Authors:	Gautrein, Aline
Title:	Low temperature metallization for silicon solar cells
Online publication date:	17-May-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	Die vorliegende Arbeit untersucht die Eignung neuer Metallisierungstechnologien zur Kontaktierung neuer Solarzellgenerationen sowie von standartisierten industriellen Siliziumsolarzellen. Das Besondere der neuen Technologien sind ihre Prozesstemperaturen: Alle hier vorgestellten Metallisierungsverfahren werden bei niedrigen bis mittleren Temperaturen prozessiert. Auf diese Weise, werden neue Arten der Metallisierung für temperaturempfindliche Solarzellenkonzepte verfügbar und die Produktionskosten für Standardsolarzellen gesenkt. Die Arbeit wurde durch neue Metallisierungsansätze für druckbare und flexible Elektronik inspiriert. Die Arbeit befasst sich mit neuen Metallisiserungsverfahren für weiterentwickelte temperaturempfindliche Solarzellenkonzepte als auch für etablierte Siliziumsolarzellen. Für neue Solarzellenkonzepte wird die Eignung von Metallisierungsverfahren auf Basis von Silbernanopartikeln evaluiert. Die Grundlagen für das Verständnis des Einflusses zugesetzter und notwendiger Organik in Tinten- und Pastenformulierungen auf das Sinterverhalten von Silbernanopartikeln wird detailiert untersucht. Darüber hinaus wird ein neues Sinterverfahren, das so genannte "chemische Sintern" angewandt und weiterentwickelt, um den Anforderungen an die Metallisierung von Solarzellen gerecht zu werden. Im Ergebnis können sehr niedrige Werte für die laterale Leitfähigekeit als auch für den Kontaktwiderstand erreicht werden, die mit vergleichbaren Niedertemperaturmetallisierungsverfahren außer mit thermischen Verdampfen oder Sputtern von Metallen bisher nicht erreicht werden konnten. Ein grundlegendes Verständnis für die normalerweise verwendete Substratoberfläche der angewandten Solarzellenkonzepte, ITO, wird entwickelt, um angepasste Zusammensetzungen der Metallisierungstinten formulieren zu können. Um die Vorteile des weiterentwickelten Metalisierungsansatzes "seed and plate" nutzen zu können, wird gezeigt, dass das selektive elektrochemische Abscheiden von Metall auf Metallsaatschichten auf ITO möglich ist, ohne dass die leitfähige ITO-Oberfläche geschützt werden muss. Für Siliziumsolarzellen wird eine neue Metallisierungstinte, die am Fraunhofer ISE entwickelt wurde, getestet. Die Tinte ist blei- und partikelfrei. Die Tinte enthält im Vergleich zu den sonst üblicherweise verwendeten Metallisierungspasten sehr wenig Silber und ist in der Lage den Emitter der Solarzelle durch die Antireflexionsschicht bei Temperaturen zu kontaktieren, die weit unter den üblichen Feuertemperaturen für Vollaufbaumetallisierungspasten liegen. Auf Grundlage des derzeitig gültigen Kontaktbildungsmodell für Vollaufbaumetallisierungspasten wird ein neues Kontakbildungsmodell, welches auf die hier vorgestellte Tinte angewandt werden kann, vorgeschlagen. Es wird gezeigt, dass die in dieser Arbeit vorgestellten neuen Metallisierungsansätze zusammen mit der weiterentwickelten Metallisierungstechnology "seed-and-plate", die sich noch sowohl in der Entwicklung als auch in Anwendung in ersten industriellen Pilotlinien befindet, angewandt werden kann. The present work studies the suitability of new metallization technologies for contacting advanced and standard industrial silicon solar cells. The technologies are special in terms of process temperatures: all metallization concepts presented here are processed at low to medium temperatures betwenn 200°C and 500°C. Thus, new metallization routes for temperature sensitive cell concepts are accessible and production costs for standard cell production can be reduced. The work was inspired by metallization approaches developed for printed flexible electronics. The work addresses new metallization concepts for advanced temperature sensitive solar cell developments as well as for established standard silicon solar cells. For the advanced solar cell designs the potential of metallization approaches based on silver nanoparticles is evaluated. A basic understanding of the influences of organics included and necessary for ink and paste formulations on the sintering behavior of silver nanoparticles will be analyzed in detail. In addition, a new sintering process, chemical sintering, is used and further developed to meet the demands for metallization of solar cells. As a result, very low lateral and contact resistance values are measured, which could not be demonstrated for other comparable low temperature metallization techniques with exception of the laborious process of evaporated and sputter metals. A basic understanding of the standard substrate surface of the addressed solar cell approaches, ITO, is developed, in order to make proper formulation of metallization inks possible. It is demonstrated that selective plating on a metallic seed-layer on ITO is possible,without protection of the conductive ITO surface. For standard industrial solar cells a new metallization ink, firstly formulated at Fraunhofer ISE, is evaluated. The ink is free of lead and free of particles. Compared to a thick film metallization paste, which is typically used, the ink contains a very low amount of silver and is able to contact the emitter through the anti-reflection coating at temperatures far below the firing temperature of standard thick film metallization pastes. On the basis of the current contact formation model, which has been developed for thick film metallization pastes, a new model for the contact formation by this ink is proposed. It is demonstrated that the novel metallization approaches discussed in this work, can be combined with the advanced metallization technology "seed-and-plate" which is currently under development and in first test phases in industry.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2500
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000004895
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	338 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen