Links: De 'vingers' en contactstroken van een zonnecel, opgebracht als een zeefdruk. Door invallend licht veroorzaakte ladingsdragers vloeien via de vingers naar de contactstroken. Daarop gesoldeerde verbindingen zorgen voor de serieschakeling van cellen in een module.
Een gangbare zeefdruk produceert vingers met een breedte van circa 135 µm en een elektrische weerstand rond de 180 mΩ/cm. De beste, maar onbetaalbare technieken scoren 20 µm en 1 Ω/cm.

"Metallisatie, dat was klaar, zo werd gedacht. Voldoende begrepen, voorspelbaar, niet meer te verbeteren. Maar nu krijgt dat proces weer veel aandacht," vertelt Jaap Hoornstra van ECN Zonne-energie. "Want juist daar valt nog een grote winst te boeken."

De meest gangbare zonnecellen bestaan uit silicium. Chemische behandelingen zorgen voor een verdeling in twee lagen; meestal een n-laag als emitter op een basis met een p-karakter. Zo ontstaat een diode met de achterzijde van de cel als pluskant en min aan de voorzijde. Metallisatie moet zorgen voor goed geleidende contacten tussen de cellen binnen een module (zonnepaneel) en de aangesloten stroomverbruikers.
Waar geld geen rol speelt ─ zoals in de ruimtevaart ─ worden al heel lang uitstekende resultaten bereikt. Gaat het echter om een alternatief voor gas- en kolengestookte centrales, dan zijn alle bestaande oplossingen te duur. Want de opbrengst is onvermijdelijk heel gering; denk voor een moderne zonnecel van 156 bij 156 mm aan 2,6 kilowattuur per jaar, in Nederland. De industriële samenleving is gewend aan een kWh die ruimschoots minder dan een dubbeltje kost, zodat de cel bij een levensduur van 25 jaar in totaal slechts enkele euro's kan verdienen.

Zilver en glas
Het gevolg is een zware nadruk op de ontwikkeling van snellere en goedkopere productieprocessen zoals de zeefdruk van metalen contacten.  Het gewenste patroon wordt overgebracht via een lichtgevoelige emulsie op fijn gaas; de zeef. Een drukmachine perst vervolgens een pasta van zilverdeeltjes en glasfrit door de openingen in de emulsie en het gaas op de zonnecel. Tot slot wordt de cel verhit om het glas te smelten en het zilver te sinteren, met een stevig op het silicium gesinterd patroon van zilverbanen als eindresultaat. Circa 85 procent van de huidige productielijnen maakt gebruik van dit proces.
Zeefdrukken is goedkoop, maar vermindert het rendement van de cel met 3,5 tot 4 procent in vergelijking met de beste (en te dure) methodes. Het ECN-onderzoek richt zich op mogelijkheden om dat verschil goed te maken, zonder het prijsvoordeel in te leveren. Een eerste aangrijpingspunt is de resolutie van het drukwerk.

Aspect ratio
In het ideale geval is het totale oppervlak van een zonnecel beschikbaar om licht te vangen. Zilverbanen op de voorzijde moeten daarom heel smal zijn, en toch een lage elektrische weerstand hebben. "Industriële zeefdruk vraagt om snel printen, met als nadeel dat de pasta nogal makkelijk moet vloeien," vertelt Hoornstra. "Anders zit het gaas te veel in de weg." Daardoor zakken de zilverbanen uit zodra de zeef wordt losgetrokken. In doorsnee gezien krijgen ze de vorm van een platte druppel.
Voor de elektrische weerstand maakt het geen verschil of een zilverbaan breed en plat is, of smal en hoog. Maar brede banen bedekken een groter deel van het oppervlak. Samen met zonnecelproducent Solland ging Hoornstra onder andere op zoek naar een betere druktechniek. "Een metalen stencil in plaats van een emulsie op gaas. Daarmee kunnen we de breedte bijna halveren, terwijl de elektrische weerstand zelfs nog wat lager wordt."
De aspect ratio (hoogte:breedte) van een gestencilde zilverbaan werd in recente proeven met stuggere pasta's opgevoerd tot 0,37, terwijl een standaard zeefdruk niet verder komt dan 0,13. Het rendement van de cel steeg daardoor van 16,2 naar 16,6 procent.

De grafiek boven toont het resultaat van een normale zeefdruk (zwart) in vergelijking met de aanzienlijk hogere en smallere zilverbaan die een stencil kan leveren, mits een optimale pasta wordt gebruikt.
De foto eronder laat zien dat een zeef (links) de pasta veel meer in de weg zit dan een stencil.

SunLab
De rest van het verlies aan rendement ontstaat vooral door de wisselwerking tussen de emitter, de pasta en het smeltproces. Een relatief dikke emitter blijkt nodig om goed contact mogelijk te maken zonder dat het mengsel van zilver en  glas erdoorheen smelt. Maar dat vraagt om een lage concentratie van de stof (fosfor) die de emitter zijn n-karakter geeft. Anders neemt het rendement af, onder andere doordat de zonnecel minder gevoelig wordt voor licht aan de blauwe, energierijke kant van het spectrum. Maar goed elektrisch contact tussen de emitter en een gedrukte zilverbaan vereist juist een hoge fosforconcentratie.
Hoornstra: "Het komt erop neer dat een goede emitter en goed contact elkaar in de weg zitten. Daar is zeker iets aan te doen; met andere samenstellingen van de pasta werd in de afgelopen jaren al veel bereikt. Een betere controle van de temperatuur en de snelheid van het smelt- en sinterproces biedt ook nog heel wat mogelijkheden. Zelf ontwikkelen we processen met verbeterde emitters (in een project met Tempress BV), en ook de meetinstrumenten waarmee we het resultaat kunnen beoordelen. Via ECN-dochter SunLab BV worden die instrumenten ook verkocht aan de industrie."
Verder blijkt een zeefdruk in twee gangen heel nuttig. Een eerste gang met pasta die vooral een goed contact maakt, erbovenop een tweede laag voor goede geleiding. De zilverbanen krijgen daardoor ook een grotere aspect ratio. "En de tweede drukmachine kost zo weinig, dat de totale kosten nauwelijks toenemen. Daarmee zit de zeefdruk het stencil voorlopig weer heel dicht op de hielen."

Synergie
In de nabije toekomst verwacht Hoornstra dat de winst vooral uit de geïntegreerde ontwikkeling van processen voor metallisatie en andere bewerkingen van het silicium gaat rollen, en uit zonnecellen die in samenhang met modules worden ontworpen.
"Het doormetalliseren van de emittercontacten naar de achterzijde van de cel was een grote doorbraak," vertelt hij. "Daardoor konden we het oppervlak van de zilverbanen aan de voorkant verkleinen, en werden bovendien de soldeerverbindingen tussen de cellen binnen een module overbodig. In plaats daarvan kunnen ze nu eenvoudig op een patroon van elektrisch geleidende lijm worden gelegd. Dat gaat veel sneller en goedkoper. In zulke dingen zijn we echt wel goed; ECN was in zijn soort het eerste instituut met een eigen modulegroep."

Contact
Jaap Hoornstra
ECN Zonne-energie
Tel.: 022 456 4697
E-mail: Jaap Hoornstra 

Tekst: Steven Bolt

Informatie
Stencil print applications and progress for crystalline silicon solar cells
Website of 2nd Workshop on Metallization for Crystalline Silicon Solar Cells
SunLab, meetinstrumenten voor zonneceltechnologie

Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/