Anpassung der Silberpaste f¨ ur die Metallisierung der Busbars 51

An die Paste f¨ur das vorderseitige Kontaktgitter wird eine Vielzahl teilweise wi-derspr¨uchlicher Anforderungen gestellt. Mit der Paste sollen schmale, gut leitende Finger mit niedrigem Kontaktwiderstand zum Emitter herstellt werden. Da der Wirkungsgrad der Solarzellen wesentlich von den Eigenschaften dieser Silberpaste abh¨angt, wurden ihre Eigenschaften mit erheblichem Aufwand optimiert. Ferner sind die Feuereigenschaften der Silberpaste f¨ur das Kontaktgitter und die der Aluminiumpaste f¨ur den Basiskontakt aufeinander abgestimmt.

Die Busbarpaste wird dazu verwendet, die externen Emitterkontakte aufzubrin-gen und eine elektrische Verbindung durch die L¨ocher zur Zellvorderseite her-zustellen. Hierzu ist lediglich ein ausreichender mechanischer Kontakt der Pas-te zum Wafer notwendig. Es ist insbesondere nicht notwendig, dass die PasPas-te einen guten elektrischen Kontakt zum Emitter bildet. Die Druckeigenschaften der Paste spielen ebenfalls eine untergeordnete Rolle, da die Busbars sehr gro-be Strukturen darstellen, so dass ein wenig pr¨azises Druckbild keine Nachteile

Abbildung 3.13: Hellkennlinien von 12.5×12.5 cm² MWT-Solarzellen, bei denen Silberpasten mit verschiedenem Glaspulveranteil verwendet wurden.

mit sich bringt. Lediglich der spezifische elektrische Widerstand der Paste sollte niedrigen Mindestanforderungen gen¨ugen. Insgesamt sind also die Anspr¨uche an die Busbar-Paste vergleichsweise gering. Es ist deshalb sehr viel g¨unstiger, eine bew¨ahrte Silberpaste f¨ur die Metallisierung der Vorderseite zu verwenden und eine passende Paste f¨ur die Busbars zu suchen.

Nichtsdestotrotz erwies sich diese Aufgabe als sehr zeitaufw¨andig. Kommerzi-ell ist derzeit keine f¨ur diese spezielle Anwendung entwickelte Paste erh¨altlich.

Aufgrund des niedrigen zu erwartenden Absatzes einer solchen Paste waren die Pastenhersteller nicht an der gezielten Entwicklung einer solchen Paste interes-siert. So wurde eine Vielzahl kommerzieller Pasten auf ihre Eignung f¨ur die Me-tallisierung der Busbars getestet, und es wurden gut geeignete identifiziert. Aus wissenschaftlicher Sicht f¨uhrten diese Experimente jedoch zu keinem Erkenntnis-gewinn, zumal die genaue Zusammensetzung der Pasten Gesch¨aftsgeheimnis der Hersteller bleibt.

Normalerweise bestehen Silberpasten haupts¨achlich aus organischen Binde- und L¨osemitteln sowie aus Silber- und Glaspulver. Die Binde- und L¨osemittel dienen dazu, gute Druckeigenschaften der Paste zu erreichen. Silber wird wegen seiner guten elektrischen Leitf¨ahigkeit verwendet. Das Glaspulver in der Paste dient da-zu, die Kontaktbildung zu katalysieren.

Der naheliegendste Ansatz, eine Silberpaste so zu modifizieren, dass sie bei glei-chen Feuerbedingungen eine tr¨agere Kontaktbildung zeigt, ist die Reduktion des Glaspulveranteils.

Einfluss des Anteils des Glaspulvers in der Busbarpaste

Um den Einfluss zu untersuchen, den der Anteil des Glaspulvers hat, stand eine kommerziell erh¨altliche Silberpaste mit nur 25 % des normalerweise verwendeten Glaspulvers zur Verf¨ugung. Bei vorangegangen Experimenten hat sich gezeigt,

3.3. PASTE F ¨UR DIE METALLISIERUNG DER N-TYP BUSBARS 53

Tabelle 3.1: Durchschnittliche Zellergebnisse von zwei Gruppen mit jeweils 5 MWT-Zellen. Bei einer Gruppe wurden die Busbars mit einer gew¨ohnlichen Silberpaste me-tallisiert. Bei der anderen Gruppe war der Anteil des Glaspulvers auf 25 % des nor-malerweise verwendeten Anteils reduziert.

dass MWT-Solarzellen, die aus niederohmigen Substraten hergestellt wurden, empfindlicher auf ein ¨Uberfeuern der Busbarpaste reagieren. Die Ursache daf¨ur liegt wahrscheinlich weniger in ver¨anderten Eigenschaften des Schottky-Kontakts, sondern darin, dass der Serienwiderstand in der Basis abnimmt. Dieser ist mit dem gleichrichtenden Metall-Halbleiterkontakt in Serie geschaltet. AusP =V²/R ergibt sich, dass mit abnehmendem spezifischem Widerstand der Basis die Ver-lustleistung des Kurzschlusses zunimmt.

Es wurden daher zwei Gruppen von MWT-Zellen aus niederohmigen 1 Ωcm Cz-Si (12.5×12.5cm², semi-square) hergestellt. Die Gruppen wurden dabei parallel prozessiert und die Siebdruckkontakte mit gleichen Parametern gefeuert. Bei einer Gruppe von Zellen wurde die unver¨anderte Silberpaste mit 100 % des Glaspul-vers f¨ur die Metallisierung der Busbars verwendet. Bei der anderen wurden die Busbars mit der modifizierten Paste mit nur 25 % des ¨ublichen Glaspulveranteils hergestellt. Die Hellkennlinien der Zellen sind in Abbildung 3.13 aufgetragen. Die Zellen mit Busbars aus der unmodifizierten Silberpaste zeigen insbesondere zwi-schen 0 und 0.4V einen sehr ungew¨ohnlichen Verlauf der Kennlinien. In diesem Spannungsbereich wird der positive Einfluss der Reduktion des Glaspulvers der Busbarpaste bei der zweiten Gruppe besonders deutlich.

Die mittleren Zellparameter der beiden Gruppen sind in Tabelle 3.1 aufgetra-gen. Die Zellen mit Busbars aus modifizierter Silberpaste haben im Mittel einen um ¨uber 10 % (absolut) besseren F¨ullfaktor. Der F¨ullfaktor der guten Zellen ist einerseits durch das Kontaktdesign (siehe Kapitel 4), andererseits durch die Mess-methode, bei der der Widerstand in den Busbars mitgemessen wurde, reduziert.

Sehr deutlich wird der positive Einfluss des verminderten Anteils von Glaspulver im Wirkungsgrad. Dieser steigt von 13.1 % im Mittel auf 16.1 %. Nicht nur der h¨ohere F¨ullfaktor, sondern auch eine verbesserte offene Klemmenspannung tr¨agt zu dieser Steigerung bei.

Verallgemeinernd kann man schließen, dass Silberpasten mit sehr geringem Glaspul-veranteil f¨ur die Metallisierung der Busbars geeignet sind.

Alternatives Glaspulver f¨ur die Busbarpaste

Untersuchungen der Kontaktbildung bei Silberpasten [86], lassen darauf schlies-sen, dass Bleipr¨azipitate eine wesentliche Rolle bei der Kontaktbildung spielen.

Das Blei, aus dem die Pr¨azipitate gebildet werden, stammt aus Bleioxid, das in den Glasfritten enthalten ist. Eine M¨oglichkeit, die Kontaktbildung einer Silber-paste zu beeinflussen, ist es also, den Anteil des Bleioxids in den Glasfritten zu reduzieren. Jedoch werden dadurch wichtige Eigenschaften des Glases wie die Vis-kosit¨at oder die Schmelztemperatur ver¨andert, so dass dieser Weg wohl schwierig zu realisieren ist. Interessante Ans¨atze ergeben sich jedoch aus der Entwicklung bleifreier Silberpasten. Hier wird das in den Glasfritten enthaltene Bleioxid bei-spielsweise durch Bi₂O₃ ersetzt [87].

MWT-Zellen, deren Busbars mit Pasten gedruckt wurden, die aus Bem¨uhungen stammen, bleifreie Silberpasten f¨ur die Metallisierung der Zellvorderseite zu ent-wickeln, vermitteln den Eindruck, dass der Weg, das Bleiglas zu ersetzten, prinzi-piell erfolgversprechend ist. Allerdings standen nur Pasten zur Verf¨ugung, die bei ihrem urspr¨unglich vorgesehenen Einsatzgebiet, der Bildung des Frontkontakts, sich als tr¨age erwiesen. Eine systematische Variation der Zusammensetzung und damit eine Optimierung der Pasten zur Metallisierung von r¨uckseitigen Busbars wurde nicht durchgef¨uhrt.

3.4 Isolation des pn- ¨ Ubergangs

Auf der R¨uckseite von MWT-Solarzellen befinden sich sowohl Basis- als auch Emitterbereiche, die elektrisch voneinander getrennt werden m¨ussen. Die Metho-de, mit der diese Trennung hergestellt wird, bestimmt die Defektdichte im Bereich des pn- ¨Ubergangs. Ein defektreicher pn- ¨Ubergang erh¨oht den S¨attigungsstrom der zweiten Diode und reduziert somit den F¨ullfaktor und die offene Klemmen-spannung einer Solarzelle [88, 89].

Beim IBC- und EWT-Konzept verl¨angert sich der pn- ¨Ubergang an der Zell-oberfl¨ache durch die kammartigen Kontaktstrukturen um ein vielfaches, so dass zur Herstellung des pn- ¨Ubergangs eine Methode gew¨ahlt werden muss, die in ei-ner niedrigen Defektdichte resultiert. Die L¨ange des pn- ¨Ubergangs, der an die Oberfl¨ache st¨oßt, wird bei MWT-Zellen im Vergleich zu konventionellen Solarzel-len nur etwa verdoppelt. Es k¨onnen also f¨ur MWT-Solarzellen im Wesentlichen die selben Trennmethoden f¨ur die Isolation der Emitter- von den Basiskontakten verwendet werden, wie auch f¨ur die Isolation an der Zellkante, sofern diese dazu geeignet sind.

Zu den industriell gebr¨auchlichen Isolationstechnologien f¨ur konventionelle Solar-zellen geh¨oren das Plasma¨atzen der Kanten, das nasschemische ¨Atzen der Wa-ferr¨uckseite und die Isolation durch Laserschnitte [48, 90].

3.4. ISOLATION DES PN- ¨UBERGANGS 55 Beim nasschemischen ¨Atzen wird der Emitter auf der gesamten R¨uckseite der Zel-le entfernt. Deshalb w¨urde diese Technik zumindest eine Maskierung der Emitter-bereiche auf der R¨uckseite einer MWT-Solarzelle erfordern. Einfacher ist es, die Kontakte durch Plasma¨atzen am Ende des Zellprozesses voneinander zu isolie-ren. Allerdings muss dabei die Zellvorderseite maskiert werden, um den Rand der Frontseite zu sch¨utzen. Auf der R¨uckseite wirken die Metallkontakte als ¨ Atzmas-ken [91], so dass hier kein weiterer Maskierschritt notwendig ist und die Maske automatisch richtig positioniert ist.

Noch einfacher ist die Isolation mit Hilfe eines Lasers durchzuf¨uhren. Kommer-ziell sind Lasersysteme erh¨altlich, mit denen der pn- ¨Ubergang von Solarzellen in hoher Qualit¨at getrennt werden kann.

pn- ¨Uberg¨ange, die sehr wenig zum S¨attigungsstrom der zweiten Diode beitragen, k¨onnen mit Diffusionsmasken hergestellt werden. Bei dieser Methode wird das Silizium an der Stelle, an der der pn- ¨Ubergang an die Oberfl¨ache st¨osst, nicht gesch¨adigt. Grunds¨atzlich sind siebdruckbare Diffusionsbarrierepasten kommer-ziell erh¨altlich, so dass eine einfache Maskierung auf der Zellr¨uckseite m¨oglich ist [67]. Zur Herstellung von EWT-Zellen wurde eine solche Paste im Rahmen dieser Arbeit benutzt. Die dabei verwendete Paste war mit den verwendeten Pro-zessparametern jedoch nicht f¨ur texturierte Oberfl¨achen geeignet. Eine einfache Anwendung f¨ur die Herstellung von texturierten MWT-Zellen ist daher nicht m¨oglich.

F¨ur die pn-Isolation der in Kapitel 5 beschriebenen MWT-Zellen wurde ein kom-merzielles Lasersystem verwendet. Bei den in diesem Kapitel und den in Kapitel 6 beschriebenen wurde dazu eine Chip-S¨age benutzt. Diese steht der Photovoltaik-Abteilung im Gegensatz zu einem geeigneten Laser zur Verf¨ugung.

Kapitel 4

Elektrische Eigenschaften von MWT-Solarzellen und

Designoptimierung

Wie in Kapitel 1 schon angesprochen wurde, ist es nicht m¨oglich, die I-V -Kenn-linien von MWT-Solarzellen mit Hilfe des Zwei-Dioden-Modells zu beschreiben.

In diesem Kapitel wird zun¨achst eine Erweiterung des Zwei-Dioden-Modells ein-gef¨uhrt, mit deren Hilfe die elektrischen Eigenschaften von MWT-Zellen be-schreibbar werden.

Im Anschluss wird das erweiterte Dioden-Modell dazu verwendet, die Kennlinien f¨ur verschiedene Kontaktgeometrien zu simulieren und dadurch ein optimiertes Zelldesign zu entwickeln.

4.1 Modell zur Beschreibung der elektrischen Eigenschaften von MWT-Solarzellen

Der Aufbau einer MWT-Solarzelle ist auf dem Großteil der Zelle mit dem einer konventionellen Zelle identisch. Von diesem Aufbau unterscheiden sich jedoch die Busbarbereiche wesentlich (siehe Abbildung 4.1). In den Busbarregionen befinden sich auf beiden Seiten der Zelle Emitter, die elektrisch durch die L¨ocher mitein-ander verbunden sind. Die elektrischen Eigenschaften der beiden Zellbereiche weichen - bedingt durch ihren unterschiedlichen Aufbau - wesentlich voneinander ab.

Im folgenden werden die Parameter des Zwei-Dioden-Modells, die die elektrischen Eigenschaften der Zellregionen beschreiben, einzeln f¨ur die Busbarregion und die restliche Zelle berechnet. Die I-V-Kennlinien der kompletten MWT-Zelle lassen sich dann als eine Parallelschaltung der beiden Bereiche der Zelle beschreiben.

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Abbildung 4.1: Unterteilung einer MWT-Zelle in zwei Bereiche: a) Busbarregion und b) die restliche, konventionell aufgebaute Zellfl¨ache ohne Busbars. Die elektri-schen Eigenschaften in den beiden Zellbereichen unterscheiden sich wesentlich. Die I-V-Kennlinie einer kompletten MWT-Zelle kann als Parallelschaltung der beiden Zell-bereiche verstanden werden.