Blick in eine Siebdruckanlage. Bild: Fraunhofer ISE, Dirk Mahler

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Feinlinien-Siebkanals. Bild: Fraunhofer ISE, Koenen GmbH

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Querschnittsfläche eines im Siebdruck realisierten Feinlinien-Kontaktfingers. Bild: Fraunhofer ISE, Koenen GmbH

PV-TEC: Silberverbrauch von Solarzellen um 30 % reduziert

(ISE) Am Photovoltaic Technology Evaluation Center PV-TEC des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg (D) wurde das klassische Siebdruckverfahren zur Feinlinienmetallisierung von Siliciumsolarzellen weiterentwickelt: Durch speziell entwickelte Feinliniensiebe konnte das Projektteam Kontaktfinger mit einer Breite von nur 19 µm und Höhe von 18 µm in einem Druckschritt realisieren. Dadurch verringert sich der Silberverbrauch um bis zu 30 %, was zu signifikant tieferen Produktionskosten führt.


Siliciumsolarzellen führen über metallische Elektroden auf der Vorder- und Rückseite den durch Lichteinstrahlung im Halbleitermaterial erzeugten Strom ab. Auf der Vorderseite der Zelle wird dafür üblicherweise im Flachbett-Siebdruckverfahren ein feines Kontaktgitter aufgedruckt, das zum einen möglichst wenig der aktiven Zellfläche abschatten soll und zum anderen über eine ausreichende Leitfähigkeit für einen geringen Serienwiderstand der Solarzelle verfügen muss. Der hohe technologische Anspruch an den Siebdruckprozess besteht darin, möglichst schmale unterbrechungsfreie Kontaktfinger mit einer ausreichenden Höhe für eine gute laterale Leitfähigkeit zu realisieren. Der Druck feinster Kontaktfinger erfordert den Einsatz hochentwickelter Spezialsiebe und Metallisierungspasten und zugleich eine perfekte Beherrschung des Siebdruckmetallisierungsprozesses.

Reduktion um 30-40 Prozent
»In enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern im Bereich der Feinliniensiebdruckmetallisierung, insbesondere mit den Siebherstellern Koenen GmbH und Murakami Co. Ltd. sowie dem Siebchemiehersteller Kissel + Wolf GmbH ist es uns nun gelungen, die Breite der Kontaktfinger auf unter 20 Mikrometer zu reduzieren – das ist eine Reduktion um 30-40 Prozent gegenüber dem heutigen Industriestandard«, erklärt Dr.- Ing. Andreas Lorenz, Projektleiter in der Gruppe »Drucktechnologie« am Fraunhofer ISE. In zwei unabhängigen Versuchsreihen wurden feinmaschige Siebe zur Metallisierung von PERC (Passivated Emitter and Rear Contact) Solarzellen eingesetzt. Unter Verwendung eines neuartigen feinmaschigen Siebs konnten in einem Druckschritt Kontaktfinger mit einer Breite von nur 19µm und einer Höhe von 18 µm erreicht werden. Dabei sind neben der minimalen Breite der Kontaktfinger auch die ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften ein herausragendes Merkmal. Sie ermöglichen bei der Modulintegration – insbesondere bei neueren Technologien wie der Drahtverschaltung mit 8-15 Busbars – eine deutliche Reduzierung der durch die Kontaktfinger bedingten Leistungsverluste. Die neu entwickelten Siebdruckprozesse ermöglichen eine Silbereinsparung um bis zu 30 Prozent gegenüber dem aktuellen Industriestandard mit einer Kontaktfingerbreite von etwa 30µm.

Im Rahmen der Versuche wurden PERC-Solarzellen unter Verwendung der optimalen Siebparameter des ersten Versuchsteils metallisiert, wobei aufgrund der Limitation im Hinblick auf die zu Verfügung stehende Anzahl an Busbars auf der Solarzelle (hier: 5) eine nominale Fingerbreite von 24µm gewählt wurde. Die beste PERC-Solarzelle dieser Versuchsreihe erzielte einen Wirkungsgrad von h = 22,1 %.

In naher Zukunft industrielle Produktion
»Mithilfe hochentwickelter Sieb- und Pastensysteme für die Feinlinienmetallisierung könnten so in naher Zukunft Solarzellen industriell hergestellt werden, deren Kontaktfinger nahezu unsichtbar sind. Eine grosser Vorteil für Anwendungen im Bereich integrierter Photovoltaik, wo ästhetische, homogene Modulflächen gefragt sind«, so Dr. Florian Clement, Abteilungsleiter »Produktionstechnologie - Strukturierung und Metallisierung« am Fraunhofer ISE.  

Das Verbundprojekt »Finale«, welches die Weiterentwicklung von Feinliniensiebdruckprozessen fokussiert und in dessen Rahmen die Forscher einen Teil dieser Ergebnisse erzielten, wurde vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi gefördert und in Zusammenarbeit mit den Industriepartnern Koenen GmbH, Kissel + Wolf GmbH und Wickon Hightech GmbH durchgeführt. Weitere der hier vorgestellten Ergebnisse im Bereich Feinliniensiebdruck wurden im Rahmen einer Kooperation mit dem Unternehmen Murakami Co. Ltd. am Fraunhofer ISE realisiert.

Text: Fraunhofer ISE

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