DE102009056308A1

DE102009056308A1 - Metallisch kontaktiertes Substrat sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102009056308A1
Application number: DE102009056308A
Authority: DE
Inventors: Cordula Kohn; Rainer Dr. Kübler; Sebastian Müller
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-06-01
Also published as: EP2508048A1; WO2011063933A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein metallisch kontaktiertes Substrat, bei dem mindestens eine Oberfläche des Substrates ganz oder teilweise mit einer metallischen Kontaktierung versehen ist. Zur mechanischen Stabilisierung ist die metallische Kontaktierung mit einem Matrixmaterial versehen. Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Substrates angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein metallisch kontaktiertes Substrat, bei dem mindestens eine Oberfläche des Substrates ganz oder teilweise mit einer metallischen Kontaktierung versehen ist. Zur mechanischen Stabilisierung ist die metallische Kontaktierung mit einem Matrixmaterial versehen. Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Substrates angegeben.
Die elektrische Kontaktierung von beispielsweise elektronischen Bauteilen, wie Solarzellen, Sensoren oder elektronischen Chips, erfolgt gemäß Verfahren aus dem Stand der Technik beispielsweise durch Siebdruckverfahren, bei dem zunächst eine Metallpaste auf die jeweiligen, zu kontaktierenden Bereiche aufgedruckt und in einem weiteren Verfahrensschritt, dem sog. Feuern, mit dem Substrat des jeweiligen Bauteils verbunden wird.
Das Feuern stellt einen Temperaturschritt dar, bei dem z. B. die Solarzelle kontaktiert wird bzw. aufgedruckte Leiterbahnen von Sensoren oder Chips fest mit dem vorhandenen meist spröden Material verbunden werden. Ein in der Literatur ( US 2005/118,362 A ) beschriebenes Verfahren bei der Herstellung der elektrischen Kontaktierung von Solarzellen ist das Aufbringen von Pasten. In diesen Pasten sind Aluminium-Partikel in einem organischen Bindemittel suspendiert. Die Paste wird mithilfe des Siebdruck( US 4,388,346 ) bzw. Tampondruckverfahrens auf die Silizium-Oberfläche als Schicht aufgebracht. Die aufgedruckte Schicht hat eine poröse schwammartige Struktur, die auch im Anschluss an den nachfolgenden Temperaturschritt noch vorhanden ist. Bei dem Temperaturprozess wird zunächst der organische Binder durch Verdampfung und/oder Pyrolyse entfernt. Der zweite Teil des Feuerns beinhaltet die Legierung von Metall-Partikeln der Paste mit dem Silizium-Substrat, wodurch der ohmsche Kontakt hergestellt wird. Die Aluminiumschicht bildet in Sauerstoffatmosphäre unmittelbar eine Aluminium-Oxid-Oberfläche. Diese Oxidschicht behindert den Ladungsträgertransport zwar nicht, dennoch birgt sie die Schwierigkeit, dass mit herkömmlichen Loten keine Verbindung zu den Kupferbändern, mit denen die einzelnen Solarzellen in einem Modul verschaltet werden, hergestellt werden kann. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wird der überwiegende Anteil von industriell gefertigten Solarzellen mit Öffnungen in der Aluminiumbeschichtung hergestellt. Vor der Beschichtung mit Aluminium-Paste wird in dem Bereich der Öffnungen eine Silber-Aluminium-Paste aufgebracht ( US 561,101 ). Ein Anteil von ca. 15 Gew.-% Silber in der Paste verhindert die Oxidbildung an der Oberfläche, sodass eine Verschaltung unter Verwendung herkömmlicher Lote möglich ist. Um einen zuverlässigen ohmschen Kontakt zwischen den beiden Schichten (Aluminium/Aluminium-Silber) sicherzustellen, werden die Masken für die Bedruckung in der Art gefertigt, dass sich die Pasten im Kontaktbereich zueinander ca. 0,5 bis 1 mm überlappen.
Problematisch bei den zuvor beschriebenen Kontaktierungsverfahren ist jedoch, dass stets eine Festigkeitsabnahme bei den derart hergestellten Bauteilen nach dem Feuerungsschritt zu beobachten ist. Dies zeigte sich beispielsweise darin, dass die derart hergestellten Bauteile eine erhöhte Brüchigkeit an den Kontaktstellen aufwiesen, wobei die eingebrannten Kontaktstellen quasi als Soll-Bruchstellen fungierten.
Auch bei Sensoren, elektronischen Chips und Solarzellen sind die oben beschriebenen Grenzflächen vorhanden und bieten ein Potenzial zum Ausfall des Bauteils.
Dem Problem der reduzierten Festigkeit wurde industriell bisher dadurch begegnet, dass versucht wurde, die Belastungen der Solarzellen nach dem Feuern so gering wie möglich zu halten. Belastungen treten z. B. beim Handling von verwölbten Zellen oder beim Löten auf. Aber auch die Verwölbung der Solarzellen nach dem Firing stellt eine Belastung dar. Maßnahmen zur Belastungsminimierung sind sehr aufwändig und dadurch teuer.
Ein weiterer Ansatz war die Entwicklung der sog. Low-Bow-Pasten, die die Verwölbung der Solarzellen nach dem Firing minimieren sollen. Die Idee dahinter ist eine gezielte Schwächung von Querverbindungen der einzelnen Metallpartikel innerhalb von Pasten, um so durch Fließvorgänge mechanische Spannungen abzubauen. Analysen (F. Huster: "Aluminium-back surface field: bow investigation and elimination", (2AO.2.1), 20th EUPVSEC, Barcelona, 6–10 June 2005) zeigten jedoch, dass die Passivierung der Rückseitenelektrode durch den Einsatz von Low-Bow-Pasten von geringerer Qualität ist als beim Einsatz konventioneller Rückseitenpasten. Eine weitere Problematik stellt die Schwächung der Querverbindungen durch die oben beschriebene Kerbwirkung von Rissen in den Schichten dar. Dies ist ein Grund für eine geringere mechanische Zuverlässigkeit von Solarzellen. Somit bieten Low-Bow-Pasten zwar das Potenzial zu weniger Verwölbung, gleichzeitig lösen sie aber nicht das Problem der reduzierten Festigkeit nach dem Feuern, dieser negative Effekt wird durch die Verwendung dieser Pasten sogar noch verstärkt.
Ein weiterer Ansatz zur Lösung des Problems ist der ausschließliche Einsatz von Aluminiumpaste und somit die Vermeidung der Grenzfläche zu den lötfähigen Silber-Bereichen. Dazu muss jedoch der Legierungsvorgang unter einer inerten Atmosphäre durchgeführt werden, um eine Oxidbildung zu verhindern. Nur so kann sichergestellt werden, dass ein direktes Löten auf Aluminium erfolgen kann. Dieser Ansatz bietet Kostenersparnis durch die Einsparung der teuren silberhaltigen Pasten. Dieses Vorgehen erscheint jedoch nicht praktikabel, da die Solarzellen nach der Legierung über den gesamten Produktionsverlauf inklusive dem Transport zu Modulherstellern sowie bei der Verlötung unter Schutzatmosphäre gehalten werden müssten, um eine Oxidschichtbildung wirkungsvoll zu verhindern, was wiederum sehr hohe Kosten verursachen würde.
Ein weiterer Ansatz ist laut US 2005/118,362 A das Abätzen der Oxidschicht auf der Aluminiumpaste mit anschließender Nickelbeschichtung in dem Bereich, in dem die Verbindungskontakte in der Modulfertigung angebracht werden. Die Nickelschicht wird in einem nasschemischen stromlosen Beschichtungsverfahren aufgebracht und in einem Temperaturschritt mit der Aluminium-Schicht über einen Legierungsvorgang verbunden. Dieser Ansatz hat sich aufgrund der hohen Kosten für die Aufbereitung der Nickel-Bäder industriell nicht durchgesetzt.
Problematisch und bisher ungelöst bei allen zuvor genannten Vorgehensweisen und den daraus hergestellten Bauteilen ist jedoch stets, dass die Bereiche, die die Übergangsbereiche zwischen Silber- und Aluminiumkontakt darstellen, also die Übergangsbereiche der Kontaktierung, an den jeweiligen Rändern der Aluminium- bzw. Silberschichten, eine mechanische Kerbe darstellen.
Eine Folge davon ist, dass unterschiedliche mechanische Spannungen in den beiden Pastenbereichen dazu führen, dass eine Ablösung der beiden Schichten in der Grenzfläche zueinander stattfinden kann. In diesem Fall wirkt sich der Schichtriss als geometrische Kerbe auf das spröde Grundmaterial aus. Wie in C. Kohn et al.: "Analyses of warpage effects induced by passivation and electrode coatings in silicon solar cells", 22nd EUPVSEC, Milan, Italy, 3–7 September 2007, gezeigt, herrschen in den Schichten für die PV-Anwendung Zugeigenspannungen. Somit führt eine durch Ablösung der Schichten voneinander erzeugte Kerbe zu Zugspannung am Kerbgrund. Schadensanalysen zeigen, dass die Bruchanfänge von durch Bruch ausgefallenen Solarzellen in gehäufter Anzahl im Grenzbereich der Pasten am Überlapp liegen. Diese Bereiche stellen somit eine mechanische Schwachstelle für das Gesamtsystem dar und führen zu einer erhöhten Bruchquote.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige Stabilisierung für metallisch kontaktierte Bauteile anzugeben, die aus den oben genannten Gründen mit zweierlei Arten von Metall kontaktiert sind, um somit die Bruchrate zu erniedrigen und die mechanische Stabilität derartiger Bauteile zu erhöhen. Ebenso ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung dieser Bauteile anzugeben.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des metallisch kontaktierten Substrates mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie bezüglich des Verfahrens zur Herstellung dieses Substrates mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit ein metallisch kontaktiertes Substrat angegeben, bei dem mindestens eine Oberfläche des Substrates ganz oder teilweise mit einer metallischen Kontaktierung versehen ist, wobei die metallische Kontaktierung zumindest in einem Teilbereich zumindest ein Matrixmaterial beinhaltet, das der mechanischen Stabilisierung und/oder der Adhäsion der Kontaktierung an der Substratoberfläche dient, wobei das Matrixmaterial in einem Teil oder der Gesamtheit der Poren der Kontaktierung vorliegt.
Bevorzugt enthält die metallische Kontaktierung in einem ersten Bereich I mindestens ein erstes Metall, in einem zweiten Bereich II mindestens ein zweites, vom ersten Metall verschiedenes Metall, und in einem. dritten, zwischen dem ersten I und zweiten Bereich II liegenden Bereich III sowohl das erste als auch das zweite Metall, wobei zumindest der dritte Bereich III zumindest ein Matrixmaterial beinhaltet, das der mechanischen Stabilisierung und/oder der Adhäsion der Kontaktierung zumindest des dritten Bereichs III an der Substratoberfläche und/oder der beiden Metallsorten untereinander dient. Prinzipiell ist jedoch ebenso die Möglichkeit gegeben, dass weitere Bereiche vorhanden sein können oder iterativ auf der Oberfläche des Substrates angeordnet sind. Ebenso kann die Möglichkeit gegeben sein, dass eine weitere Schicht auf diese Bereiche aufgebracht sein kann.
Das erfindungsgemäße Substrat, das beispielsweise ein elektronisches Bauteil darstellen kann, weist somit in einer bevorzugten Ausführungsform eine Kontaktierung auf, die in drei Teilbereiche unterteilt ist, wobei die Kontaktierung im ersten Bereich aus einem anderen Metall gebildet ist als im zweiten Bereich. Der dritte, zwischen dem ersten und zweiten Bereich liegende Bereich, weist beide Materialien auf und kann deshalb als „Überlappbereich” bezeichnet werden. Durch das in diesem dritten Bereich beinhaltete Matrixmaterial wird erzielt, dass eine strukturelle, d. h. mechanische Verstärkung, dieses Bereichs, der, wie aus dem Stand der Technik bekannt, besondere Brüchigkeit aufweist, gewährleistet ist, so dass die Ausschussquote der erfindungsgemäßen Substrate verglichen mit aus dem Stand der Technik bekannten Bauteilen deutlich reduziert werden kann.
Bei von den Erfindern durchgeführten Untersuchungen konnte überraschenderweise durch Einbringen der Füllmatrix die Grenzfläche zwischen z. B. der Aluminium- und der Aluminium/Silber-Paste, d. h. die Kontaktierung im dritten Bereich, in der Weise verfestigt werden, dass bei mechanisch belasteten Substraten, bzw. Bauteilen, wie z. B. Solarzellen, der Bruchanfang nicht mehr im Bereich des Elektrodenüberlapps (d. h. dem dritten Bereich) lag. Durch Einbringen der Füllmatrix unter gleichzeitiger Anwendung von mechanischem Druck konnte in Untersuchungen die Festigkeit von infiltrierten Solarzellen im Vergleich zu herkömmlichen um einen Faktor 3 erhöht werden. Der Effekt der Festigkeitsreduzierung durch Rissentstehung, wie er im Stand der Technik auftritt, und damit einhergehende Kerbwirkung in der Schicht wurden somit wirkungsvoll verhindert.
Technisches Anwendungsgebiet der Substrate ist der Einsatz z. B. bei der Herstellung von Solarzellen mit dem Ziel, die Festigkeit dieser Bauteile zu erhöhen, um somit den Ausschuss durch Bruch in der Produktion, beim Transport zu Modulherstellern sowie beim Verlöten und Verschalten in der Modulproduktion zu reduzieren. Zusätzlich wird die Langzeitstabilität im Modul erhöht, da die mechanische Beständigkeit gegenüber umweltbedingten Temperaturzyklen, die zu mechanischen Spannungen in den Solarzellen führen, durch den Einsatz der Füllmatrix erhöht wird.
Ebenso denkbar ist die Anwendung für Modul-Hersteller, die die eingekauften Solarzellen vor der Verlötung zu Modulen durch eine Füllmatrix verfestigen können und somit sowohl für den belastenden Herstellungsprozess zum Modul wie auch für den jahrelangen Einsatz unter verschiedensten Umweltbedingungen zuverlässiger machen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Sensorik sowie die Elektronik. In diesen Disziplinen werden Leiterbahnen sowie Kontaktierungsflächen teilweise ebenfalls durch Siebdruck und anschließendem Feuern metallischer Pasten hergestellt. Auch bei dieser Anwendung ist die Steigerung der mechanischen Zuverlässigkeit von Leiterbahnen möglich.
Des Weiteren sind als Anwendungsgebiet sämtliche Bereiche denkbar, wo Werkstoffe in Schichtform auf spröde Materialien aufgebracht werden und nachfolgende Prozessschritte, wie z. B. das Feuern bei Solarzellen, einen innigen Kontakt der Schichten zum Substrat herstellen. Überall dort, wo in den genannten Bereichen die mechanische Zuverlässigkeit eine Rolle spielt, ist die Anwendung der Erfindung sinnvoll.
Bevorzugt verwendete Matrixmaterialien sind dabei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ausgehärteten Polymeren, ausgehärteten Thermoplasten und/oder ausgehärteten Duromeren, bevorzugt ausgehärteten chemischen Klebstoffen, bevorzugt Polyadditionsklebstoffen und/oder Zweikomponentenklebstoffen, insbesondere Epoxidharzen.
Die metallische Kontaktierung ist dabei porös, das Matrixmaterial liegt in einem Teil oder der Gesamtheit der Poren der Kontaktierung vor.
Die Porosität der Kontaktierung resultiert aus dem Herstellungsverfahren, wonach eine feine Metallpaste auf das zu kontaktierende Substrat aufgetragen und im Feuerungsschritt mit diesem verbunden wird. Beim Feuerungsschritt wird das Metallmaterial, das die Kontaktierung bilden soll, zumindest partiell aufgeschmolzen. Die feinen Metallpulver, die in derartigen Pasten enthalten sind, formen dabei kleine Tröpfchen, die zumindest teilweise die Oberfläche des Substrates benetzen und nach Abkühlen eine elektrische Verbindung zum Substrat herstellen. Allerdings behalten die beim Feuerungsschritt gebildeten Tröpfchen aufgrund ihrer Oberflächenspannung ihre Tröpfchenform bei, so dass nur eine partielle Verbindung mit weiteren metallischen Tröpfchen erfolgt und sich nach Abkühlen ein poröses, schwammiges Netzwerk aus Metall bildet. Die metallische Kontaktierung ist herstellungsmäßig bedingt, sowohl in den Bereichen I, II und III offenporig, d. h. porös ausgebildet.
Bevorzugte Porengrößen der Kontaktierung liegen dabei zwischen 10 nm und 1 mm, bevorzugt zwischen 500 nm und 10 μm, besonders bevorzugt zwischen 1 μm und 5 μm.
Die Porengröße kann dabei auch Maße annehmen, die im Bereich der Schichtdicke der Kontaktierung liegen.
Bevorzugte Metalle der metallischen Kontaktierung sind dabei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Silber, Kupfer, Eisen, Gold, Cobalt, Nickel, Platin, Chrom, Vanadium, Titan, einer Mischung aus Silber und Aluminium und/oder Kombinationen hieraus.
Vorteilhaft ist die Kontaktierung dabei so aufgebaut, dass

a) das erste Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, und/oder
b) das zweite Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silber oder Mischungen aus Silber und Aluminium.

Dies bedeutet, dass die Kontaktierung z. B. im ersten Bereich I aus Aluminium gebildet sein kann, während die Kontaktierung im zweiten Bereich II beispielsweise eine Silberkontaktierung oder eine Legierung oder Mischung aus Aluminium und Silber ist. Erfindungsgemäß liegen für diesen Fall im Übergangsbereich III sowohl Aluminium als auch Silber in getrennten Bereichen vor, so dass aufgrund der unterschiedlichen Natur der beiden Metalle hier eine schlechtere mechanische Beständigkeit der Kontaktierung an der Grenzfläche vorgegeben ist. Dies wird erfindungsgemäß durch Zufügen eines Matrixmaterials behoben.
Weiter ist es vorteilhaft, dass im dritten Bereich III die Kontaktierung schichtweise ausgebildet ist, wobei eine das zweite Metall enthaltende Schicht der Kontaktierung direkt auf die Oberfläche des Substrates und eine weitere, das erste Metall enthaltende Schicht auf die das zweite Metalle enthaltende Schicht aufgebracht ist.
Denkbar ist jedoch ebenso, dass die schichtweise Ausbildung der Kontaktierung im dritten Bereich entgegen gesetzt wie voranstehend beschrieben ausgebildet sein kann.
Beispielsweise kann bei einem schichtweise ausgebildeten Übergangsbereich III ein gradientenweiser Übergang vom Metall des zweiten Bereichs II in Richtung des ersten Bereichs I erfolgen, d. h.

a) die Schichtdicke der das zweite Metall enthaltenden Schicht nimmt ausgehend vom zweiten Bereich II in Richtung des ersten Bereichs I ab, und/oder
b) die Schichtdicke der das erste Metall enthaltenden Schicht nimmt ausgehend vom ersten Bereich I in Richtung des zweiten Bereichs II ab.

Eine derartige Maßnahme begünstigt weiter den Spannungsabbau im Übergangsbereich III.
Bevorzugte Schichtdicken der metallischen Kontaktierung betragen dabei im ersten Bereich (I), im zweiten Bereich (II) und/oder im dritten Bereich (III) unabhängig voneinander zwischen 10 nm und 2 mm, bevorzugt zwischen 10 μm und 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 25 und 45 μm.
Die metallische Kontaktierung kann weitere Stoffe enthalten, die beispielsweise die nicht flüchtigen Komponenten von Standard-Pasten, die als metallische Kontaktierung aufgebracht werden, darstellen können, Beispielsweise sind diese ausgewählt aus der Gruppe aus Gläsern wie Borsilikatglas, Quarzglas, Kalk-Natron-Glas oder aus Kunststoffen und/oder Mischungen oder Kombinationen hieraus.
Bevorzugte Materialien, die für die einzelnen Komponenten des Substrates in Frage kommen, d. h. das Substrat selbst, auf dem die elektrische Kontaktierung aufgebracht wird, sind dabei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus

a) elektrisch isolierenden Substraten, insbesondere Glas, Keramik, Kunststoffen, Duromeren, Epoxidharzen und/oder Leiterplatten (printed circuit boards (PCB)),
b) elektrisch leitenden Substraten oder Halbleitern, insbesondere Si, Ge, GaN, SiC, GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, AlN, InN, Al_xGa_1-xAs, InGa_1-xN, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, Cd, CdTe, Hg_(1-x)Cd_xTe, BeSe, BeTe und/oder HgS und/oder
c) Solarzellen, die Wafer und/oder Substrate aus den unter a) und/oder b) genannten Materialien. enthalten.

Ebenso ist selbstverständlich die Möglichkeit umfasst, dass die Substrate derart ausgestaltet sein können, dass sie beispielsweise ein Basismaterial aus den unter a) oben aufgeführten Materialien enthalten, worauf eine weitere Materialschicht aus den unter b) genannten Materialien aufgebracht ist. Diese Möglichkeit ist z. B. bei Dünnschichtsolarzellen realisiert.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Substrates angege ben, das sich dadurch auszeichnet, dass zumindest in einem Teilbereich, in einen Teil oder der Gesamtheit der Poren der porösen metallischen Kontaktierung, zumindest ein härtbares Matrixmaterial eingebracht, mit dem mindestens einen Metall der metallischen Kontaktierung und/oder der Oberfläche des Substrates kontaktiert und anschließend ausgehärtet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zumindest in den dritten Bereich III der Kontaktierung zumindest ein härtbares Matrixmaterial eingebracht und mit dem mindestens einen ersten Metall, dem mindestens einen zweiten Metall und/oder der Oberfläche des Substrates kontaktiert und ausgehärtet.
Bevorzugt wird das Matrixmaterial, das aushärtbar ist, in die Poren einer porös ausgebildeten metallischen Kontaktierung eingebracht.
Als härtbare Matrixmaterialien kommen dabei insbesondere ein härtbares Polymer, härtbarer Thermoplast und/oder härtbares Duromer, bevorzugt härtbare chemische Klebstoffe, bevorzugt Polyadditionsklebstoffen und/oder Zweikomponentenklebstoffen, insbesondere Epoxidharze zum Einsatz.
Bevorzugte Viskositäten des härtbaren Matrixmatrials liegen dabei in einem Bereich zwischen 1 und 100.000 mPas, bevorzugt 10.000 und 50.000 mPas, besonders bevorzugt zwischen 15.000 und 40.000 mPas.
Vorzugsweise Temperaturbereiche, bei denen die Aushärtung erfolgt, liegen zwischen 20 und 400°C, bevorzugt zwischen 50 und 300°C, insbesondere zwischen 80 und 120°C.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figur näher erläutert, ohne die Erfindung auf die dort aufgezeigten speziellen Parameter zu beschränken.
Die Figur zeigt ein metallisch kontaktiertes Substrat 1, das beispielsweise ein spröder Werkstoff, wie z. B. Silizium oder Glas, sein kann, auf dem eine Kontaktierung aufgebracht ist, die drei Bereiche I, II und III aufweist. Im ersten Bereich I besteht die metallische Kontaktierung dabei aus einem ersten Metall 2, das im vorliegenden Fall beispielsweise Aluminium sein kann, und aus einer Aluminiumpaste, die auf dem Substrat 1 aufgebracht wurde und im Anschluss gefeuert wurde. Die ursprünglich die Aluminiumpaste bildenden Aluminiumteilchen werden beim Feuerungsschritt aufgeschmolzen und verfestigen sich teilweise zu größeren Agglomeraten, wodurch eine poröse Struktur der Kontaktierung entsteht. Die metallische Kontaktierung weist einen weiteren Bereich II auf, in dem die elektrische Kontaktierung des Substrates I durch ein anderes Metall 3, beispielsweise Silber, gebildet ist. Auch die. Herstellung der Silberkontaktierung erfolgt beispielsweise durch Aufbringen einer Silberpaste und einen anschließenden Feuerungsschritt, wobei auch die ursprünglich in der Silberpaste enthaltenen Silberpartikel sich teilweise durch Aufschmelzen und erneutem Erstarren zu einem porösen Gefüge zusammenfügen. Im Übergangsbereich III sind die beiden Materialien, die die Kontaktierung im Bereich I und II ausmachen, nunmehr übereinander liegend schichtweise aufgebracht. Auf dem Substrat 1 ist direkt eine Schicht aus dem zweiten Metall 3 angebracht, über dieser Metallschicht ist die Metallschicht aus dem ersten Metall aufgebracht. Hergestellt werden können diese Schichtfolgen beispielsweise dadurch, dass im Siebdruckverfahren die Metallpasten übereinander aufgedruckt werden und in einem gemeinsamen Feuerungsschritt miteinander verfestigt werden. Ebenso ist das Aufbringen jedoch in 2 separaten Schritten mit jeweiligem Feuerungsschritt möglich. Da im Feuerungsschritt keine komplette Diffusion der Materialien zu einer vollständigen Legierung stattfindet, ergibt sich bei derartigen übereinander gelagerten Schichten, die die Kontaktierung ausmachen, stets eine Grenzfläche 4, die eine mechanische Kerbe und sozusagen eine Soll-Bruchstelle der metallischen Kontaktierung darstellt. Bei mechanischer Beanspruchung platzen bevorzugt an dieser Stelle die Kontaktierungen auf, so dass die Beständigkeit derart hergestellter Substrate zu wünschen übrig lässt.
In das poröse Gefüge ist nunmehr ein Matrixmaterial 5, das beispielsweise ein Klebstoff sein kann, eingebracht, der der mechanischen Verfestigung der Schichten aus dem ersten Metall II und dem zweiten Metall III dient. Ebenso erfolgt dadurch eine verbesserte Anhaftung der Kontaktierung am Substrat 1. Somit wird erfindungsgemäß eine deutlich höhere Stabilität derartig hergestellter Substrate erzielt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2005/118362 A [0003, 0009]
US 4388346 [0003]
US 561101 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

F. Huster: ”Aluminium-back surface field: bow investigation and elimination”, (2AO.2.1), 20th EUPVSEC, Barcelona, 6–10 June 2005 [0007]
C. Kohn et al.: ”Analyses of warpage effects induced by passivation and electrode coatings in silicon solar cells”, 22nd EUPVSEC, Milan, Italy, 3–7 September 2007 [0011]

Claims

Metallisch kontaktiertes Substrat (1), bei dem mindestens eine Oberfläche des Substrats (1) ganz oder teilweise mit einer porösen metallischen Kontaktierung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Kontaktierung zumindest in einem Teilbereich zumindest ein Matrixmaterial (5) beinhaltet, das der mechanischen Stabilisierung und/oder der Adhäsion der Kontaktierung an der Substratoberfläche dient, wobei das Matrixmaterial (5) in einem Teil oder der Gesamtheit der Poren der Kontaktierung vorliegt.
Substrat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Kontaktierung in einem ersten Bereich (I) mindestens ein erstes Metall (2), in einem zweiten Bereich (II) mindestens ein zweites, vom ersten Metall verschiedenes Metall (3), und in einem dritten, zwischen dem ersten (I) und zweiten Bereich (II) liegenden Bereich (III) sowohl das erste als auch das zweite Metall enthält, wobei zumindest der dritte Bereich (III) zumindest ein Matrixmaterial (5) beinhaltet, das der mechanischen Stabilisierung und/oder der Adhäsion der Kontaktierung zumindest des dritten Bereichs (III) an der Substratoberfläche dient.
Substrat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (5) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ausgehärteten Polymeren, ausgehärteten Thermoplasten und/oder ausgehärteten Duromeren, bevorzugt ausgehärteten chemischen Klebstoffen, bevorzugt Polyadditionsklebstoffen und/oder Zweikomponentenklebstoffen, insbesondere Epoxidharzen.
Substrat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Porengröße der Kontaktierung zwischen 10 nm und 1 mm, bevorzugt zwischen 500 nm und 10 μm, besonders bevorzugt zwischen 1 μm und 5 μm beträgt.
Substrat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Metall (2) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Silber, Kupfer, Eisen, Gold, Cobalt, Nickel, Platin, Chrom, Vanadium, Titan, einer Mischung aus Silber und Aluminium und/oder Kombinationen hieraus.
Substrat (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Bereich (III) die Kontaktierung schichtweise ausgebildet ist, wobei eine das zweite Metall (3) enthaltende Schicht der Kontaktierung direkt auf die Oberfläche des Substrates (1) und eine weitere, das erste Metall (2) enthaltende Schicht auf die das zweite Metall (3) enthaltende Schicht aufgebracht ist.
Substrat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der metallischen Kontaktierung im ersten Bereich (I), im zweiten Bereich (II) und/oder im dritten Bereich (III) unabhängig voneinander zwischen 10 nm und 2 mm, bevorzugt zwischen 10 μm und 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 25 und 45 μm beträgt.
Substrat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Kontaktierung mindestens eine weitere Substanz, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Borsilikatglas, Quarzglas, Kalk-Natron-Glas oder Kunststoffen und/oder Mischungen oder Kombinationen hieraus enthält.
Substrat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus a) elektrisch isolierenden Substraten, insbesondere Glas, Keramik, Kunststoffen, Duromeren, Epoxidharzen und/oder Leiterplatten (printed circuit boards (PCB)), b) elektrisch leitenden Substraten oder Halbleitern, insbesondere Substraten aus Si, Ge, GaN, SiC, GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, AlN, InN, Al_xGa_1-xAs, In_xGa_1-xN, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, Hg_(1-x)Cd_xTe, BeSe, BeTe und/oder HgS und/oder c) Solarzellen, die Wafer und/oder Substrate aus den unter a) und/oder b) genannten Materialien enthalten.
Verfahren zur Herstellung eines Substrates (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest in einem Teilbereich, in einen Teil oder der Gesamtheit der Poren der porösen metallischen Kontaktierung, zumindest ein härtbares Matrixmaterial (5) eingebracht, mit dem mindestens einen Metall der metallischen Kontaktierung und/oder der Oberfläche des Substrates (1) kontaktiert und anschließend ausgehärtet wird.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in den dritten Bereich (III) der Kontaktierung zumindest ein härtbares Matrixmaterial eingebracht, mit dem mindestens einen ersten Metall (2), dem mindestens einen zweiten Metall (3) und/oder der Oberfläche des Substrates (1) kontaktiert und ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als härtbares Matrixmaterial ein härtbares Polymer, härtbarer Thermoplast und/oder härtbares Duromer, bevorzugt härtbare chemische Klebstoffe, bevorzugt Polyadditionsklebstoffen und/oder Zweikomponentenklebstoffen, insbesondere Epoxidharze eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des härtbaren Matrixmatrials in einem Bereich zwischen 1 und 100.000 mPas, bevorzugt zwischen 10.000 und 50.000 mPas, besonders bevorzugt zwischen 15.000 und 40.000 mPas liegt.