Die Rolle von Glas für die Kontaktierung von Solarzellen

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1 Die Rolle von Glas für die Kontaktierung von Solarzellen elmug4future Technologiekonferenz Sebastian Binder Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE elmug4future Suhl, 27. Juni

2 Kurzvorstellung Geschäftsfelder am Fraunhofer ISE Energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik Angewandte Optik und funktionale Oberflächen Solarthermie Silicium-Photovoltaik Photovoltaische Module und Systeme Alternative Photovoltaik- Technologien Regenerative Stromversorgung Wasserstofftechnologie 2

3 Agenda Die Rolle von Glas für die Kontaktierung von Solarzellen Motivation Metallisierungstinten Kontaktbildung Untersuchung der Grenzschicht zu Silicium Zusammenfassung

4 Motivation Wo befindet sich Glas in der Solarzelle? Vorderseitenkontakt i.d.r. Silberpasten Rückseitenkontakt i.d.r. Aluminiumpasten 4

5 Motivation Verständnis der Kontaktbildung und der Rolle von Glasadditiven Bildung von Silberkristalliten an der Siliciumoberfläche für Stromtransport evident Grid Busbar Finger 5

6 Metallisierungstinten Hauptbestandteile Kontakttinte für die Vorderseite Silber Glasfritte Foto: M. Hörteis, Bleiglasscheibe im Freiburger Münster zeigt einen Minenarbeiter beim Erzabbau 7

7 Kontaktbildung Prozesskette Antireflexionsschicht Drucken der Saatschicht Emitter Basis Rückseite 8

8 Kontaktbildung Prozesskette Antireflexionsschicht Drucken der Saatschicht Emitter Basis Rückseite Kontaktfeuern 9

9 Kontaktbildung Prozesskette Antireflexionsschicht Drucken der Saatschicht Emitter Basis Rückseite Kontaktfeuern Elektrochemische Verstärkung 10

10 Temperatur Kontaktbildung Feuerprozess Zone 1 Ausbrennphase Zone 2 Sinterphase t = 3-5 s Ätzen der Antireflexionsschicht Glas schmilzt und benetzt Oberfläche Ausbildung des Silicium- Silber-Kontaktes Zone 3 - Abkühlphase Zone Ausbrennen T ~ 500 C Kontaktbildung T max ~ 800 C Abkühlen Zeit 11

11 Kontaktbildung Zone 2 Sinterphase Kontaktbildungsmodell nach Schubert [1] [1] G. Schubert, Dissertation, Universität Konstanz,

12 Kontaktbildung Zone 2 Sinterphase Kontaktbildungsmodell nach Schubert [1] 1 Öffnen der Antireflexionsschicht Glas / Tinte benetzt die Oberfläche Glasfritte oxidiert das Siliciumnitrid ab T ~ 685 C 4 PbO + 2 SiN x 4 Pb + 2 SiO 2 + xn 2 Bildung von zusätzlichem Glas Elementarem Blei SiN x Öffnung der Antireflexionsschicht [1] G. Schubert, Dissertation, Universität Konstanz,

13 Kontaktbildung Zone 2 Sinterphase Ätzen der Siliciumoberfläche Glasfritte oxidiert das Silicium an der Grenzschicht ab T ~ 660 C 2 2 PbO + Si 2 Pb + SiO 2 Bildung von zusätzlichem Glas Elementarem Blei Korrosion der Siliciumoberfläche 14

14 Kontaktbildung Zone 2 Sinterphase Silbertransport Silber löst sich in der flüssigen Bleiphase Silber diffundiert in die Schmelze 3 Silbertransport 15

15 Kontaktbildung Zone 2 Sinterphase Weiteres Ätzen der Siliciumoberfläche Ätzen an der Silicium-Grenzschicht erfolgt in Richtung der (111)-Ebene Ätzgruben haben Form von invertierten Pyramiden 4 <111> Weiteres Ätzen der Siliciumoberfläche 16

16 Kontaktbildung Zone 2 Sinterphase Kontaktbildung Silber scheidet sich in Ätzgruben ab Glasschicht isoliert Silberkristallit Bleipräzipitate finden sich in der Glasphase Stromfluss durch Silberkristallit Tunneln der Elektronen durch Glasschicht Silber rekristallisiert 5 Wie sieht die Grenzschicht wirklich aus? 17

17 Untersuchung der Grenzschicht Kontakt nach galvanischer Verstärkung Elektrochemisch verstärkte Leiterbahn d=18 µm p-base 18

18 Untersuchung der Grenzschicht Glasbedeckte Silberkristallite Silberabtrag mit HNO 3 bis zum Ätzstopp Mit Glas bedeckte Silberkristallite Abdrücke rückgeätzter Silberkristallite Glasschicht 19

19 Untersuchung der Grenzschicht Silberkristallite HF-Ätze Silberkristallite an der Siliciumoberfläche Pilzform der Kristallite erkennbar Ätzgruben / Legierungsgruben Keim Silberkristallite 20

20 Untersuchung der Grenzschicht Abdrücke im Silicium HNO 3 -Ätze Korrosion der Oberfläche sichtbar Ätzgruben / Legierungsgruben entlang der <111>-Orientierung Abdrücke der Ag-Kristallite 21

21 Zusammenfassung Oberfläche wird stark korrodiert Bisheriges Modell zur Kontaktbildung nicht ausreichend Kristallbildung Silber-Blei-Schmelze Ätzgruben als Keim für Kristallwachstum Legierungsgruben Silber-Silicium Kristallite können Glasschicht durchdringen 22

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Sebastian Binder 23