Deposition of Ultrafine Lines using Pattern Transfer Printing for Metallization of Silicon Solar Cells

In dieser Arbeit werden Kontaktstrukturen aus Silberpaste als vorderseitige Elektrode von kristallinen Silizium-Solarzellen hergestellt und untersucht. Ziel ist dabei eine deutliche Reduzierung des Silberverbrauchs unter Erhaltung guter elektrischer Eigenschaften der Solarzelle. Eine vielversprechende Alternative zum Standard-Siebdruckverfahren ist die Pattern Transfer Printing (PTP) Technologie. Die PTP-Technologie verwendet eine Polymer-Folie mit eingeprägten Gräben und Laserbestrahlung, um ultrafeine Linien aus Silberpaste auf eine Substratoberfläche zu deponieren. Schmaler gedruckte Linien können die Produktionskosten aufgrund eines reduzierten Silberverbrauches deutlich senken. ... mehrGleichzeitig können sie den Zellwirkungsgrad erhöhen, indem sie durch eine verringerte Abschattung der Zellvorderseite eine höhere Kurzschlussstromdichte ermöglichen. Eine Herausforderung besteht darin, einen durch höheren Serienwiderstand verursachten Füllfaktorverlust zu vermeiden.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird der PTP-Druckprozess untersucht, mit dem Ziel ein Verständnis für die steuernden Prinzipien des Laserdruckverfahrens zu erlangen und den Prozess im Hinblick auf die Herstellung von schmalen Silberelektroden mit einem hohen Aspektverhältnis zu optimieren. Der Druckvorgang beim PTP-Verfahren lässt sich in zwei Prozesse unterteilen: die Füllung der Gräben und die anschließende Übertragung der Silberpaste auf das Substrat. Es sind zwei Rakeln erforderlich, um die Silberpaste in die Gräben zu füllen und Reste der Silberpaste von der Oberfläche der Folie zu entfernen. Ein größerer Winkel zwischen dem zweiten Rakel und der Folienoberfläche vermeidet, dass die Paste in Teilen wieder aus den Gräben entfernt wird und führt somit zu Elektroden mit einer gleichmäßigeren Höhe.
Die Laserleistung ist der bestimmende Parameter zur Regulierung des PTP-Übertragungsprozesses. Es wird eine starke Abhängigkeit des Aspektverhältnisses von Elektroden und der Menge ungewünschter Silber-Ablagerungen außerhalb der Linie von der Laserleistung festgestellt. Höhere Laserleistungen verändern die Linienform hin zu breiten Linien mit einem geringeren Aspektverhältnis und führen zu vermehrten Ablagerungen von Pastenspritzern um die Silberlinien herum. Daher ist eine genaue Optimierung der Laserleistung erforderlich, sodass schmale Elektroden mit hohem Aspektverhältnis und geringen Silber-Ablagerungen hergestellt werden. Es werden drei mögliche Szenarien hinsichtlich der Laserleistung betrachtet: keine Übertragung, optimale Übertragung und explosive Übertragung bei zu hoher Leistung.
Des Weiteren werden Materialeigenschaften untersucht, die für den PTP Lasertransferprozess eine große Rolle spielen, nämlich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Silberpasten und der Folienmaterialien. Eine Erhöhung der Fließgrenze der Silberpaste minimiert die Linienverbreitung während des Übertragungsprozesses, was zu einer geringeren Linienbreite und einem höheren Aspektverhältnis führt. Die Verbreitung der Linien wird verursacht durch eine Verringerung der Fließgrenze aufgrund einer lokalen Erwärmung der Silberpaste und durch den Druck, der beim Verdampfen flüchtiger Pastenbestandteile entsteht. Eine geringere Laserleistung kann bei Silberpasten verwendet werden, die Lösungsmittel mit einer niedrigeren Siedetemperatur enthalten, und bei Pasten, welche die Polymerfolie schlecht benetzen. Für ein anderes, dünneres Folienmaterial wurde eine geringere Lichtdurchlässigkeit festgestellt. Trotzdem erfordert dieses Folienmaterial eine niedrigere Laserleistung, was auf eine geringere Benetzung des Folienmaterials durch die Silberpaste und eine bessere Ausrichtung hinsichtlich der Fokusebene der Laser zurückzuführen ist.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Evaluierung der PTP-Technologie für die Metallisierung der Vorderseiten von Solarzellen im Vergleich zur etablierten Siebdrucktechnologie als Referenz. Die Auswirkung von verschiedenen Grabengeometrien auf Linienform, Silberverbrauch und Menge der Ablagerung wird analysiert. Dafür werden auch die elektrischen Parameter entsprechender Solarzellen mit Referenzen verglichen, die mit Siebdruck hergestellt werden. Jede Grabengeometrie erfordert eine unterschiedliche Laserleistung. Es wird gezeigt, dass die erforderliche Laserleistung mit dem Verhältnis aus dem Umfang und der horizontalen Breite des Grabens korreliert. Mit der PTP-Technologie können schmalere Fingerlinien hergestellt werden, als mit dem Siebdruck als Referenz-Technologie. Die erzielten Fingerbreiten variieren zwischen 18 und 22 µm, abhängig von der verwendeten Grabengeometrie. Dies führt bei allen PTP-Gruppen zu einem deutlichen Gewinn des Kurzschlussstromes Jsc und zu einer geringen Steigerung der offenen Klemmenspannung Voc. Allerdings führen die schmaleren Silberfinger des PTP-Druckers wegen eines höheren Serienwiderstands zu einem moderaten Füllfaktor (FF)-Verlust.
In dieser Arbeit wird gezeigt, dass mit der PTP-Technologie eine Reduzierung der Silbermenge von 54 % im Vergleich zur mit Siebdruck hergestellten Referenz erreicht werden kann (bei einer durchschnittlichen Elektrodenbreite von 22 µm und einer durchschnittlichen Querschnittsfläche von nur 220 µm²). Zudem konnte für die besten mittels PTP gedruckten Zellen der Energiewandlungswirkungsgrad um 0,12 %abs gegenüber der Referenz verbessert werden. Die schmalsten mit der PTP-Technologie hergestellten Finger haben eine Linienbreite von 18 µm bei einem Aspektverhältnis von 0,51, was sogar eine Reduzierung des Silbereinsatzes um 74 % ermöglicht. Allerdings sind bei dieser PTP-Gruppe eine weitere Pastenmodifikation und eine Optimierung des Layouts zur Verbesserung des Serienwiderstands erforderlich, um den erheblichen FF-Verlust zu verringern.
Eine Untersuchung des Schichtwiderstands des Emitters für kristalline Silizium-Solarzellen zeigt, dass schmalere Silberlinien helfen können, Widerstandverluste durch verringerte Querleitung im Emitter ohne zusätzlicher Abschattung aufgrund der höheren Fingeranzahl zu reduzieren. Eine Anpassung der Silberpastenformulierung ist für beide Technologien jedoch erforderlich, um zusätzliche Kontaktwiderstandsverluste bei verringerter Fingerbreite zu vermeiden.
Diese Arbeit liefert Richtlinien für das Design von Pasten- und Filmmaterialien, die auf schmalere Silber-Elektroden mittels PTP-Technologie abzielen. Die Bewertung der PTP-Technologie für photovoltaische Anwendungen in dieser Arbeit zeigt, dass die mittels PTP gedruckten ultrafeinen Silber-Elektroden für die Vorderseitenmetallisierung von Silizium-Solarzellen geeignet sind, was den Silberverbrauch erheblich reduziert und gleichzeitig den Zellwirkungsgrad im Vergleich zur industriellen Siebdrucktechnologie erhöht.

This thesis deals with the fabrication of silver electrodes for the front metallization of crystalline silicon solar cells. It explores metallization methods to reduce silver consumption while preserving the electrical characteristics necessary for an efficient solar cell. One of the alternatives to standard screen-printing technology is Pattern Transfer Printing (PTP). PTP technology utilizes laser irradiance to transfer silver paste from trenches on the surface of polymer films onto a target substrate (e.g. silicon wafer), producing ultrafine silver finger electrodes with a high aspect ratio. ... mehrThe use of narrower silver finger electrodes could decrease the production cost enormously due to less silver consumption. At the same time, this could also improve the cell efficiency by increasing the short-circuit current density due to less shading at the cell front side. A challenge is to limit the fill factor loss caused by a potentially higher series resistance.
The first part of this thesis focuses on the PTP process in order to gain an understanding of the governing principles of the laser-based printing process and to optimize it towards the fabrication of narrower silver finger electrodes with a high aspect ratio. The printing sequence of PTP is divided into two steps: filling and transfer. For the filling step, two squeegee blades are required to fill silver paste into trenches and at the same time remove the residue of silver paste from the polymer film. In this work, a higher angle for the second squeegee blade toward the film surface is demonstrated to minimize the paste scooping inside the trenches, producing better electrode lines with more homogeneous height. The laser power is the key parameter for the transfer process of PTP technology. A strong dependence of line aspect ratio and amount of debris on the laser power is observed. Higher laser power is found to accelerate the shape deformations towards broader lines with a lower aspect ratio and to increase the amount of debris around silver lines. Therefore, an accurate optimization of laser power before the laser transfer process is essential for fabricating narrower electrodes with a high aspect ratio and low debris. Three possible scenarios related to the laser power during the laser transfer process of PTP are described: no transfer, optimum transfer and explosive transfer.
Two key aspects that control the PTP laser transfer process from a material point of view are investigated, namely the physico-chemical properties of silver pastes and film materials. An increase in paste yield stress minimizes the line spreading during the contactless laser transfer process, resulting in narrower line width and higher aspect ratio. The line spreading of PTP is caused by a decrease in yield stress after the laser transfer process as a result of local paste heating and by the pressure created from the vaporization of volatile paste components. A low laser power threshold can be achieved using silver pastes with a lower boiling temperature of volatile components and poor wetting between silver paste and polymer film. The thinnest film material has the lowest light transmission. However, this film material requires the lowest laser power threshold due to a weaker adhesion of silver paste to film material and a better alignment with the laser focal plane.
The second section of this thesis evaluates PTP technology for the front metallization of solar cells compared with state-of-the-art screen-printing technology. The print quality of PTP technology utilizing four different trench geometries on the polymer surface is analyzed, including line shapes, silver consumption and amount of debris. Furthermore, the electrical properties of PTP-metallized solar cells are compared to the screen-printing references. Each trench geometry requires a specific laser power, which is proportional to the ratio between the circumference and the horizontal interface of the trenches. Finger electrodes printed with PTP technology are narrower than the fingers fabricated with the screen-printing references, varying between 18 µm and 22 µm depending on the trench geometry used. These smaller silver finger lines result in a significant improvement in Jsc and a smaller gain in Voc for all PTP groups than the screen-printing references. However, narrower electrode lines of PTP contribute also to a moderate FF loss due to higher series resistance. Since this loss in FF is smaller than the gains in Jsc and Voc, an efficiency gain using PTP technology is possible.
It is demonstrated in this thesis that, using PTP technology, the average silver consumption is reduced by 54% and at the same time the cell efficiency is improved by 0.12%abs for the champion cell of PTP-printed cells (average electrode width of 22 µm and cross-sectional area as small as 220 µm²) compared with the screen-printing references. The smallest finger obtained by PTP technology has an electrode width of 18 µm with an aspect ratio of 0.51, enabling silver reduction by 74%. However, a further paste modification and front grid optimization would be needed to reduce the significant FF loss that still presents for the PTP group with 18 µm finger.
An investigation of emitter sheet resistance for crystalline silicon solar cells highlights the importance of narrower silver lines for the high sheet emitter resistance to minimize the current transport losses without additional shading caused by higher finger count. However, silver paste adjustment is mandatory for both technologies, ensuring a good contact formation to avoid additional losses with reduced finger width. Due to the fact that the number of busbars is increasing in modern PV technology, the reduction of FF by the narrower PTP fingers will be reduced more and more.
This thesis provides guidelines for paste and film material design aiming at narrower silver electrode lines using PTP technology. The assessment of PTP technology for photovoltaic application in this thesis shows that the ultrafine silver electrode fingers deposited by PTP are suitable for the front metallization of silicon solar cells, which reduces silver consumption substantially while simultaneously increasing cell efficiency in comparison to industrial state-of-the-art screen-printing technology.