Aerosol jet printing : contactless deposition technique for solar cell metallization

Binder, Sebastian

The two-layer seed and plate approach for solar cell metallization is an established concept in photovoltaic research. This concept allows to improve performance and to reduce manufacturing costs. Aerosol jet printing (AJP) is a very promising technology to produce the seed layer for this concept. In this thesis the feasability of AJP for an industrial application of this concept was proved. The AJP technology was thoroughly investigated and improved. An efficient and reliable deposition of narrow and uniform seed layers on rough wafer surfaces is enabled. A model was developed to improve ink deposition and to predict process parameters and line width. Newly designed print heads were developed and manufactured by support of computational fluid dynamic (CFD) simulations of two-phase flows. The deposited seed layers were optimized for low electric contact resistance to the emitter and best performance of the silicon solar cells, also for lowly doped next generation emitters.

Der Ansatz, zwei Schichten bestehend aus einer Saatschicht und einer Galvanikschicht zur Kontaktierung von Solarzellen zu verwenden ist ein etabliertes Konzept in der Photovoltaikforschung. Die Kombination aus gedruckter und gefeuerter Saatschicht zur optimierten Kontaktbildung der Tinte mit dem Zellemitter und dem anschließenden galvanischen Abscheiden von hochleitfähigen Metallen auf dieser Saatschicht, ermöglicht eine Verbesserung der Solarzellenleistung und Reduzierung des eingesetzten teuren Silbers. Hierfür ist eine schmale Saatschicht erwünscht. Der Aerosoldruck ist eine vielversprechende Technologie, um solch eine Saatschicht herzustellen. In dieser Arbeit wurde die Aerosoldrucktechnik gründlich untersucht und verbessert. Eine effiziente und zuverlässige Abscheidung schmaler und gleichmäßiger Saatschichten ist ermöglicht. Mit Düsendurchmessern von 150 µm wurden auf Wafern mit Pyramidenoberflächen Linienbreiten von nur 18 µm erzeugt. Um diese Drucktechnologie zu beschreiben wurde ein Modell entworfen. Mit diesem Modell kann die Breite der gedruckten Saatschicht vorhergesagt und der Einfluss von Prozessparametern und Druckdüsen unterschiedlicher Größe erklärt werden. Das Auftreffen des Aerosols auf dem Substrat und die Qualität und Breite der gedruckten Linien wurden numerisch und empirisch untersucht. Mit numerischen Strömungssimulationen der Gas- und Partikelströmung wurden neue Aerosoldruckköpfe entwickelt. Um einen schnellen und zuverlässigen Druck der Saatschicht zu erlauben, wurde eine fortschrittliche Strömungsführung integriert. Ein Aerosoldruckkopf mit 78 Düsen, geeignet zur Massenproduktion von Solarzellen, wurde hergestellt und getestet. Auf einem 15.6 x 15.6 cm² großen Wafer wurde die Saatschicht in nur 3.9 s gedruckt. Eine Linienbreite von L = 38 ± 5 µm wurde erzielt. Das Benetzen der Tinte auf Solarwaferoberflächen ist verknüpft mit den Prozessbedingungen und der Topographie der Wafer. Die abgeschiedenen Saatschichten wurden für einen niedrigen elektrischen Kontaktwiderstand zum Emitter optimiert. Dünne Saatschichten schnitten hierbei am besten ab und sind zugleich am kostengünstigsten. Die Menge an gedrucktem Silber zum Kontaktieren industrieller Siliciumsolarzellen beträgt nur weniger als 9 mg pro 15.6 x 15.6 cm² Wafer. Niedrig dotierte Bor- und Phosphoremitter der nächsten Generation sowie neu entwickelte Solarzellendesigns wurden erfolgreich mit dem Aerosoldruckverfahren kontaktiert. Wirkungsgrade von eta > 20 % wurden auf industrienahen Solarzellen erreicht. In dieser Arbeit wurde das Aerosoldruckverfahren verbessert, um den Druck von Saatschichten auch im industriellen Maßstab zu ermöglichen. Mit dieser Technologie ist es nun möglich Solarzellen der nächsten Generation zu kontaktieren.

The two-layer seed and plate approach for silicon solar cell metallization is an established concept in photovoltaic research. The combination of a printed and fired seed layer for optimized contact formation of the ink to the solar cell emitter and plating of highly conductive metals on top of this seed layer, allows to improve solar cell performance and reduce the amount of costly silver. Therefore, a narrow seed layer is desired. Aerosol jet printing is a very promising technology to produce this seed layer. In this work, the aerosol jet printing technique was thoroughly investigated and improved. An efficient and reliable deposition of narrow and uniform seed layers is enabled. With a nozzle orifice of 150 µm lines down to only 18 µm in width on solar wafers with pyramid surface were printed. To describe this printing technique, a model was developed. With this model the line width of the printed seed layer can be predicted and the influence of process parameters and print nozzle dimensions are explained. The impact of the aerosol and the quality and width of the printed lines were investigated numerically and empirically. With computational fluid dynamics simulation of the gas and particle flow, new aerosol jet print heads were developed. To allow for fast and reliable printing of the seed layer, advanced flow guidance was integrated. An aerosol jet print head with 78 nozzles was manufactured and validated, suitable for photovoltaic mass production. On a 15.6 x 15.6 cm² wafer the seed layer was printed in only 3.9 sec. A line width of L = 38 ± 5 µm was achieved. The spreading behavior of ink on solar wafer surfaces is linked to process conditions and to the topography of the wafer. The deposited seed layers were optimized for low electric contact resistance to the emitter. Thin seed layers showed best performance and are at the same time most economical. The amount of printed silver used to contact industrial silicon solar cells only accounts to less than 9 mg per 15.6 x 15.6 cm² wafer. Lowly doped next generation boron and phosphorus emitters as well as newly developed solar cell designs were successfully contacted by aerosol jet printing. Conversions efficiencies of eta > 20 % were achieved on close to industry solar cells. In this thesis aerosol jet printing was improved to enable seed layer printing also on industrial scale. With this technique it is now possible to contact next generation silicon solar cells.

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Binder, Sebastian: Aerosol jet printing. contactless deposition technique for solar cell metallization. Ilmenau 2017. Universitätsverlag Ilmenau.

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