KAluS50 – Kostengünstige Aluminiummetallisierung für Solarzellen und Leiterplatten

Laufzeit: Juni 2016 - September 2019
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: KSG GmbH, Koenen GmbH
Projektfokus:
© Fraunhofer ISE

Mittels elektrochemischem Siebdruck geätzte Mäanderstruktur in eine Aluminiumschicht (Schichtdicke 100 nm).

© Fraunhofer ISE

3D-Mikroskopaufnahme und Höhenprofil einer elektrochemisch geätzten Linie in eine Kupferschicht (Schichtdicke 50 nm). Die nicht geätzten Kupferbereiche wurden nach der Strukturierung galvanisch verstärkt.

Dispensprozess
© Fraunhofer ISE

Foto des elektrochemischen Dispensprozesses mit einem Einzelnadeldispenssystem.

Gegenstand des Projekts sind neuartige Druckverfahren zur elektrochemischen Strukturierung von Metallschichten (bspw. Al, Cu, Ni, Ti), welche in der Solarzellenindustrie und daneben auch in anderen Bereichen wie der Leiterplattenindustrie Vorteile bieten. Für die Photovoltaik sind Strukturierungsverfahren von Metallschichten besonders für Interdigitated-Back-Contact (IBC) Solarzellen interessant. Aktuell hierfür genutzte Prozesse, bei denen in der Regel Lackmasken verwendet werden und das Metall daraufhin chemisch geätzt wird, sind aufwendig und teuer. Der in dem Projekt entwickelte Prozess macht das lokale Ätzen unterschiedlicher dünner Metallschichten und Schichtstapeln innerhalb von Sekunden möglich, was das Verfahren im Vergleich zu Referenzprozessen flexibel und kostengünstig macht.

Das Prozessprinzip ist aus dem »Electrochemical Machining« (ECM) bekannt und wird hier für die lokale Strukturierung eingesetzt. Mit einem pastösen Elektrolyten wird dabei lokal eine Metallschicht anodisch aufgelöst. Um die elektrochemische Strukturierung auf größeren Flächen zu realisieren, wird auf das Siebdruck- und das Dispensverfahren gesetzt. Diese Druckverfahren dienen zum einen dazu das nötige Medium auf die zu strukturierende Metalloberfläche zu übertragen und zum anderen wird durch den Druckschritt lokal der Stromkreis geschlossen. Das metallische Siebgewebe bzw. die Dispensernadel dienen als Kathode. Die Ätzgeschwindigkeit ist also durch die Wahl der elektrischen Parameter direkt einstellbar und ermöglicht somit eine gute Kontrolle und kurze Prozesszeiten. Für Anwendungen, bei denen eine hohe laterale Leitfähigkeit der erzeugten Metalldesigns benötigt wird (wie bspw. bei IBC Solarzellen), können diese Strukturen zusätzlich galvanisch verstärkt werden.

Hauptaufgaben im Projekt sind:

  • Weiterentwicklung des Prozesses bezüglich Ätzlinienbreite und -tiefe, sowie der elektrischen Kontakttrennung
  • Optimierung des Druckmediums bzgl. Druckbarkeit und elektrisch unterstützter Ätzwirkung
  • Umbau kommerzieller Dispenser- und Siebdruckanlagen für elektrochemisches Ätzen
  • Anwendung der elektrochemischen Strukturierung mittels Dispensen und Siebdrucken auf Solarzellen und Leiterplatten
  • Nachbehandlung und Folgeprozesse zur galvanischen Verstärkung

Im bisherigen Verlauf des Projekts konnten mittels elektrochemischen Siebdrucks bereits Mäanderstrukturen auf einer Fläche von 125 x 125 mm² aus einer 100 nm starken Aluminiumschicht erzeugt werden (Abb. 1). Außerdem war es möglich bei Schichtstapeln nur einzelne Schichten zu strukturieren. Beispielsweise konnte eine 50 nm starke Kupferschicht selektiv von der darunterliegenden 100 nm starken Aluminiumschicht entfernt werden. Eine solche Struktur wurde daraufhin galvanisch mittels Kupfer verstärkt. Der Aluminiumbereich dient in dem Fall aufgrund seiner Selbstpassivierung als Schutz gegen galvanische Abscheidung, wodurch der Aluminiumgraben erhalten bleibt und die dünne Kupferschicht selektiv aufgewachsen werden kann (Abb. 2). Durch einen anschließenden kurzen Ätzschritt kann die Aluminiumschicht im Zwischenbereich selektiv entfernt werden, wodurch die Kupferbereiche zu elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen werden, die für Solarzellen, Leiterplatten und andere elektrische Bauteilen genutzt werden können.