In diesem Zusammenhang wurden zahlreiche Forschungsarbeiten und Anstrengungen unternommen, um die Effizienz der Solarenergie zu verbessern. Kristalline Siliziumzellen (Si-Zellen) sind die am häufigsten verwendeten Solarzellen in kommerziell erhältlichen Solarmodulen. Sie haben den PV-Zellenmarkt seit seinen Anfängen in den 1950er Jahren dominiert und machen heute mehr als 90
Prozent des Marktes aus.
Die Aussichten für einen höheren Wirkungsgrad bei der Herstellung von Solarzellen – von besseren Schirmen bis hin zu keinen Schirmen
Zahlreiche Unternehmen und Forschungsinstitute, die Solarzellen herstellen, haben sich der Verbesserung des Wirkungsgrads und der Kostensenkung gewidmet, um hocheffiziente kristalline Si-PV-Zellen zu entwickeln. Ein wesentlicher Schritt bei der Herstellung dieser Zellen ist der Metallisierungsprozess, bei dem ein Gitter aus sehr feinen Linien auf der Vorderseite des Wafers erzeugt wird, das die durch das Licht erzeugten Elektronen von der Zelle wegleitet.
Dieser Metallisierungsprozess wird meist mit Hilfe der Siebdrucktechnik durchgeführt, bei der leitfähige Paste durch die Öffnungen eines Drahtgeflechts oder eines Emulsionssiebs auf den Wafer gepresst wird, um die Schaltkreise oder Kontakte zu bilden. Im Laufe der Jahre haben die Bemühungen, die Effizienz
und Präzision der Metallisierung von PV-Zellen zu verbessern, zu besseren Siebdruckgeräten und Materialien geführt. So wurden beispielsweise hochpräzise Schablonen als Alternative zu den herkömmlichen Drahtgewebe- und Emulsionssieben eingeführt. Darüber hinaus hat die Entwicklung von
Tintenstrahldruck- und 3D-Metalldrucktechnologien die Realisierung des maskenlosen Siebdrucks
ermöglicht.
(1) Siebdruck
Das Siebdruckverfahren beginnt damit, dass ein Si-Wafer auf einen Drucktisch gelegt wird. Ein Sieb, in der Regel ein Drahtgeflecht oder ein Emulsionssieb, wird in einem Rahmen befestigt und über den Wafer gelegt. Dieses Sieb blockiert bestimmte Bereiche und lässt andere Bereiche offen. Die Metallpaste, in der Regel Silber (Ag), wird dann mit einem Rakel auf das Sieb aufgetragen, so dass sie gleichmäßig verteilt wird und die Öffnungen des Siebs ausfüllt. Während sich der Rakel über das Sieb bewegt, drückt er die Paste durch die Öffnungen und überträgt sie auf den Wafer.
Auf diese Weise wird ein Gitter aus leitenden Schaltkreisen aufgebracht. Diese dünnen und empfindlichen Leitungen, die auch als Finger bezeichnet werden, sammeln und leiten die durch Licht erzeugte Elektrizität von den aktiven Bereichen zu größeren Sammelleitungen oder Busbars und dann zum elektrischen System des Moduls.
Die Leitungen sind jedoch nicht so dünn wie gewünscht, da sie das Sonnenlicht davon abhalten, die aktiven Teile der Zelle zu erreichen, und somit die Umwandlungseffizienz verringern. Um diesen so genannten Abschattungseffekt zu minimieren, wurden Anstrengungen unternommen, die Leitungen so schmal wie möglich und gleichzeitig so hoch wie möglich zu machen, um den gleichen Querschnitt für eine ausreichende Leitfähigkeit zu erhalten.
Illustration des Siebdruckverfahrens
(2) Schablonendruck
Das Schablonendruckverfahren wurde nach dem Siebdruckverfahren eingeführt. Durch die Entwicklung hochpräziser Metallfertigungstechnologien wie der Galvanotechnik wurden hochpräzise Schablonen zu einer Alternative, um feinere und höhere Kontakte bei der Herstellung von PV-Zellen zu erreichen. Wie beim Siebdruck werden diese Schablonen mit blockierten und offenen Bereichen verwendet, um Paste auf den Wafer aufzutragen.
Der Schablonendruck überwindet die Einschränkungen des Siebdrucks in Bezug auf das Seitenverhältnis (d. h. Linienhöhe/Linienbreite), die Fingerbreite und die Gleichmäßigkeit. Die wesentlich feineren Linien haben ein höheres Seitenverhältnis und eine bessere Haltbarkeit. All dies führt letztlich zu einer wesentlich höheren Ausbeute und niedrigeren Kosten. Labortests haben gezeigt, dass der Schablonendruck den Wirkungsgrad von PV-Zellen gegenüber dem Siebdruck um 0,25 Prozentpunkte verbessert.
Elektrogeformte Solarzellen-Schablone
(3) Tintenstrahldruck
Der Tintenstrahldruck ist ein äußerst vielseitiges, berührungsloses Verfahren, bei dem winzige Tintentröpfchen ausgestoßen werden, um den Direktdruck zu ermöglichen. Industrielle Tintenstrahldrucker können heute nicht nur Grafiken auf alle Arten von Oberflächen drucken, sondern auch eine breite Palette von Tinten mit höchster Präzision auf verschiedene Substrate auftragen. Da der Tintenstrahldruck berührungslos erfolgt und die verfügbaren Tinten von Polymeren und Metallnanopartikeln bis hin zu lebenden Zellen reichen, hat der Tintenstrahldruck eine Vielzahl neuer Anwendungen in Bereichen wie Elektronik, Biowissenschaften, Photovoltaik und Optik gefunden.
Bei der Herstellung von PV-Zellen wird beim Tintenstrahldrucken eine Metallpaste durch die winzigen Öffnungen eines hocheffizienten, parallelen Druckkopfes direkt auf die Oberfläche der Zelle aufgebracht, was eine berührungslose, maskenlose Druckalternative zum herkömmlichen Siebdruck und Schablonendruck darstellt. Dieses Dosierverfahren bietet der PV-Industrie vielfältige Vorteile gegenüber dem konventionellen Siebdruck, die im Folgenden erläutert werden.
Erhöhte Effizienz und Stromproduktion
Beim Siebdruck wird die Metallpaste mit einem Rakel durch die Sieböffnungen auf die Waferoberfläche gedrückt. Die typische Linienbreite beträgt 55-80 μm, was zu einem Abschattungsverlust von 7-10 % führt. Darüber hinaus haben die Linien ein geringes Seitenverhältnis von ca. 0,2-0,5.
Beim Tintenstrahldruck können die Linien viel dünner gemacht werden, wodurch eine größere Halbleiteroberfläche dem Sonnenlicht ausgesetzt wird. Die Linien haben auch ein besseres Seitenverhältnis, so dass ein größerer Teil des einfallenden Sonnenlichts auf den Wafer reflektiert wird, anstatt zurück in die Luft zu gelangen. Diese beiden Faktoren erhöhen den Wirkungsgrad um etwa 1 Prozent und die Stromerzeugung.
Geringerer Verbrauch von Metallpaste
Beim Siebdruck werden die Drahtgitter und Emulsionssiebe wiederholt verwendet, und die Öffnungen können allmählich verstopfen oder sich verformen, was dazu führt, dass sich die Linien verbreitern, unregelmäßig werden und ausgefranste Kanten haben.
Beim Tintenstrahldruck können feinere Linien mit höherem Aspektverhältnis und geringerer Streifenbildung erzielt werden. Darüber hinaus kann der Hochgeschwindigkeitsauftrag durch den intermittierenden Parallelbetrieb von Hunderten von Düsen bis hinunter zu einigen Mikrometern flexibel in Bezug auf die Anzahl und Anordnung der Düsen optimiert werden. Die Genauigkeit und Flexibilität ermöglichen eine homogene Linienform, was zu einer Reduzierung des Metallpastenverbrauchs um 20 Prozent beiträgt.
Erhebliches Durchsatzpotenzial
Der berührungslose Tintenstrahldruck verspricht eine geringere Ausschussrate, wenn er auf dünneren Si-Wafern eingesetzt wird. Da es sich um ein Inline-Verfahren handelt, erhöht sich der Durchsatz gegenüber dem herkömmlichen Siebdruck erheblich.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der maskenlose Charakter des Tintenstrahldrucks eine hohe Materialausnutzung, verbesserte Leistung und Effizienz, Designfreiheit und ein erhebliches Durchsatzpotenzial bietet. Darüber hinaus kann das Verfahren direkt in eine bestehende Produktionsanlage für Silizium-PV-Zellen integriert werden und das Siebdruckverfahren für die Metallkontakte auf der Vorderseite ersetzen.
Wie die Galvanotechnik den Prozess der kontaktlosen Metallisierung verbessert hat
Ein wesentlicher Bestandteil des Dosierdruckkopfes ist die hochpräzise Düsenplatte, die durch Galvanoforming hergestellt wird, ein additives Metallherstellungsverfahren (AM) mit Mikropräzision, das Lithografie und galvanische Abscheidung kombiniert. Die Düsenplatte ist ein rechteckiges, längliches Teil mit Miniaturlöchern, durch die die Metallpaste gepresst und über die Düsen in sehr dünnen geraden Linien auf die PV-Zelle aufgebracht wird.
Goldplattierte Tintenstrahldüsenplatten
Ein weiterer bedeutender Vorteil des Galvanoforming ist die Reproduzierbarkeit. Das Verfahren bietet eine Präzision von etwa 5 μm. Bei einer Platte mit 100 bis 200 Miniaturdüsen in einer geraden Linie muss jede dieser Düsen die richtige Größe haben, und zwar nicht nur auf jeder Platte, sondern auf jeder Platte und über verschiedene Chargen der Platte hinweg. Galvanoforming garantiert Reproduzierbarkeit, d. h. dieselbe Zeichnung und dieselbe Prozesseinstellung führt zu perfekt einheitlichen und reproduzierbaren Druckergebnissen und immer wieder zum gleichen Produkt.
Galvanoforming kann auch zur Herstellung spezieller Lochgeometrien verwendet werden, z. B. für glockenförmige Löcher, die mit herkömmlichen Schneid- und Bohrverfahren nicht erreicht werden können. Diese Löcher können das Verstopfen der Platte/Düsen wirksam reduzieren und so eine außergewöhnliche Pastenabgabeleistung gewährleisten
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Beständigkeit des Plattenmaterials bei der Herstellung von PV-Zellen besonders wichtig ist, da die verwendete Metallpaste korrosiv sein kann. Außerdem stellt der Druck, der ausgeübt wird, um die Paste durch die Platte zu drücken, ein potenzielles Risiko für Verformungen dar. Aus diesen Gründen bietet Veco eine Reihe von Legierungen an, die eine hochgradig stabile Kontaktbeständigkeit und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweisen und so eine außergewöhnliche Druckleistung über eine längere Lebensdauer gewährleisten.
