verringern. Eine Untersuchung des Schichtwiderstands des Emitters für kristalline Silizium-Solarzellen zeigt, dass schmalere Silberlinien helfen können, Widerstandverluste durch verringerte Querleitung im Emitter ohne zusätzlicher Abschattung aufgrund der höheren Fingeranzahl zu reduzieren. Eine Anpassung der Silberpastenformulierung ist für beide Technologien jedoch erforderlich, um zusätzliche Kontaktwiderstandsverluste bei verringerter Fingerbreite zu vermeiden. Diese Arbeit liefert Richtlinien für das Design von Pasten- und Filmmaterialien, die auf schmalere Silber-Elektroden mittels PTP-Technologie abzielen. Die Bewertung der PTP-Technologie für photovoltaische Anwendungen in dieser Arbeit zeigt, dass die mittels PTP gedruckten ultrafeinen Silber-Elektroden für die Vorderseitenmetallisierung von Silizium-Solarzellen geeignet sind, was den Silberverbrauch erheblich reduziert und gleichzeitig den Zellwirkungsgrad im Vergleich zur industriellen Siebdrucktechnologie erhöht.