DE102009009840A1

DE102009009840A1 - Verfahren, Vorrichtung und Drucksubstanz zur Herstellung einer metallischen Kontaktstruktur

Info

Publication number: DE102009009840A1
Application number: DE102009009840A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Machalett; Martin Dupke
Original assignee: Bosch Solar Energy AG
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2010-05-27
Also published as: EP2351090A2; WO2010049223A3; WO2010049223A2

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktstruktur, insbesondere der Kontaktstruktur einer Solarzelle, wobei auf eine elektrisch zu kontaktierende, mit einer Dünnschicht geringer Leitfähigkeit, insbesondere einer Passivierungs- oder Antireflexschicht der Solarzelle, versehene Oberfläche eines Substrates lokal gesteuert in einem Non-Impact-Druckverfahren eine Drucksubstanz aufgebracht wird, welche Öffnungs-Partikel mit einer auf die Dicke der Dünnschicht abgestimmten mittleren Korngröße sowie Kontakt-Partikel enthält und auf der Oberfläche eine Kontaktvermittlungsschicht bildet, und danach in einem weiteren Schritt eine Leitschicht auf der Kontaktvermittlungsschicht erzeugt wird, wobei die Öffnungs-Partikel dazu ausgebildet sind, die Dünnschicht geringer Leitfähigkeit in einem nachfolgenden Prozess, insbesondere einem thermischen Prozess, lokal und in definierter Größe zu öffnen, so dass bei diesem oder in einem nachfolgenden Prozess, insbesondere einem thermischen Prozess, die Kontakt-Partikel durch die Öffnungen einen elektrischen Kontakt zwischen Leitschicht und Substrat herstellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktstruktur, bei dem eine elektrisch zu kontaktierende, mit einer Dünnschicht geringer Leitfähigkeit versehene Oberfläche eines Substrates zu kontaktieren ist. Ein derartiges Verfahren wird insbesondere bei der Herstellung von Solarzellen angewandt, ist daneben aber auch bei der Herstellung anderer elektronischer Bauelemente oder von Komponenten elektrotechnischer Geräte anwendbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung sowie eine Drucksubstanz zur Durchführung dieses Verfahrens.
Speziell aus dem sich schnell entwickelnden Gebiet der Photovoltaik, insbesondere der Herstellung von Solarzellen, ist seit etwa 15 Jahren einschlägiger Stand der Technik bekannt. Bekannt sind insbesondere Verfahren, bei denen eine auf dem Solarzellen-Substrat anzubringende elektrische Kontaktstruktur unter Nutzung von Siebdruckverfahren und Einsatz elektrisch leitfähiger Siebdruckpasten erzeugt wird. Da die Solarzellen-Substrate zur Verringerung von Reflexionsverlusten während ihres Einsatzes üblicherweise die Antireflexbeschichtungen mit geringer Leitfähigkeit auf der Vorderseite tragen, besteht hierbei das besondere technische Problem, dass zur Herstellung eines niederohmigen elektrischen Kontakts erreicht werden muss, dass im Herstellungsprozess eine hinreichende Durchdringung der Antireflexschicht mit leitfähigen Bestandteilen der Kontaktschicht eintritt. Dies wird bei bekannten Lösungen durch eine Glasfritte erreicht, die Bestandteil der Siebdruckpaste ist und mit deren Hilfe die Antireflexschicht, (z. B. Si₃N₄) durchdrungen und in einem Sinterprozess durch chemische Reaktion geöffnet wird. Die hierfür geschaffenen Öffnungen ermöglichen eine lokale (”punktuelle”) Legierungsbildung zwischen metallischen Bestandteilen der Siebdruckpaste und dem Substratmaterial (typischerweise Si) und damit die elektrische Kontaktierung der primären Substratoberfläche.
Die Kontaktbildung zwischen Siebdruckpaste und Si-Waferoberfläche wird durch verschiedene Modelle beschrieben. G. Schubert u. a. (Physical understanding of printed thick film from contacts, 14th Int. PVSEC-14, Bangkok, Thailand, 2004) geben einen Überblick zu verschiedenen Hypothesen. Das ältere Modell von Mertens u. a., 17th IEEE PVSC, 1984) und Firor u. a., 16th IEEE PVSC, 1982) beschreibt die Kontaktbildung zum Si-Wafer durch Auflösen von Silizium in Glas und die Rekristallisation von Silizium. Der Stromtransport erfolgt über direkte Ag-Si-Kontakte. In einem weiteren Modell von R. Young u. a., 16th EC PVSEC, 2000) wird die Kontaktbildung durch Ätzen des Glases in Si durch eine Redoxreaktion beschrieben: Der elektrische Kontakt wird durch einen Tunnelprozess über eine chemisch modifizierte Glasschicht (T. Nakajima u. a., Int. J. Hybrid Microelect., 6, 1983) ausgebildet.
Der Kontaktwiderstand zwischen Solarzelle und Solarzellenelektroden wird beim Siebdruck mit metallhaltigen Druckpasten durch die Größe der Kontaktfläche und die Qualität des Kontaktes bestimmt. Die Druckpasten enthalten im wesentlichen Silberpartikel (70–80 Masse%) und organische Bestandteile/Lösungsmittel (15–30 Masse-%).
In der EP 1 801 891 A1 wird eine elektrisch leitende Paste beschrieben, die Silberpulver, Glasfritte, ein Bindemittel und einen Sinterinhibitor enthält und zur Herstellung von Solarzellenelektroden verwendet wird. Als Glasfritte kann irgendein Glas verwendet werden, das für die Anwendung in einer elektrisch leitenden Paste eingesetzt werden kann. Der Glaspunkt (softening point nach ASTM C338-57) sollte zwischen 450°C und 550°C liegen, da der Sinterprozess nach Angaben der EP 1 801 891 A1 beispielsweise zwischen 600°C und 800°C abläuft. Die chemische Zusammensetzung der Glasfritte wird im genannten Patent als nicht wichtig eingestuft. Es werden mögliche Gläser, wie Bleiborsilikatglas, Zinkborsilikatglas oder bleifreie Gläser genannt. In der EP 1 801 890 A1 wird eine Paste genannt, die aus zwei Silberpulvern unterschiedlicher Körnung größer bzw. kleiner als 58 nm, einer Glasfritte und einem Bindemittel besteht.
In der DT 1 496 646 wird eine sog. Pigmentglasfritte für Lacke, Anstriche, Kunststoffe, Papier und dgl. beschrieben. Es werden Korngrößen zwischen 1 μm und 60 μm für Glasfritten mit fein dispersiv eingebetteten TiO₂ bzw. ZrO₂-Kritalliten genannt. Die Pigmentfritten sind durchsichtige Systeme mit ca. 1 μm bis 15 μm und einer Titanoxid-Kristallitgröße von 0,01 μm bis 1 μm. Die US 4,375,007 gibt Pasten mit einem geringen Anteil von Glasfritte an, die z. B. eine Zusammensetzung von PbO: 83 M%, PbF₂: 4,9 M%, B₂O₃: 11 M% und SiO₂, 1,1 M% haben.
Bekannt ist weiterhin aus EP 0 630 525 B1 ein „Herstellungsverfahren einer Solarzelle mit kombinierter Metallisierung”, das einen zweistufigen Prozess zur Herstellung des Vorderseitenkontaktes umfasst, und Grabenstrukturen vorsieht, in denen zunächst eine aus Palladium bestehende Keimschicht erzeugt wird, die anschließend durch galvanische oder stromlose Abscheidung verstärkt wird.
Die DE 4 311 173 A1 beschreibt ein „Verfahren zur stromlosen Abscheidung eines Metalls über einer Halbleiteroberfläche”. Das lokale Entfernen einer Passivierungsschicht erfolgt hier durch Maskierung und Strukturierung mit Photolithographie sowie Ätzen mit Fluorwasserstoffsäure.
Auch in der DE 10 2006 030 822 A1 wird ein Verfahren zum Herstellen einer metallischen Kontaktstruktur einer Solarzelle beschrieben. Dieses Verfahren umfasst zwei Verfahrensschritte, das Aufbringen einer metallischen Kontaktstruktur auf eine Oberfläche der Solarzelle und das Verstärken der metalli schen Struktur in einem elektrolytischen Bad. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die metallische Kontaktstruktur unter Einsatz einer metallhaltigen Tinte mittels mindestens einer Druckdüse auf die Oberfläche der Solarzelle aufgebracht wird. Die metallhaltige Tinte ist eine verdünnte Paste, welche Metallpartikel mit einer Größe zwischen 20 nm und 1000 nm enthält. Es wird erwähnt, dass vor dem Aufbringen der metallischen Kontaktstruktur eine dielektrische Schicht auf der Solarzelle zumindest teilweise entfernt wird. Dies soll bspw. mittels eines Lasers erfolgen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung und eine Drucksubstanz zu dessen Ausführung anzugeben, mit denen insbesondere die Herstellung des elektrischen Kontaktes zwischen der primären Substratoberfläche und der Kontaktstruktur und damit wesentliche Parameter der kontaktierten Solarzelle noch präziser und flexibler gesteuert werden können.
Diese Aufgabe wird in ihrem Verfahrensaspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in ihren Erzeugnisaspekten durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und eine Drucksubstanz mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht im Einsatz einer hier als Öffnungs-Partikel bezeichneten Beimischung in einer Drucksubstanz zur Erzeugung einer Kontaktvermittlungsschicht einer Kontaktstruktur in einem präzise lokal steuerbaren Druckverfahren. Die Öffnungs-Partikel öffnen die Dünnschicht auf dem Solarzellensubstrat lokal und in definierter Größe, so dass in einem nachfolgenden thermischen Prozess, etwa einem herkömmlichen Sinterprozess, hier als Kontakt-Partikel bezeichnete elektrisch leitfähige Teilchen durch die geschaffene Öffnung einen elektrischen Kontakt zwischen einer später aufgebrachten Leitschicht und dem Substrat herstellen können. Mit Blick auf Ihre sinnvolle Bemessung, die bevorzugt im Nanometerbereich oder bei wenigen Mikrometern liegt, werden die Öffnungs-Partikel im Folgenden auch als Nanopartikel oder Nanoteilchen bezeichnet, und für die Kontakt-Partikel werden auch die Begriffe Metallpartikel oder Metallteilchen benutzt, obgleich sie grundsätzlich auch aus einem nichtmetallischen leitfähigen Material bestehen könnten.
Das definierte Aufbringen der Öffnungs-Partikel auf die Waferoberfläche hat folgende Vorteile:

– Es sind zahlreiche kleine Öffnungen in der Dünnschicht möglich.
– Die Zahl der Öffnungen kann durch die Konzentration der Nanopartikel in der Paste bzw. deren Verteilungsdichte an der Oberfläche gesteuert werden.
– Durch die Größe der Nanopartikel kann die Größe der Öffnung beeinflusst und ggf. gezielt eingestellt werden. Damit kann ausgeschlossen werden, dass die Öffnung zu groß und der Emitter beschädigt wird.
– Wird ein Doppeldruck durchgeführt, so kann die Dichte der unteren Schicht gering gehalten werden, da sie nur zur Herstellung des Kontaktes dienen soll.
– Durch die Variation und gezielte Einstellung der Korngröße der Metallpartikel kann die Menge an verfügbarem Metall zur Legierungsbildung gesteuert werden. Es kann somit vermieden werden, das zu viel Metall in das Si eindringt und den Emitter schädigen würde.

In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schritt des Aufbringens der Kontaktvermittlungsschicht mindestens zwei Teilschritte unter Einsatz einer ersten und zweiten Drucksubstanz aufweist, wobei mindestens eine der Drucksubstanzen Öffnungs-Partikel, aber keine Metallpartikel, und die andere Drucksubstanz Metallpartikel enthält. In einer Fortbildung dieser Ausgestaltung enthalten die Drucksubstanzen Öffnungs-Partikel und/oder Metallpartikel mit unterschiedlicher mittlerer Korngröße. In einer weiteren Fortbil dung ist vorgesehen, dass der Schichtauftrag in den Teilschritten jeweils derart punktgenau gesteuert ausgeführt wird, dass auf einen Punkt einer Öffnungs-Partikel enthaltenden ersten Teilschicht ein Punkt einer zweiten, Metallpartikel enthaltenden Teilschicht abgeschieden wird.
Bei diesen Ausgestaltungen können die vorstehend erwähnten Vorteile besonders ausgeprägt erreicht werden, und Unzulänglichkeiten der bisherigen Verfahren, insbesondere ein unnötig hoher Gesamtanteil von Glasfritte im Gesamtvolumen einer Kontaktstruktur, eine wenig vorteilhafte Mikrostruktur mit zahlreichen Hohlräumen und ein hierdurch bedingter relativ hoher Kontaktwiderstand, können überwunden werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens sowie auch der Drucksubstanz ist vorgesehen, dass die Korngröße und/oder der Anteil der Metallpartikel in einer zweiten Drucksubstanz mindestens gleich der Korngröße und/oder dem Anteil der Öffnungs-Partikel in einer ersten Drucksubstanz, insbesondere größer, ist. Hierdurch wird sicher gestellt, dass die durch das Eindringen der Öffnungs-Partikel in die elektrische Schicht auf der Substratoberfläche gebildeten Durchbrüche weitgehend vollständig mit dem leitfähigen Material gefüllt werden können, wodurch ein besonders niedriger Kontaktwiderstand erreicht wird.
In einer ersten vorteilhaften Ausführung des Verfahrens, die weitgehend auf marktgängige, kostengünstige und bewährte Vorrichtungskomponenten zurückgreifen kann, wird als Drucksubstanz eine Druckflüssigkeit benutzt und diese auf die zu kontaktierende Oberfläche mittels eines Tintenstrahl- oder Aerosoldruckverfahrens aufgebracht. Hierbei sind Teile herkömmlicher Tintenstrahl- bzw. Aerosoldrucker und die für diese verfügbare umfangreiche und hochentwickelte Steuerungs-Software nutzbar, und es kann auch auf Komponenten bzw. Basis-Zusammensetzungen bekannter Drucktinten zurückgegriffen werden. Die Druckflüssigkeit enthält hierbei neben den Nanopartikeln vorzugsweise Silber- oder auch Nickelteilchen als Metallpartikel, und es ist auf eine hinreichend niedrige Viskosität und ggf. Beimischung eines Tensid-Anteils zur möglichst guten Benetzung der Dünnschicht sowie auf chemische Verträglichkeit mit dem Material der später aufgebrachten Leitschicht zu achten.
Ähnlich vorteilhaft ist eine hierzu alternative Ausführung, bei der als Drucksubstanz ein Druckpulver benutzt und dieses auf die zu kontaktierende Oberfläche mittels eines Laserdruckverfahrens aufgebracht wird. Diese Verfahrensdurchführung stützt sich auf die bekannte Laserdruck-Technologie und kann ebenfalls bekannte Hard- und Software jener Technologie nutzen. Hierdurch lassen sich kurze Entwicklungs- und Gestehungszeiten und niedrige Gestehungskosten der entsprechenden Herstellungsanlagen erreichen.
Als Öffnungspartikel-Bestandteil einer Drucksubstanz zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Partikel mit einer Korngröße zwischen etwa 1 nm und 3 μm, insbesondere zwischen 10 nm und 1 μm, eingesetzt. Die bei einer konkreten Verfahrensdurchführung gewählte Korngröße richtet sich nach der Dicke und ggf. sonstigen Parametern der auf der primären Substratoberfläche vorgesehenen dielektrischen Schicht (Dünnschicht) und kann von dem hier angegebenen Bereich erforderlichenfalls auch in Maßen abweichen.
Als Material für die Öffnungs-Partikel kommt Glas, Quarz oder Keramik (etwa Korund oder andere oxidische oder sonstige Keramiken, wie sie etwa für Hartstoffbeschichtungen eingesetzt werden) in Betracht. Je nach speziellem Anwendungsfall, insbesondere den Eigenschaften der zu öffnenden Dünnschicht, kann auch eine Mischung verschiedener Materialien sinnvoll einsetzbar sein. Als Kontakt-Partikel kommen insbesondere Silber- und/oder Nickelteilchen, grundsätzlich aber auch Kohlenstoffpartikel, in Betracht.
Die Öffnungs-Partikel werden durch Oberflächenkräfte an der dielektrischen Schicht gehalten, und an den Berührungsstellen wird infolge der Temperaturerhöhung während des nachfolgenden Sinterprozesses die dielektrische Schicht geöffnet und die Partikel „sinken” in diese ein.
Es ist darauf hinzuweisen, dass das Aufbringen der Leitschicht nicht notwendigerweise mit einem Siebdruckverfahren erfolgt, sondern auch als ein Abscheidungsverfahren ausgestaltet sein kann. Im Übrigen wird für diese Verfahrensstufe auf den Stand der Technik zurückgegriffen, sodass diesbezüglich keine genauere Beschreibung erforderlich ist.
Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Drucksubstanz ergeben sich für den Fachmann ohne Weiteres aus den in den Verfahrensansprüchen niedergelegten und oben erläuterten Verfahrensmerkmalen, sodass auch hierzu keine zusätzlichen Ausführungen erforderlich sind. Hingewiesen wird aber darauf, dass in einer vorteilhaften Ausführung der Drucksubstanz vorgesehen ist, dass die Öffnungspartikel von einer oder mehreren Schutzschichten umgeben sind, die diese gegenüber der Einwirkung durch äußere Einflüsse, insbesondere chemischen und thermischen, schützt. Diese Schicht bzw. Schichten verlängern die Lagerungsfähigkeit der Drucksubstanz und können nach Aufbringen derselben auf die Dünnschicht geringer Leitfähigkeit in einem nachfolgenden Prozess, insbesondere einem thermischen Prozess, wieder entfernt werden.
Des weiteren sei darauf hingewiesen, dass in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drucksubstanz die Öffnungs-Partikel in ihrem Inneren eine zur Herstellung eines elektrischen Kontakts geeignete Substanz („Kontaktsubstanz”) enthalten können. Sowohl bei dieser Ausgestaltung als auch dann, wenn Öffnungs-Partikel und Kontakt-Partikel nebeneinander in der Drucksubstanz vorliegen, ist sinnvollerweise der Materialanteil beider Komponenten auf die Dicke der Dünnschicht geringer Leitfähigkeit abgestimmt. Über die Menge des Öffnungsmaterials in der Außenschicht der Druckpartikel wird die Größe der Öffnung in der Dünnschicht eingestellt und über die Menge des Kontaktmaterials im Inneren der Druckpartikel das angeschmolzene Volumen im Substrat. Die Leitfähigkeit des elektrischen Kontaktes zwischen Leitschicht und Substrat kann, unabhängig voneinander, über die Größe der Druckpartikel und die Mengenanteile von Öffnungs- und Kontaktmaterial einer einzigen kontak tierbaren Öffnung und über die Anzahl der Druckpartikel pro Druckfläche gezielt eingestellt werden.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
1A und 1B eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2A und 2B. eine schematische Darstellung zur Erläuterung desselben Schrittes einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4A bis 4C Darstellungen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung,
5A und 5B eine schematische Querschnittsdarstellung bzw. Draufsicht einer ersten Konfigurations-Variante bei der Ausführung der Erfindung,
6A und 6B eine schematische Querschnittsdarstellung bzw. Draufsicht einer zweiten Konfigurations-Variante bei der Ausführung der Erfindung,
7 eine Querschnittsdarstellung einer dritten Konfigurations-Variante und
8 eine Draufsicht einer vierten Konfigurations-Variante.
1A zeigt in Querschnittsdarstellung schematisch ein Si-Solarzellensubstrat 1 mit einer auf einer Hauptoberfläche (Vorderseite) 1a aufgebrachten Antireflexschicht (dielektrischen Schicht) 3 mit geringer Leitfähigkeit in einem ersten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung einer metallischen Kontaktstruktur. In diesem Schritt wird über eine Tintenstrahl-Druckdüse 5, die mit einem Druckflüssigkeits-Reservoir 7 verbunden ist, eine schnell trocknende Druckflüssigkeit 9, durch eine Drucksteuereinheit 11 präzise lokal gesteuert, auf die Oberfläche der Antireflexschicht 3 aufgetragen und bildet dort eine gemäß der gewünschten Gestalt einer späteren Kontaktstruktur gemusterte Kontaktvermittlungsschicht 13 aus. Die Druckflüssigkeit 9 enthält neben einer Bindemittel-Zusammensetzung, Lösungsmitteln und ggf. Zusatzstoffen zur Optimierung des Druckvorganges Glas-Nanopartikel sowie Metallpartikel in dispergierter Form.
Die Darstellung ist lediglich als Prinzipskizze zu verstehen; bei einer praktischen Ausführung wird ein Vielfach-Druckkopf mit einer Vielzahl einzelner Düsen zum Einsatz kommen, die in vorbestimmten Gruppen (wie bei einem Farb-Tintenstrahldrucker) mit verschiedenen Druckflüssigkeitsbehältern verbunden sein und daher Druckflüssigkeiten mit in vorbestimmter Weise differierenden Glasfritte- und Metall-Gehalten und ggf. sonstigen Parametern austragen können. Während des dargestellten ersten Schrittes können hierdurch die Eigenschaften der gebildeten Kontaktvermittlungsschicht lokal gezielt eingestellt und optimiert werden.
1B zeigt skizzenartig einen zweiten Schritt der Herstellung der erwähnten Kontaktstruktur, der sich an die Ausbildung der strukturierten Kontaktvermittlungsschicht 13 anschließt. Bei der gezeigten Ausführung wird auf die Oberfläche der Kontaktvermittlungsschicht ein Drucksieb 15 mit offenen Bereichen 15a und Maskierungs-Bereichen 15b aufgelegt, wobei die Lage der letzteren zur Lage der Ausnehmungen in der Kontaktvermittlungsschicht 13 korrespondiert. Mittels eines Rakels 17 wird auf die bei Siebdruckverfahren übliche Weise eine Siebdruckpaste 19 mit vorbestimmtem Flächendruck über das Drucksieb 15 geführt und durch die offenen Bereiche 15a des Siebes auf die dort vorgebildete Kontaktvermittlungsschicht 13 gedrückt.
Der Prozess der Herstellung der Kontaktstruktur wird dann üblicherweise durch einen thermischen Behandlungsschritt (Sinterschritt o. e.) abgeschlossen, in dem zugleich die weiter oben erwähnten physikochemischen Prozesse an der Grenzfläche zwischen Kontaktvermittlungsschicht 13 und Substratoberfläche 1a ablaufen und zur Ausbildung eines elektrischen Kontaktes zwischen dem Si-Substrat und der durch die thermische Behandlung der Siebdruckpaste 19 gebildeten Leitschicht der Kontaktstruktur führen.
In 2A und 2B ist, wiederum rein skizzenhaft, eine Abwandlung des oben beschriebenen Verfahrens in beiden Verfahrensschritten dargestellt. Insoweit die dargestellten Elemente mit den in 1A und 1B dargestellten übereinstimmen, sind die gleichen Bezugsziffern wie dort gewählt, und diese Elemente werden nicht nochmals beschrieben.
Der wesentliche Unterschied beim ersten Verfahrensschritt besteht darin, dass dieser in zwei Teilschritte zerfällt, in denen unter Einsatz zweier parallel zueinander angeordneter Druckdüsen 5.1, 5.2 zwei in getrennten Druckflüssigkeitsbehältern 7.1, 7.2 aufgenommene Druckflüssigkeiten 9.1, 9.2 unmittelbar aufeinanderfolgend und direkt übereinander derart auf die Antireflexschicht 3 ausgetragen werden, dass sich hierauf eine eine untere Teilschicht 13.1 und eine obere Teilschicht 13.2 umfassende Kontaktvermittlungsschicht 13 ausbildet. In einer bevorzugten Ausführung enthält die erste Druckflüssigkeit 9.1 als für die Ausführung der Erfindung wesentliche Wirksubstanz (neben Binde- und Lösungsmitteln etc.) im Wesentlichen nur Glas-Nanoteilchen, während die zweite Druckflüssigkeit 9.2 im Wesentlichen nur Metallpartikel, aber keine Glas-Nanoteilchen, enthält. Die Größe der jeweiligen Partikel in den beiden Druckflüssigkeiten wird in Abstimmung auf die Dicke und die physikalischen Parameter der Antireflexschicht sowie auf sonstige Prozessparameter zur Realisierung einer optimierten Kontaktvermittlungsschicht eingestellt.
Im zweiten Verfahrensschritt wird, wie in 2B symbolisch dargestellt, das Substrat 1 mit der darauf angeordneten Kontaktvermittlungsschicht 13 einer (durch gewellte Pfeile symbolisierten) Gasphasen- bzw. Vakuum-Abscheidung von Silber Ag unterzogen, nachdem die Öffnungsbereiche der Kontaktvermittlungsschicht 13 in üblicher Weise durch einen Photoresist 21 maskiert wurden, um eine Ag-Abscheidung in diesen Bereichen zu verhindern. Es bildet sich eine Ag-Leitschicht 23 aus, die nach einer herkömmlichen Behandlung entsprechend dem Muster der Kontaktvermittlungsschicht 13 strukturiert ist. Auch hier wird sich eine thermische Nachbehandlung zur Ausbildung einer Kontakt-Legierung im Grenzschichtbereich zum Si-Substrat 1 anschließen.
3 zeigt skizzenartig eine weitere Abwandlung des Verfahrens, und zwar den Einsatz eines Laserdruckverfahrens zur Erzeugung der Kontaktvermittlungsschicht 13 auf der Antireflexschicht 3 der Solarzelle im ersten Verfahrensschritt. Es wird ein in einer Kartusche 8 aufgenommenes Druckpulver 10 einem Laserdruckkopf 6 zugeführt, der unter Steuerung durch eine Drucksteuereinheit 12 mit den üblichen Schritten eines Laserdruckverfahrens die Kontaktvermittlungsschicht 13 als Druckmuster erzeugt. Das Druckpulver enthält neben üblichen Bindemitteln etc. einen Glasfritte-Anteil mit Glas-Nanoteilchen und Metallpartikel in gleichmäßiger Verteilung, die nach dem Auftrag und Trocknen des Pulvers zur Kontaktvermittlungsschicht 13 in gleicher Weise wie bei den oben beschriebenen Ausführungen wirken.
In den 4A bis 4C ist, wiederum in Art schematischer Querschnittsdarstellungen, die Wirkungsweise der Erfindung illustriert. 4A zeigt einen Zustand, bei dem ursprünglich auf der Antireflexschicht 3 des Si-Substrates 1 liegende Glas-Nanopartikel A bereits in die Antireflexschicht 3 ein und durch diese hindurch bis hin in Oberfläche 1a des Substrates 1 hindurchgedrungen sind. In dieser Phase liegen Silberpartikel B noch auf der Antireflexschicht 3.
Im Zuge einer thermischen Behandlung dringt dann, wie 4B symbolisch zeigt, ein Teil der Silberteilchen B durch die mittels der Glas-Nanopartikel geschaffenen Durchbrüche durch die Antireflexschicht 3 und bis in die Oberfläche des Siliziums 1. 4C zeigt, wie auf diese Weise die Kontaktvermittlungsschicht 13 mit der Antireflexschicht 3 und der Substratoberfläche 1a durch leitfähige Brücken gewissermaßen „verzahnt” ist, wodurch ein niedriger Kontaktwiderstand zwischen einer über der Kontaktvermittlungsschicht 13 gebildeten Leitschicht 19' und dem Solarzellensubstrat 1 realisiert werden kann. Durch die Konzentration und Korngröße der Glas- und Metallteilchen kann die Zahl (Dichte) und Größe der Durchbrüche und die Menge des in die Substratoberfläche eindringenden Metalls gezielt gemäß den bestehenden Anforderungen gesteuert werden.
5A und 5B zeigen schematisch eine reguläre Konfiguration aus alternierenden Reihen von gleich großen Glas-Nanoteilchen A und Silberteilchen B (5A) bzw. von gleich großen Tintentröpfchen 9A, die Glas-Nanoteilchen enthalten, und Tröpfchen 9B, die Metallteilchen enthalten (5B). Bei der Ausführung nach 6A bzw. 6B ist diese Verteilung dahingehend abgewandelt, dass die Korngröße der Metallpartikel B (6A) bzw. die Tröpfchengröße der metallhaltigen Tinte B (6B) größer gewählt ist, also mehr Metall zum Durchsetzen der durch die Glas-Nanoteilchen geschaffenen Durchbrüche in der dielektrischen Schicht bereitgestellt wird.
Bei der Variante nach 7 sind die Tintentröpfen der Tinten 9A und 9B nicht alternierend, also zueinander benachbart, aufgebracht, sondern die größeren Tropfen der Tinte 9B sind direkt über den kleineren Tropfen der Tinte 9A abgeschieden. Bei der in 8 gezeigten Ausführung schließlich wird eine gegenüber der Menge an Glas-Nanoteilchen größere Menge an Silberteilchen auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht bereitgestellt, um insgesamt eine größere Metallmenge bereitzustellen. Die mittlere Korngröße der Glas- und Metallteilchen ist hierbei (wie in 5A) aber die gleiche.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele und hervorgehobenen Aspekte der Erfindung beschränkt, sondern ebenso in vielgestaltigen Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1801891 A1 [0005, 0005]
- EP 1801890 A1 [0005]
- DT 1496646 [0006]
- US 4375007 [0006]
- EP 0630525 B1 [0007]
- DE 4311173 A1 [0008]
- DE 102006030822 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- G. Schubert u. a. (Physical understanding of printed thick film from contacts, 14th Int. PVSEC-14, Bangkok, Thailand, 2004) [0003]
- Modell von Mertens u. a., 17th IEEE PVSC, 1984 [0003]
- Firor u. a., 16th IEEE PVSC, 1982 [0003]
- Modell von R. Young u. a., 16th EC PVSEC, 2000 [0003]
- T. Nakajima u. a., Int. J. Hybrid Microelect., 6, 1983 [0003]
- ASTM C338-57 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktstruktur, insbesondere der Kontaktstruktur einer Solarzelle, wobei auf eine elektrisch zu kontaktierende, mit einer Dünnschicht geringer Leitfähigkeit, insbesondere einer Passivierungs- oder Antireflexschicht der Solarzelle, versehene Oberfläche eines Substrates lokal gesteuert in einem Non-Impact-Druckverfahren eine Drucksubstanz aufgebracht wird, welche Öffnungs-Partikel mit einer auf die Dicke der Dünnschicht abgestimmten mittleren Korngröße sowie Kontakt-Partikel enthält und auf der Oberfläche eine Kontaktvermittlungsschicht bildet, und danach in einem weiteren Schritt eine Leitschicht auf der Kontaktvermittlungsschicht erzeugt wird, wobei die Öffnungs-Partikel dazu ausgebildet sind, die Dünnschicht geringer Leitfähigkeit in einem nachfolgenden Prozess, insbesondere einem thermischen Prozess, lokal und in definierter Größe zu öffnen, so dass bei diesem oder in einem nachfolgenden Prozess, insbesondere einem thermischen Prozess, die Kontakt-Partikel durch die Öffnungen einen elektrischen Kontakt zwischen Leitschicht und Substrat herstellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Aufbringens der Kontaktvermittlungsschicht mindestens zwei Teilschritte unter Einsatz einer ersten und zweiten Drucksubstanz aufweist, wobei mindestens eine der Drucksubstanzen Öffnungspartikel, aber keine Kontakt-Partikel, und die andere Drucksubstanz Kontakt-Partikel enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei mindestens zwei der Drucksubstanzen Öffnungs-Partikel und/oder Kontakt-Partikel mit unterschiedlicher mittlerer Korngröße enthalten.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Schichtauftrag in den Teilschritten jeweils derart punktgenau gesteuert ausgeführt wird, dass auf einen Punkt einer Öffnungs-Partikel enthaltenden ersten Teilschicht ein Punkt einer zweiten, Kontakt-Partikel enthaltenden Teilschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Korngröße und/oder der Anteil der Kontakt-Partikel in einer zweiten Drucksubstanz mindestens gleich der Korngröße und/oder dem Anteil der Öffnungs-Partikel in einer ersten Drucksubstanz, insbesondere größer, ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als die oder jede Drucksubstanz eine Druckflüssigkeit benutzt und diese auf die zu kontaktierende Oberfläche mittels eines Tintenstrahl- oder Aerosoldruckverfahrens aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als die oder jede Drucksubstanz ein Druckpulver benutzt und dieses auf die zu kontaktierende Oberfläche mittels eines elektrofotografischen bzw. Laserdruckverfahrens aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Öffnungs-Partikel mit einer Korngröße zwischen 1 nm und 3 μm, insbesondere zwischen 10 nm und 1 μm, eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Öffnungs-Partikel Glas-, Quarz- oder Keramikpartikel und/oder als Kontakt-Partikel Metallpartikel, insbesondere aus Silber und/oder Nickel, eingesetzt werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Tintenstrahl- oder Aerosoldruckgerät, welches einen Druckflüssigkeitsbehälter aufweist, in dem eine Öffnungs-Partikel enthaltende Druckflüssigkeit aufgenommen ist, oder einem Laserdruckgerät, welches eine Druckpulverkartusche aufweist, in der ein Öffnungs-Partikel enthaltendes Druckpulver aufgenommen ist, und einer Substrat-Transportvorrichtung, welche zum beschädigungsfreien Transport eines mittels des Druckgerätes zu kontaktierenden Substrates durch einen Druckbereich hindurch ausgebildet ist.
Drucksubstanz zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welche in einem Bindemittel verteilte Öffnungs-Partikel einer vorbestimmten mittleren Korngröße und Verteilung aufweist.
Drucksubstanz nach Anspruch 11, ausgebildet als Druckflüssigkeit zum Einsatz in einem Tintenstrahl- oder Aerosoldruckverfahren.
Drucksubstanz nach Anspruch 11, ausgebildet als Druckpulver zum Einsatz in einem Laserdruckverfahren.
Drucksubstanz nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Öffnungs-Partikel eine mittlere Korngröße im Bereich zwischen 1 nm und 3 μm, insbesondere zwischen 10 nm und 1 μm, aufweisen.
Drucksubstanz nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei als Öffnungs-Partikel Glas-, Quarz- oder Keramikpartikel und optional zusätzlich Kontakt-Partikel, insbesondere Metall-Partikel, enthalten sind.
Drucksubstanz nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Öffnungspartikel von mindestens einer Schutzschicht zum Schutz gegenüber, insbesondere chemischen und/oder thermischen, Umgebungseinflüssen umgeben sind.
Drucksubstanz nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Öffnungs-Partikel in ihrem Inneren eine Kontaktsubstanz enthalten.
Drucksubstanz nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Materialmengen von Öffnungs-Partikeln und Kontakt-Partikeln bzw. Kontaktsubstanz auf die Dicke der Dünnschicht geringer Leitfähigkeit abgestimmt sind.