Kupfermetallisierung – Langzeitstabil und Industrierelevant (KuLi)

Silber und Blei sind die zwei kritischsten Materialien bei der Herstellung von Siliciumsolarmodulen. Gründe hierfür sind Kosten, Verfügbarkeit und gesundheitliche Bedenklichkeit. Am Fraunhofer ISE wurde ein mehrstufiger Kontaktierungsprozess entwickelt, der diese Materialien ersetzt. Ein erster Ansatz baut auf der momentan vorhandenen Kontaktarchitektur auf und ergänzt diese durch galvanische Metallabscheidung, wodurch der Silberverbrauch bereits drastisch gesenkt wird. Ein weitergehender Ansatz ersetzt sowohl Silber als auch Blei vollständig, die Vorderseitenkontakte werden galvanisch aus Nickel, Kupfer und Zinn aufgebaut. Beide Ansätze wurden zuletzt erfolgreich auf Modulebene demonstriert.

Momentan ist der Siebdruck von Silberpasten die Standardmethode zur Kontaktbildung auf Siliciumsolarzellen. Auch wenn der Silberverbrauch hierbei gesenkt werden konnte, ist Silber immer noch ein wichtiger Kostentreiber bei der Solarzellenherstellung. Wenn der Ersatz von Silber durch besser verfügbares und ca. 100mal günstigeres Kupfer gelingt, reduzieren sich diese Kosten und die Anfälligkeit für Preisschwankungen. Die Leistungsfähigkeit der Kontakte bleibt dabei erhalten oder steigt sogar. Galvanisch abgeschiedenes Kupfer ist kompakt und hochleitfähig.

Am Fraunhofer ISE werden Konzepte zur galvanischen Abscheidung von Nickel und Kupfer auf dünn gedruckten Saatschichten sowie direkt auf Silicium verfolgt. Die Kontakthaftung war dabei eine der größten Herausforderungen. In dieser Hinsicht wurden kürzlich deutliche Fortschritte in Zusammenarbeit mit unseren Partnern erzielt. Diese mündeten im Bau zweier Prototyp-Solarmodule mit den oben genannten Techniken zur Zellmetallisierung. Bei Verwendung von Standard-Lötverfahren wurden die nötigen Haftungskriterien übertroffen.

Das erste Modul beinhaltet Zellen mit galvanischer Abscheidung von Nickel, Kupfer und Silber auf fein siebgedruckte Saatschichten. Dieser Prozess lässt sich leicht in bestehende Linien implementieren. Der Silberverbrauch der Metallisierung wurde dabei durch einen verbesserten Siebdruck-Prozess (15 mg Pastenübertrag, silberarme Paste) von ca. 120 - 150 mg auf ca. 13 mg pro Zelle reduziert.

Im zweiten Modul wurden Zellen mit vollständig silber- und bleifreier Zellmetallisierung verwendet. Nickel wurde direkt auf Silicium abgeschieden und haftfest einlegiert, was durch ein detailliertes Verständnis der Festphasenreaktionen zwischen Nickel und Silicium ermöglicht wurde. Das Ergebnis ist vergleichbar zu Hocheffizienzkontakten von Laborsolarzellen oder integrierten Schaltkreisen, allerdings bei niedrigen Kosten und mit hochdurchsatzfähigen Prozessen. Solche Kontakte sind ein vielversprechender Kandidat für künftige Zellkonzepte, z. B. auf n-Typ Silicium.

Die erzielten Ergebnisse erlauben die Adaption solch kostensparender Prozesse durch Zellhersteller mit relativ geringem Aufwand. Anhand der aufgebauten Expertise kann das Fraunhofer ISE gemeinsam mit seinen Partnern einen solchen Prozess unterstützen.