W pierwszej części artykułu pt. Czy miedź zastąpi srebro przy produkcji przedniej elektrody ogniwa PV? omówiono najważniejsze zalety tego metalu jako kandydata do zastąpienia srebra w produkcji ogniw fotowoltaicznych. Wyjaśniono także, że największym problemem jest dyfuzja tego metalu do krzemu. Proces, który prowadzi do degradacji parametrów elektrycznych ogniwa PV.
Aby móc zastosować miedź na powierzchni ogniwa potrzebna jest bariera, która taką dyfuzję zablokuje. Tym samym, na chwilę obecną, nie jest możliwe wytworzenie elektrod metalowych na bazie miedzi w dokładnie taki sam sposób, jak się to robi z użyciem srebra. Można jednak połączyć te dwa metale i wykonać elektrodę, w której bezpośredni kontakt z krzemem będzie miało srebro a miedź będzie stanowić dodatkowy element elektrody odpowiedzialny za poprawę jej parametrów elektrycznych. Najbardziej rozpowszechnionym podejściem jest podzielenie procesu wytwarzania elektrody na dwa etapy. W pierwszym formowana jest warstwa elektrody, której zadaniem jest wytworzenie kontaktu metal-półprzewodnik. W drugim etapie na tak powstałą elektrodę nanoszona jest miedź. Pierwszą elektrodę - ze względu na to jaką odgrywa rolę w procesie formowania kompletnej elektrody – określa się jako warstwę zarodkową (początkową) (ang. seed layer). Zaawansowane techniki wykorzystywane do formowania warstwy początkowej to między innymi: ink jet printing [1, 2] aero jet printing [3, 4], osadzanie metali przez oddziaływanie energią wiązki laserowej [5, 6]. Szczególnym przypadkiem sposobu wykonania warstwy zarodkowej elektrody może być sitodruk.
Aby dobrze zobrazować takie podejście na rysunku 1 pokazano schematycznie trzy przekroje poprzeczne pojedynczej ścieżki elektrody przedniej ogniwa fotowoltaicznego wykonanej na trzy sposoby. Pierwszy to ścieżka nadrukowana z użyciem pasty na bazie srebra. Drugi to elektroda która składa się ze ścieżki wydrukowanej pastą na bazie srebra i osadzonej na niej miedzi. Trzecia to elektroda w której miedź osadzono na specjalnej ścieżce zarodkowej wykonanej ze srebra ale techniką inną niż sitodruk.
I II III
Rys. 1. Schemat przekroju poprzecznego ścieżki wykonanej według trzech koncepcji. I – sitodruk pasty srebrnej, II – sitodruk pasty srebrnej + osadzanie miedzi, I
II wytwarzanie warstwy zarodkowej + osadzanie miedzi [7]
Badania nad takim dwuetapowym wytwarzaniem elektrod ogniwa prowadzi się już od wielu lat. Pierwsze prace, które pokazały jakie są możliwości takiej metody opublikowano już w latach 2005 do 2007. Badania koncentrowały się na modyfikacjach technik wytwarzania warstwy zarodkowej, takich jak inkjet printing, [1,2] oraz techniki laserowej [5,6]. Na tak wykonanej warstwie zarodkowej miedź osadzana jest metodami elektrochemicznymi [8]. Wyniki badań wielu ośrodków pokazują jasno, że miedź jako alternatywa dla srebra na materiał do wykonania elektrody jest szczególnie interesująca. Natomiast kwerenda technologii stosowanych w przemyśle pokazała, że nadal nie zastosowano do wytwarzania przedniej elektrody na szeroką skalę technik innych niż sitodruk.
Prace badawcze nad procesem wytwarzania elektrod ogniwa z użyciem warstwy zarodkowej na bazie srebra prowadzono także w Laboratorium Fotowoltaicznym IMIM PAN. Dotyczyły one modyfikacji procesu wytwarzania elektrody przedniej ogniwa fotowoltaicznego, polegające na dwuetapowym sposobie jej wytwarzania, koncentrowały się one na procesie elektrochemicznego osadzania miedzi na elektrodzie ogniwa pełniącej rolę warstwy zarodkowej. Sama elektroda pełniąca rolę warstwy zarodkowej została wykonana techniką sitodruku. Wybór zarówno sitodruku, jak i elektrochemicznego osadzania miedzi był nieprzypadkowy, ponieważ obie techniki są proste do kontrolowania oraz łatwo skalowalne do warunków produkcyjnych w przemyśle fotowoltaicznym.
W ramach przeprowadzonych prac badano i modyfikowano wybrane elementy procesu. Modyfikacje dotyczyły głównie:
- doboru etapu procesu, na którym osadzana jest miedź,
- parametrów druku, ze szczególnym uwzględnieniem granicy pojedynczej ścieżki elektrody przedniej,
- warunków osadzania elektrochemicznego miedzi.
Zbadano i wyjaśniono proces niekontrolowanego wzrostu szerokości ścieżki elektrody podczas osadzania miedzi. Dokonano takich modyfikacji, które pozwoliły wyeliminować ten problem. W wyniku przeprowadzonych badań określono taki zestaw parametrów formowania elektrody metodą sitodruku jak: prędkość, nacisk i odległość między sitem a podłożem. Dzięki temu udało się uzyskać geometrię korzystną dla procesu osadzania miedzi. Wyniki pokazały, że możliwe jest takie sterowanie procesem sitodruku i elektrochemicznego osadzania miedzi, aby formować elektrody o szerokości pojedynczych ścieżek około 70 µm z jednorodną warstwą miedzi, o grubości 2 µm i obszarem wokół krawędzi elektrody, w którym miedź nie występuje. Opracowany proces jest bardzo łatwy do wdrożenia w istniejących liniach produkcyjnych, które po prostu muszą zostać wyposażone w maszyny do osadzania miedzi. Niestety takie podejście nadal może ograniczyć ilość srebra potrzebną do wyprodukowania elektrody ogniwa ale nie w takim stopniu aby postawić tezę, że miedź zastąpiła srebro. Znaczącą redukcję konsumpcji srebra może przynieść dopiero zastosowanie trzeciego sposobu wytwarzania warstwy zarodkowej (pokazanego na rysunku 1).
W artykule wykorzystano ogólnodostępne informacje oraz dane z publikacji:
1. Gierczak, M., Markowski P., Zaluk Z., Dziedzic, A., Jankowski-Mihulowic, P., Ink-Jet Printed Conductive Films - Geometrical and Electrical Characterization. 39th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE), Pilsen, Czech Republic, May 18-22, 2016, pp. 392-397.
2. Mette A., Erath D., Ruiz R., Emanuel G., Kasper E., Preu R., 2005. Hot melt ink for the front side metallisation of silicon solar cells. Proceedings of the 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, June 2005, Barcelona, Spain
3. Hörteis M., Glunz S.W., 2008. Fine line printed silicon solar cells exceeding 20% efficiency. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 16(7), pp. 555-560.
4. Hörteis M., Metce A., Richter P.L., FidorraF., Glunz S.W., 2007. Further Progress in Metal Aerosol Jet Printing for Front Side Metallization of Silicon Solar Cells. European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Milano, pp. 1039-1042.
5. Alemán M., Streek A., Regenfuß P., Mette A., Ebert R., Exner H., Glunz S.W., Willeke G., 2006. Laser micro-sintering as a new metallization technique for silicon solar cells. in Proc. 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Dresden, Germany, pp. 705-708
6. Wehkamp N., Fell A., Bartsch J., Granek F., 2012. Laser Chemical Metal Deposition for Silicon Solar Cell Metallization. Energy Procedia, 21, pp. 47-57.
7. Drabczyk K., 2018, Modyfikacje elektrod na bazie srebra w aspekcie zastosowań w krzemowych krystalicznych ogniwach fotowoltaicznych, ISBN 978-83-60768-47-1
8. Mette A., Schetter., C.,Wissen D., Lust S., Gluntz S.W. Willeke G., 2006. Increasing the efficiency of screen-printed silicon solar cells by light-induced silver plating. Proceedings of the 4thWorld Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 1, pp. 1056–1059.
