ATAKAMA – Alternative Kontaktierungsprozesse und Kontaktmaterialien für hocheffiziente Siliciumsolarzellen mit passivierten Kontakten

Laufzeit: November 2016 - Oktober 2019
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Projektfokus:
Niedertemperatur-Silberpaste nach thermischem Sintern bei 200°C. Der spezifische Fingerwiderstand und spezifische Kontaktwiderstand der gedruckten Struktur zum TCO beträgt 9.4 µcm bzw. 3.2 mcm².
© IEEE
Niedertemperatur-Silberpaste nach thermischem Sintern bei 200°C. Der spezifische Fingerwiderstand und spezifische Kontaktwiderstand der gedruckten Struktur zum TCO beträgt 9.4 µΩcm bzw. 3.2 mΩcm².
Niedertemperatur-Silberpaste nach thermischem Sintern bei 350°C. Der spezifische Fingerwiderstand und spezifische Kontaktwiderstand der gedruckten Struktur zum TCO beträgt 3.5 µcm bzw. 6.8 mcm².
© IEEE
Niedertemperatur-Silberpaste nach thermischem Sintern bei 350°C. Der spezifische Fingerwiderstand und spezifische Kontaktwiderstand der gedruckten Struktur zum TCO beträgt 3.5 µΩcm bzw. 6.8 mΩcm².
Spezifischer Fingerwiderstand als Funktion des thermischen bzw. photonischen Sinterprozesses.
© IEEE
Spezifischer Fingerwiderstand als Funktion des thermischen bzw. photonischen Sinterprozesses.

Die Metallisierung  von Solarzellen mit passivierenden Kontakten kann zu erheblichen elektrischen Verlusten führen. Im Projekt Atakama werden innovative Materialien und Prozesse untersucht, die eine verlustarme Metallisierung ermöglichen. Dabei werden insbesondere Medien auf Basis von nano-skaligen Partikeln in Pasten und Tinten eingesetzt, welche mittels Siebdruck und Inkjet Verfahren auf TCO (engl., transparent conductive oxide) verdruckt und mit thermischer und photonischer Sintertechnik weiterverarbeitet werden.

Bisher wurden Leiterbahnen mit einer min. Strukturbreite von weniger als 30 µm mittels Inkjet- und Siebdrucktechnologie realisiert. Mittels Siebdruck wurden spezifische Widerstände in Höhe von 2.4 µWcm und spezifische Kontaktwiderstände (Grenzfläche TCO-Metall) von weniger als 5 mWcm2 mit einem ausgewählten Sinterprozess erreicht, was den Projektzielen entspricht.

Solarzellen mit passivierenden Kontakten, wie TOPCon (engl., tunnel oxide passivated contact) und SHJ (engl., silicon heterojunction) Solarzellen, werden - laut aktuellen Markstudien - in der kommenden Dekade ihren Marktanteil verfünffachen. Im Projekt Atakama werden innovative Metallisierungsverfahren auf Basis von Medien mit nano-skaligen Partikeln (Nanotinten und -pasten) und von Sieb- und Inkjet-Durckprozessen sowie thermischen und photonischen Sintertechniken entwickelt, um die großflächige und -skalige Produktion entsprechender Solarzellen der nächsten Generation zu ermöglichen und so die Grundlage für potentielle Technologietransfers vom Labor in die fertigende Industrie zu schaffen.

Die im Projekt adressierten SHJ-Solarzellen haben temperaturempfindliche, funktionale a-Si (amorphes Silicium) und TCO (engl-, transparent conductive oxide) Schichten, sodass eine Metallisierung mit typischen Metallpasten und Feuerprozessen obsolet ist. Leiterbahnen auf Basis von Nanopasten erreichen adäquate elektrische Eigenschaften bereits bei geringen Temperaturen. So konnten in Atakama bereits spezifische Widerstände und Kontaktwiderstände (TCO/Metall) von 2.4 µWcm bzw. weniger als 5 mWcm2 gemessen werden. Zur Reduzierung des kostenintensiven Ag Verbrauchs werden im Projekt insbesondere unedle Metalle  wie z.B. Kupfer Cu als Ag-Ersatz evaluiert.

Das Siebdruck Verfahren ist in der Photovoltaik insbesondere aufgrund seiner hohen Produktivität etabliert, allerdings impliziert das Inkjet Verfahren aufgrund von kontaktloser Prozessführung, minimalem Materialverbrauch und digitalen Druckvorlagen besondere Vorteile, welche für die ressourcenschonende Fertigung von Solarzellen der nächsten Generation in digitalisierten Fabrikationsstätten in vielerlei Hinsicht genutzt werden könnten.

Photonisches Sintern wird in der gedruckten Elektronik eingesetzt, kann aber aufgrund seiner besonderen Merkmale auch in die Anwendung PV integriert werden. Das thermische Sintern erfordert lange Prozesszeiten, sodass PV-adäquate Durchsätze nur mit komplexen Anlagensystemen erreicht werden können. Unter anderem durch die speziellen Spektren und Strahlungsintensitäten ermöglicht das photonische Sintern hingegen das Verarbeiten von Substraten mit einer Taktzeit von wenigen Millisekunden und ist daher ein relevantes Verfahren für die industrielle Transformation von TOPCon- und SHJ-Solarzellen in die Industrie. Im Rahmen des Projektes werden die entwickelten Verfahren und Prozesse in die Herstellungsprozesse der adressierten Zellkonzepte integriert, bewertet und die Ergebnisse in renommierten, wissenschaftlichen Fachzeitschriften publiziert.

Spezifischer Kontaktwiderstand als Funktion des thermischen bzw. photonischen Sinterprozesses.
© IEEE
Spezifischer Kontaktwiderstand als Funktion des thermischen bzw. photonischen Sinterprozesses.