Bei MWT-Zellen wird der Strom von einem Kontaktgitter auf der Zellvorderseite durch L¨ocher zu externen Kontakten auf der Zellr¨uckseite gef¨uhrt. Die Anzahl der L¨ocher ist dabei relativ gering (weniger als ein Loch pro cm2 Zellfl¨ache), so dass ein hoher Strom durch das einzelne Loch fließt.
In einem Loch ohne Metallisierung w¨urde die Leitung im Emitter erfolgen. Bei der
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ublicherweise verwendeten Lochgeometrie (siehe Abschnitt 3.1) ergibt sich, dass
3H2SO4+H2O2 im Verhaltnis 4:1 bei 80◦C f¨ur 10min, anschließend entfernen von SiO2 in 2 %iger HF
3.2. LOCHMETALLISIERUNG 45 der Widerstand durch ein unmetallisieres Loch ungef¨ahr dem Schichtwiderstand entspricht; also 50 Ω bei einem 50 Ω/sq Emitter. Zusammen mit der geringen Lochdichte mit weniger als einem Loch pro cm2 ergibt sich daraus die Notwen-digkeit, bei diesem Zellkonzept die L¨ocher zu metallisieren, um einen hinreichend kleinen Serienwiderstand in den L¨ochern zu erreichen.
Die hier beschriebenen MWT-Solarzellen wurden mittels Siebdruck metallisiert.
A priori ist dabei unklar, ob die Siebdrucktechnologie ¨uberhaupt dazu geeignet ist, eine zuverl¨assige Metallisierung der L¨ocher zu erzeugen. Beim gew¨ohnlich ver-wendeten Siebdruckprozess wird das Pastenvolumen, das sich im Sieb zwischen den Maschen befindet, auf die Zelle ¨ubertragen. Dadurch kann ¨ublicherweise nur Paste bis zu einer Dicke von mehreren 10 µm aufgetragen werden. Die derzeit f¨ur die Herstellung von Solarzellen verwendeten Wafer sind ¨uber 200 µm dick, die L¨ocher also ca. zehn Mal tiefer als die ¨ublicherweise gedruckte Pastenh¨ohe.
Deshalb muss der Siebdruckprozess so angepasst werden, dass eine zuverl¨assige Metallisierung der L¨ocher erm¨oglicht wird.
Doch selbst wenn nach dem Druck die L¨ocher mit Paste gef¨ullt sind, k¨onnten sich weitere Probleme ergeben. Der Paste sind L¨osungsmittel und organische Verbin-dungen beigemischt, um eine gute Druckbarkeit zu erreichen. Die L¨osungsmittel werden beim Trocknen der Paste entfernt und die organischen Zus¨atze verbren-nen beim Feuern der Paste. Beides ist mit einer Abnahme des Pastenvolumens verbunden. Dabei k¨onnen Risse entstehen, die die elektrische Verbindung von Zellvorder und -r¨uckseite unterbrechen und somit den elektrischen Widerstand durch die L¨ocher erh¨ohen.
3.2.1 Angepasster Siebdruckprozess
Werden MWT-Zellen mittels Siebdruck metallisiert, so wird auf der Zellvorder-seite ein Kontaktgitter gedruckt. Auf der Zellr¨uckseite werden die Busbars ¨uber die L¨ocher gedruckt. Wenn man beim ersten Druck ¨uber ein Loch, beispielsweise beim Druck des Kontaktgitters, einen gew¨ohnlichen, unmodifizierten Siebdruck-prozess verwendet, so gelangt nur sehr wenig Paste in das Loch. Beim zweiten Druckschritt auf der anderen Seite der Zelle ist das Loch bereits einseitig ver-schlossen. Die Luft im Loch kann deshalb beim zweiten Druckschritt nicht mehr entweichen. Dadurch entsteht ein Luftpolster, das verhindert, dass Paste in das Loch gelangt.
Nach Van Kerschaver et al. [83] ist es jedoch m¨oglich, den Siebdruckprozess so anzupassen, dass er eine zuverl¨assige Metallisierung der L¨ocher gew¨ahrleistet.
Dazu wird im Bereich der L¨ocher ein Unterdruck erzeugt, wodurch schon beim ersten Druckschritt Paste durch das Loch gesogen wird. Durch diesen modifizier-ten Siebdruck ist das Loch also schon nach dem ersmodifizier-ten Druckschritt vollst¨andig metallisiert, so dass der zweite Druck unkritisch ist.
Abbildung 3.8: SEM Querschnitt durch ein sehr gut mit Paste gef¨ulltes Loch.
Einstellen des Unterdrucks
Um zu untersuchen, wie der Unterdruck im Bereich der L¨ocher eingestellt wer-den muss, um eine gute Metallisierung der L¨ocher zu erreichen, wurden Test-strukturen hergestellt. Diese bestanden aus 12.5×12.5 cm2 semi-square Cz-Si Wafern, in die zwei Reihen mit L¨ochern im Abstand von 2.38 mm gelasert wur-den. Nach einer Reinigung wurde ein 50 Ω/sq Emitter diffundiert. Anschließend wurden Busbars (zwei 2 mm breite Streifen) aus Silberpaste ¨uber die L¨ocher von Vorder- und R¨uckseite gedruckt und die Paste getrocknet. Beim Druckschritt wurde der Unterdruck, der im Bereich der L¨ocher anliegt, variiert. Anschließend wurde die Silberpaste bei Standardparametern gefeuert. Um den elektrischen Wi-derstand durch mehrere L¨ocher in Serie messen zu k¨onnen, wurden mit einer Wa-fers¨age Trennschnitte zwischen jedes zweite Lochpaar, alternierend auf Vorder-und R¨uckseite, ges¨agt (siehe Abbildung 3.9). Eine Widerstandsmessung an einer solchen Teststruktur ist in Abbildung 3.10 dargestellt. Bei der Messung wurde die Anzahl der in Serie geschalteten L¨ocher variiert, indem die Busbars an verschiede-nen Stellen kontaktiert wurden. In der Graphik ist der Potentialunterschied, der sich durch den Serienwiderstand bei konstantem Strom ergibt, aufgetragen. Der Strom wurde dabei so gew¨ahlt, dass er in etwa dem zu erwartenden Stromfluss durch ein Loch einer beleuchteten MWT-Solarzelle entspricht. Der Widerstand kann aus Strom und Spannung mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden.
Die Spannungsdifferenz zwischen zwei Messpunkten ergibt sich aus dem Poten-tialabfall, der durch den Widerstand der in Serie geschalteten L¨ocher und de-ren Verbindung entsteht. Der Potentialsprung in der Messreihe mit eckigen
ro-3.2. LOCHMETALLISIERUNG 47
Abbildung 3.9: Teststruktur zur Ermittlung des elektrischen Widerstands eines me-tallisierten Lochs. Dunkelgrau: Wafer, hellgrau: Metall, blau: Strompfad.
Abbildung 3.10:Spannung bei konstantem Stromfluss durch eine zunehmende Anzahl von L¨ochern. Die Spannungszunahme zwischen den einzelnen Meßpunkten wird durch den h¨oheren Widerstand der gr¨oßeren Zahl von in Serie geschalteten L¨ochern und de-ren Verbindungen verursacht. Es wurden vier Proben (Wafer 10 bis 13) mit gleichen Parametern hergestellt. Jede Probe hatte zwei Lochreihen, an denen Messreihen aufge-nommen werden konnten (eckige und runde Messpunkte).
(a) (b)
Abbildung 3.11:L¨ocher in der Zellfl¨ache, durch die Paste gesogen wurde. (a) Wird zu viel Paste durch das Loch gesogen bilden sich kleine H¨ugel aus Paste. (b) Beim Drucken von Fingern k¨onnen solche H¨ugel aus Paste zu Fingerunterbrechungen f¨uhren.
ten Messpunkten ergibt sich durch ein Loch, das im Vergleich zu den anderen einen deutlich h¨oheren Widerstand hat. Der durchschnittliche Widerstand durch ein Loch kann aus einem linearen Fit an die Messpunkte ermittelt werden. Die Steigung der Geraden ergibt sich aus dem Potentialanstieg, der durch jeweils ein Loch und dem Widerstand der Verbindung zweier L¨ocher verursacht wird.
So ermittelte Widerst¨ande von gut metallisierten L¨ochern liegen unter 15 mΩ.
Der Widerstandsbeitrag von gut metallisierten L¨ochern in einer MWT-Zelle ist daher vernachl¨assigbar. Sehr schlecht leitende L¨ocher weisen Widerst¨ande von uber 30 Ω, also um drei Gr¨¨ oßenordnungen h¨ohere Widerst¨ande, auf. Bei solchen L¨ochern ist die Metallisierung im Loch unterbrochen und der Stromfluss erfolgt im Emitter. Die gefundenen maximalen Werte entsprechen dabei sehr gut den aus Lochgeometrie (ca. 80 µm Durchmesser, 270 µm Waferdicke) und Emitter-leitf¨ahigkeit (ca. 50 Ω/sq) zu erwartenden 50 Ω. Daraus kann geschlossen werden, dass die Emitterdiffusion aus der Gasphase in den L¨ochern allenfalls unwesentlich schw¨acher ist, als auf Vorder- und R¨uckseite des Wafers.
F¨ur eine gute Leitf¨ahigkeit durch ein Loch muss eine durchgehende Verbindung aus Paste existieren. In der Praxis wird diese erreicht, wenn schon beim ersten Druckschritt Paste vollst¨andig durch das Loch gesogen wird. Aus dieser Bedin-gung ergibt sich ein unteres Limit f¨ur den Unterduck. Die Metallisierung von L¨ochern im Randbereich von Wafern entpuppt sich daher als schwierig, da hier der eingestellte Druck auf den Umgebungsdruck ansteigt und so der notwendige Unterduck oft nicht erreicht wird.
Falls feine Strukturen, wie zum Beispiel Kontaktfinger, beim zweiten Druckschritt entstehen sollen, darf beim ersten Druck nicht zu viel Paste durch die L¨ocher ge-sogen werden. Die durch das Loch gege-sogene Paste bildet sonst nach dem Trocknen
3.3. PASTE F ¨UR DIE METALLISIERUNG DER N-TYP BUSBARS 49