Optimierung des Fronseitensiebdrucks

Die nutzbare Leistung der Solarzelle wird neben anderen materialspezifischen Einflüssen, wie beispielsweise der Basisdotierung, maßgeblich von der Struktur der stromableitenden Kontakte beeinflusst. Speziell der Frontkontakt der im Weiteren die klassische Struktur, bestehend aus zwei Busbars und dazu senkrecht stehenden Fingern, haben soll, spielt eine wichtige Rolle. Die optimale Geometrie des Kontaktgitters wird durch gegenläufige Trends bestimmt. Steigt die vom Kontakt bedeckte Fläche, so sinkt der Kontaktwiderstand zwischen Silizium und Kontaktfinger, jedoch wird durch die Abschattung auch weniger Licht in die Solarzelle eingekoppelt, wodurch der maximale Strom begrenzt wird. Wird die Kontaktfläche zu klein, so steigt der Kontaktwiderstand und trägt zu einem erhöhten Serienwiderstand bei. Der Serienwiderstand wird zudem noch von der Leitfähigkeit bzw.

dem sogenannten Linienwiderstand der Finger (und des Busbars) bestimmt. Diese wird maßgeblich vom Querschnitt der Finger, ihrer Homogenität (keine Unterbrechungen) und der im Weiteren unveränderten Zusammensetzung der gedruckten Paste bestimmt. Soll die Abschattung, d.h. die Breite der Finger minimiert werden ohne aber den Querschnitt zu verkleinern, so muss die Höhe des Fingers ansteigen. Ziel ist es also, möglichst hohe Finger zu drucken. Die Fingerhöhe und -breite wird durch die Siebgeometrie bestimmt. Die Beschaffenheit der Siebdruckpaste spielt natürlich auch eine Rolle. Für alle Experimente wurde aber dieselbe kommerziell erhältliche Silberpaste verwendet. Bei der Siebgeometrie kann die Breite der Öffnungen im Sieblayout, das verwendete Siebgewebe, sowie die Höhe der Beschichtung variiert werden. Die Menge (das theoretische Volumen Vth) der gedruckten Paste hängt wie folgt mit dem Siebgewebe zusammen:

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Dabei ist w die Maschenweite und d der Drahtdurchmesser. Das tatsächliche gedruckte Pastenvolumen ist um etwa 10 bis 20% geringer und hängt noch von der Beschichtung des Siebs ab [20].

Abbildung 2.10: Elektronenmikroskopaufnahme eines beschichteten Siebs mit einer Fingeröffnung.

Aufnahme aus: [20].

Abbildung 2.10 zeigt eine Elektronenmikroskopaufnahme eines beschichteten Siebes mit einer Fingeröffnung. Das Sieb wird mit einer lichtempfindlichen Schicht versehen. Das Design des Kontakts wird auf einen Fotofilm bzw. eine Folie gedruckt und durch Belichtung auf das beschichtete Sieb übertragen. An den Stellen, wo der Film belichtet wurde, verhärtet sich dieser, an den anderen Stellen wird der Film entfernt. Untersucht wurden Siebe mit Beschichtungsdicken von 10 µm, 20 µm, 30 µm, 40 µm und 50 µm. Bei der Beschichtung des Fotofilms haben sich Dicken von 20 µm und 30 µm als vorteilhaft erwiesen. Bei dünneren Filmen sinkt das gedruckte Pastenvolumen, bei noch dickeren Filmen verstopfen die Maschen der Siebe leichter und als Folge lassen sich dünne Finger nicht mehr drucken bzw. die Anzahl der Fingerunterbrechungen nimmt zu. Im Folgenden werden der Übersicht wegen nur die Ergebnisse mit der 20 µm dicken Beschichtung diskutiert. Zunächst wurde die Breite der Finger variiert. Auf einen 125x125 mm² Wafer wurden 4 Solarzellen mit je 50x50 mm² und unterschiedlichen Fingeröffnungen im Sieb von 40 µm, 60 µm, 80 µm und 100µm gedruckt. Die Finger laufen beim Drucken auseinander. Die gedruckte Fingerbreite ist also größer als die Breite im Sieblayout. Es wurden Höhenprofile der Finger an einzelnen Stellen aufgenommen und daraus die Querschnittsfläche berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2.3 zusammengefasst.

Sieböffnung [µm] 40 60 80 100

Fingerbreite [µm] 76 ± 12 93 ± 8 139 ± 5 154 ± 7

Höhe [µm] 8 10 17 17

Querschnitt [mm²] 0,61 0,93 2,4 2,6

Tabelle 2.3: Fingerbreite und Querschnittsfläche der gedruckten Finger (20 µm Filmbeschichtung) Die Fingerbreite wurde mit dem Mikroskop bestimmt. Die Aufnahmen der gedruckten Finger sind in Abbildung 2.11 gezeigt. Die Breite wurde an mehreren Fingern an unterschiedlichen Stellen gemessen. Die Abweichung ergibt sich aus der maximalen und minimal gemessenen Fingerbreite.

Abbildung 2.11: Mikroskopaufnahmen der gedruckten Finger mit einem Sieb mit 30 µm Beschichtung, die Finger im Layout sind (von links oben nach rechts unten) 40 µm, 60µm, 80µm und 100µm breit.

Die Solarzellenergebnisse für jeweils 5 Solarzellen je Gruppe sind in Tabelle 2.4 zusammengefasst.

Sieböffnung [µm] FF [%] JSC [mA/cm²] VOC [mV] η [%]

40 67,7 ± 2,7 34,3 ± 0,3 620 ± 2 14,4 ± 0,5 60 75,1 ± 0,3 34,0 ± 0,1 619 ± 1 15,8 ± 0,1 80 75,9 ± 0,5 33,7 ± 0,1 618 ± 2 15,8 ± 0,2 100 76,0 ± 0,5 33,4 ± 0,2 617 ± 2 15,7 ± 0,1

Tabelle 2.4: Solarzellenergebnisse mit dem Sieb mit 20 µm Filmbeschichtung, 50x50 mm² Wafer Für dünnere Finger steigt der Kurzschlussstrom an, allerdings fällt auch der Füllfaktor, da der Serienwiderstand in den Fingern ansteigt. Dies ist nicht nur auf den kleineren Querschnitt der Finger zurückzuführen, sondern auch auf die vermehrt vorkommenden Fingerunterbrechungen beim Druck der sehr schmalen Finger. Dies ist auch an der größeren Standardabweichung im Füllfaktor und im Wirkungsgrad zu erkennen.

Außerdem ist zu beachten, dass die Versuche auf 50x50 mm² Zellen durchgeführt wurden. Dadurch konnte der Aufwand und die Zahl der benötigten Siebe in einem vertretbaren Rahmen gehalten werden. Bei größeren Zellen ist die maximale Fingerlänge, d.h. der maximale Weg des Stromes im Finger zum Busbar länger. Bei 5x5 mm² beträgt die max. Fingerlänge ~2,3 cm, bei einer 150x150 mm² Solarzelle sind es schon 3,6 cm.

Abbildung 2.12: Mikroskopaufnahme eines siebgedruckten trapezförmigen Fingers. In der Mitte des Wafers ist der Finger nur noch 50 µm breit (links), am Busbar beträgt die Breite des Fingers 100 µm (rechts).

Um den Vorteil der geringen Abschattung von dünnen Fingern mit dem Vorteil der guten Füllfaktoren dicker Finger auf größeren Wafern zu kombinieren, wurde als Ergebnis aus den vorangegangenen Untersuchungen eine Siebgeometrie entworfen, bei der die Finger sich vom Busbar weg verschmälern. An den Busbars beträgt die Fingerbreite (im Sieblayout) 100 μm, an den Fingerspitzen und in der Mitte nur noch 50 μm. In Abbildung 2.12 sind Mikroskopaufnahmen eines siebgedruckten Fingers links in der Mitte des Wafers, rechts direkt am Busbar zu sehen.

FF [%] JSC [mA/cm²] VOC [mV] η [%]

Standard Geometrie 75,6 ± 0,7 32,6 ± 0,2 607 ± 1 15,0 ± 0,1 Trapez Geometrie 74,9 ± 0,5 33,3 ± 0,1 609 ± 1 15,2 ± 0,1 Tabelle 2.5: Solarzellenergebnisse 125x125 mm² Wafer mit sauer isotroper Textur

Ein Vergleich dieser trapezförmigen Geometrie mit der üblichen Geometrie wurde mit sauren texturierten 125x125 mm²-Wafern durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2.5 zusammengefasst.

In der Referenzgruppe wurden 8 Wafer, in der Gruppe mit der modifizierten Siebgeometrie 14 Wafer prozessiert. Der Vergleich der Mittelwerte zeigt das Potential einer Verbesserung des Wirkungsgrads um 0.2% absolut allein durch die Änderung der Siebgeometrie. Bei einer industriellen Umsetzung würde dies keine Mehrkosten verursachen.