Thick Film Metallisation of Crystalline Silicon Solar Cells : Mechanisms, Models and Applications

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Datum
2006
Autor:innen
Schubert, Gunnar
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Dickfilmmetallisierung von kristallinen Siliziumsolarzellen,Mechanismen, Modelle und Anwendungen
Forschungsvorhaben
Organisationseinheiten
Zeitschriftenheft
Publikationstyp
Dissertation
Publikationsstatus
Published
Erschienen in
Zusammenfassung

Die vorherrschende Technologie zur Kontaktierung von Silizium-Solarzellen in der Photovoltaikindustrie ist die Dickfilmmetallisierung. Die Vorteile dieser kostengünstigen Technologie liegen im hohen Durchsatz, der geringen Zahl an Prozessschritten und der Möglichkeit, von dem Erfahrungsschatz der Mikroelektronik zu profitieren. Ein Weg zur weiteren Reduktion der Kosten pro Wattpeak ist die Steigerung des Wirkungsgrades von Industriesolarzellen. Die Hauptverluste einer solchen Solarzelle sind zum einen materialinduziert, zum anderen eng mit der Dickfilmmetallisierung verknüpft.
In dieser Doktorarbeit wird deshalb die Dickfilmmetallisierung von kristallinen Silizium-Solarzellen grundlegend untersucht. Konkurrierende Prozesse während der Kontaktbildung werden getrennt voneinander analysiert. Aus den daraus gewonnenen Erkenntnissen werden Modelle für die Kontaktbildung und die elektrische Leitung in einem Dickfilmkontakt erstellt. Diese Modelle werden angewendet, um eine Prozesssequenz zu entwickeln, die es ermöglicht, moderat dotierte Emitter (ND, Oberfläche = 4×10^19 cm^-3) mit einer Standard-Silber-Dickfilmpaste zu kontaktieren. Des Weiteren werden blei- und cadmiumfreie Silber- und Aluminium-Dickfilmpasten zur Metallisierung von Solarzellen entwickelt. Optimierte Pasten, die innerhalb des europäischen Forschungsprojekts EC2Contact entwickelt wurden, führen zur Herstellung von Industriesolarzellen, die den Wirkungsgrad bleihaltiger Referenzpasten erreichen. Dies ist der bisher höchste publizierte Wirkungsgrad, der mit bleifreien Dickfilmpasten erzielt wurde. Die entwickelten Pasten werden derzeit vom Projektpartner Metalor in den Markt eingeführt.
Diese Arbeit ist in drei Teile unterteilt. Der erste Teil handelt von der Industriesolarzelle im Allgemeinen. In Kapitel 1 wird dieser Typ Solarzelle und sein Herstellungsprozess vorgestellt. Im 2. Kapitel werden die Hauptverlustmechanismen in typischen Industriesolarzellen identifiziert und untersucht. Typische Charakterisierungsmethoden, die in dieser Arbeit benutzt werden, werden eingeführt und angewendet. Abschließend wird der Einfluss des Kontaktfeuerungsprozesses auf die Solarzellenleistung untersucht.
Die Untersuchungen des Silberdickfilmkontaktes auf Solarzellen werden im zweiten Teil vorgestellt. In Kapitel 3 wird die Entwicklung des Linienwiderstands aufgrund von Sintern der Silberpartikel im schnellen Feuerprozess mit Hilfe einer neu entwickelten Messmethode, der in-situ Linienwiderstandsmessung, untersucht. Die Mikrostruktur des Kontaktinterfaces von Silberdickfilmkontakten zu Silizium wird mit elektronenmikroskopischen Aufnahmen und Röntgenstrahlanalysen in Kapitel 4 untersucht. Die elektrische Kontaktbildung ist Inhalt des Kapitels 5. Der Fokus liegt hier auf der Rolle des Bleioxids, welches in der Glasfritte enthalten ist. Die Glasfritte ist Teil einer typischen Dickfilmpaste. Sowohl der Einfluss der Oberflächenkonzentration des Phosphors als auch der Oberflächentextur des Siliziums wird studiert. Aus den Erkenntnissen wird ein Modell der Kontaktbildung aufgestellt. In Kapitel 6 werden die elektrischen Eigenschaften des eingebrannten Silber-Dickfilmkontakts untersucht. Mit Hilfe von grundlegenden Metall-Halbleiter Gleichungen werden die Eigenschaften des Silberdickfilmkontakts simuliert und die Ergebnisse mit experimentellen Daten verglichen. Die Kinetik der elektrischen Kontaktbildung wird mit Hilfe der neu entwickelten In-Situ Kontaktwiderstandsmessung studiert. Des Weiteren wird der hilfreiche Effekt eines Forming Gas Anneals auf den Kontaktwiderstand des Silberdickfilmkontakts zum Silizium untersucht. Die Ergebnisse werden zur erfolgreichen Herstellung einer Solarzelle mit einem moderat dotierten Emitter mit einem Serienwiderstand von 0.7 Ohmcm^2 führen.
Im dritten Teil wird die Entwicklung von bleifreien Dickfilmpasten zusammengefasst. Das in Kapitel 5 entwickelte Modell der Silberdickfilmkontaktbildung wird in Kapitel 7 angewendet, um geeignete Alternativen zum Bleioxid zu finden. Schließlich werden diese Untersuchungen zur erfolgreichen Entwicklung einer blei- und cadmiumfreien Silberpaste führen. In Kapitel 8 werden die Untersuchungen und Experimente zur Entwicklung einer blei- und cadmiumfreien Aluminiumpaste vorgestellt.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Thick film metallisation is the predominant technology in photovoltaic industry for contacting solar cells. The advantages of this technology are the high throughput rate, the limited number of process steps, and the possibility to benefit from the experience in the microelectronic so that this technology is very cost-effective. One way for further reduction of the production costs per watt peak is to increase the efficiency of industrial solar cells. Beside material induced losses, the major loss mechanisms are related to the thick film metallisation.
This thesis deals with the fundamental understanding of thick film contacts to crystalline silicon solar cells. The approach of this work is to separate competing processes and to develop models for contact formation and electrical conduction. These models are applied to develop a process sequence that allows contacting of moderately doped phosphorous emitters (ND,surf. = 4×10^19 cm^-3) with standard silver thick film pastes. Furthermore, lead and cadmium free silver and aluminium thick film pastes for the metallisation of solar cells are developed. Optimised pastes, developed within the EU research project EC2Contact and based on the fundamental studies, lead to the fabrication of solar cells with the highest efficiency for lead free metallisation pastes published so far (17%, Cz silicon), comparable to result obtained with optimised lead containing reference pastes. The pastes are commercialised by the project partner Metalor.
The thesis is divided into three parts. Part I deals with the industrial solar cell in general. In chapter 1 this type of solar cell and its fabrication process is introduced. The main process steps will be presented and discussed. An overview of thick film deposition technologies and basic concepts is given. In chapter 2 the major loss mechanisms in typical industrial solar cells are identified and investigated. Typical characterisation methods, used throughout this work, are introduced and applied. Finally, the impact of the contact firing process on the cell performance will be investigated.
Part II deals with the investigation of the silver thick film metallisation applied to solar cells. In chapter 3 the formation of low line resistances due to silver particle sintering in fast firing processes will be investigated. A new developed measurement method, the in-situ line resistance measurement, will be introduced. This measurement tool will be useful to study the kinetics of sintering processes in fast contact firing sequences. The microstructure of the contact interface of silver thick film contacts to silicon will be investigated by scanning electron microscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy in chapter 4. The electrical contact formation of silver thick films on phosphorous doped silicon is topic of chapter 5. Suitable test structures will be prepared and investigated to separate the processes occurring during contact firing. The focus is thereby on the role of lead oxide contained in the glass frit commonly used in silver thick film pastes. The impact of the phosphorous surface concentration as well as the surface texture on the contact formation will be studied. The results of these investigations will lead to a model of contact formation.
In chapter 6 the electrical properties of the formed silver thick film contact will be examined. After a review of existing hypotheses the basic metal semiconductor fundamentals are used to simulate the properties of a silver - silicon thick film contact. These results will be compared to experimental measurements. The kinetics of the electrical contact formation are studied using the new developed in-situ contact resistance measurement. To get a deeper insight in the current transport mechanisms in the silver thick film contact, the beneficial effect of a forming gas anneal on the contact resistivity of silver thick film contacts to silicon is investigated. The results of these investigations will lead to the successful fabrication of a solar cell with a moderately doped emitter with a series resistance of 0.7 Ohmcm^2.
Part III summarises the development of lead free thick film pastes. After a brief introduction in glass theory, fabrication, and characterisation in chapter 7 the model of silver thick film contact formation developed in chapter 5 will be applied to the development of lead free silver thick film pastes. The model will be used to predict suitable substitutes for lead. Experimentally, the properties of the lead free glass frits are tested. These investigations will lead to the development of a successful lead free silver thick film paste. In chapter 8 experiments on lead free, glass frit containing aluminium pastes on thin multicrystalline silicon substrates are presented. The experiments will be the basis for the development of a successful aluminium thick film paste.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Dickfilm, Metallisierung, Pasten, Siebdruck, Silicon, Solar Cell, Thick Film, Metal-Semiconductor Contact, Photovoltaics
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690SCHUBERT, Gunnar, 2006. Thick Film Metallisation of Crystalline Silicon Solar Cells : Mechanisms, Models and Applications [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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August 9, 2006
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