Die kristalline Siliziumsolarzelle

Alexander Hauser

Die kristalline Siliziumsolarzelle.
Untersuchung der Einzelprozesse
und Entwicklung von Alternativen

1. Auflage 2006; 132 Seiten; € 64,00. ISBN 3-86628-076-9

Schlüsselwörter: Silizium, Solarzellen, Solarzellenproduktion, Wafer, Texturierung

Kurzzusammenfassung:
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Standardsolarzellenprozess für Siliziumwafer, wie er in der industriellen Produktion eingesetzt wird. Die einzelnen Prozessschritte werden aufgezeigt, untersucht und gegebenenfalls verschiedene Technologien miteinander verglichen. Für die Prozessschritte Texturierung, Kantenisolation und Metallisierung wurden neuartige Technologien entwickelt und teilweise industriell eingeführt. Die saure Texturierung wurde zum Patent angemeldet und ist zwischenzeitlich bei vielen namhaften Solarzellenherstellern Bestandteil der Produktion.

Einführung        1
1        Gesamtprozess und Kostenmodelle        5
1.1        Verknüpfung Gesamtprozess und Wattpeak Kosten        5
1.2        Kostenmodelle und Zukunftsperspektiven        9
2        Sägeschadenätzen und Texturierung        12
2.1        Alkalisches Ätzen        12
2.2        Vorteile einer Texturierung        13
2.3        Alkalische Texturierung von monokristallinem Silizium        16
2.4        Saure Texturierung von multikristallinem Silizium        20
2.4.1        Reflexionsverringerung        27
2.4.2        Solarzellenergebnisse        28
2.4.3        Wirkungsgradsteigerung im Modul        32
2.4.4        Implementierung auf In-line Anlage        38
3        Emitterdiffusion        43
3.1        Anforderungen an einen Emitter für Solarzellen        43
3.2        Methoden zur Emitterbildung        45
3.2.1        Ioneninplantation        45
3.2.2        Epitaxie        46
3.2.3        Phosphoroxychlorid (POCl3) Diffusion        46
3.2.4        Diffusion aus flüssigen oder festen Dotierquellen        47
3.3        Vergleich von industriellen Emittern        48
4        Kantenisolation        53
4.1        Methoden zur Verhinderung eines Kurzschlusses        53
4.2        Plasmaätzen        53
4.3        Laser        54
4.4        Sägen        56
4.5        Schmirgeln        57
4.6        Vergleich der Isolationstechniken        57
4.7        Optimierung der Kantenisolation mittels Laser        63
4.8        Nasschemisches Verfahren zur Kantenisolation        68
5        Wasserstoff in Silizium        71
5.1        Eigenschaften und Diffusion von Wasserstoff in Silizium        71
5.2        Volumenpassivierung        72
5.3        Lebensdauermessungen zur Untersuchung von H in Si        74
5.3.1        Theorie        74
5.3.2        Drei-Schichten-Modell zur Wasserstoffpassivierung        75
5.4        Ortsaufgelöster Effekt der Wasserstoffpassivierung        83
6        Siliziumnitrid        85
6.1        Methoden zur Siliziumnitridabscheidung        85
6.1.1        Photochemische Gasphasenabscheidung        86
6.1.2        Thermokatalytische Gasphasenabscheidung        86
6.1.3        Thermisch aktivierte Niederdruckabscheidung        86
6.1.4        Ionenzerstäubung (Sputtering)        87
6.1.5        Expanding Thermal Plasma (ETP) Siliziumnitrid        87
6.2        PECVD Siliziumnitrid        88
6.2.1        Direktplasma Siliziumnitrid        89
6.2.2        Remoteplasma Siliziumnitrid        90
6.3        Vergleich Direkt und Remote PECVD SiN        90
6.4        Blistering        94
6.4.1        Hintergrund        94
6.4.2        Experimente        97
6.4.3        Ergebnisse        98
7        Metallisierung in Gräben        103
7.1        Motivation        103
7.2        Gräben mittels Laser        104
7.3        Drucken in Gräben        106
7.4        Solarzellen mit Siebruck in Gräben        108
Zusammenfassung        111
Verzeichnis von Abkürzungen        114
Publikationen und Patente        115
Literaturverzeichnis        117
Danksagung        123

Aus der Einleitung des Autors:

In dieser Arbeit stehen die Kosten zwar nicht im Mittelpunkt, spielen aber zumindest immer eine entscheidende Rolle, wenn es um die Bewertung von Ergebnissen geht. Inhalt der Arbeit ist die Darstellung des Status Quo bei einem industriellen Solarzellenprozess, sowie Entwicklung und Charakterisierung von neuartigen Alternativen. Daher dürfen die Kosten einer Technologie nicht aus den Augen verloren werden, denn über die Kosten entscheidet sich später, inwieweit neue Erkenntnisse oder Technologien auch großtechnisch umgesetzt werden.
Im ersten Kapitel wird daher näher auf Kostenbetrachtungen eingegangen und ein kurzer Überblick über den gesamten Fertigungsprozeß vom Sand bis zum fertigen Modul gegeben. Es wird gezeigt, wie die Kosten der Einzelprozesschritte miteinander verknüpft sind, und es werden Abschätzungen für die zukünftige Kostenentwicklung dargestellt. Die danach folgenden Kapitel der Arbeit sind entsprechend dem chronologischen Ablauf eines typischen industriellen Solarzellenprozesses aufgebaut.
Die beim Sägen der Wafer an der Oberfläche entstandenen Kristalldefekte und Verunreinigungen müssen zu Beginn des Prozesses entfernt werden. Im Idealfall wird dabei gleichzeitig die Oberfläche texturiert. In Kapitel 2 werden Ätzparameter sowohl für monokristalline als auch für multikristalline Wafer entwickelt. Für multikristalline Wafer ist seit längerem die Möglichkeit der sauren Texturierung bekannt, diese wurde aber aufgrund technologischer Probleme bei der Prozessführung nicht industriell angewendet. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, solche Prozessparameter zu entwickeln, mit denen der Prozess stabil läuft und die Wirkungsgradgewinne höher als bisher ausfallen.
Nach dem Entfernen des Sägeschadens folgt die Erzeugung des Emitters. Die verschiedenen Technologien dafür werden in Kapitel 3 dargestellt. Die zwei gebräuchlichsten in der Photovoltaik, die Gasphasendiffusion mit POCl3 und die Aufbringung des Dotierstoffes mit anschließendem Hochtemperaturschritt, werden in Bezug auf ihr Potential zu höheren Wirkungsgraden miteinander verglichen.
Die leitende Emitterschicht zwischen Vorder- und Rückseite des Wafers muss im Laufe des Solarzellenprozesses getrennt werden. Bis vor kurzem war dazu die gängigste Methode in der Industrie das Plasmaätzen der gestapelten Wafer. Wegen diverser Nachteile dieser Methode wurden verschiedenste andere Technologien entwickelt. In Kapitel 4 werden die Möglichkeiten der Kantenisolation dargestellt und bewertet. Experimentell wird deren Einfluss auf die fertigen Solarzellen untersucht. Ein neuartiges, nasschemisches Verfahren wird vorgestellt, das zusammen mit einem Anlagenhersteller entwickelt wurde. Dieses bietet gegenüber den bisherigen Verfahren einige Vorteile.
Defekte in Silizium können die Ladungsträgerlebensdauer und damit den potentiellen Wirkungsgrad der Solarzellen deutlich reduzieren. Mit Wasserstoff können viele dieser Defekte passiviert, also elektrisch deaktiviert werden. Kapitel 5 widmet sich sowohl der Theorie von Wasserstoff in Silizium als auch den Methoden zur Wasserstoffpassivierung. Zur Detektion von Wasserstoff in Silizium wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt. Durch Messungen der Minoritätsladungsträgerlebensdauer steht ein einfaches und schnelles neues Werkzeug für die Untersuchung von Wasserstoff zur Verfügung.
Mit Siliziumnitridschichten kann nicht nur die Reflexion des Wafers reduziert werden, sie passivieren auch die Oberfläche des Wafers. Die Schichten selbst können zusätzlich große Mengen Wasserstoff enthalten, der bei höheren Temperaturen in den Wafer eindiffundieren und Defekte passivieren kann. In Kapitel 6 werden die Technologien für die Abscheidung von Siliziumnitrid vorgestellt und es werden die beiden Techniken, die am weitesten verbreitet sind, in Bezug auf deren Potential für Oberflächen und Volumenpassivierung miteinander verglichen. Unter bestimmten Bedingungen können während eines Hochtemperaturschrittes Teile der Schichten abplatzen. Dieser Effekt wird *blistering“ genannt; der eingebaute Wasserstoff spielt dabei eine entscheidende Rolle. Durch die Vorbehandlung der Wafer mit einem Ammoniak Plasma vor der eigentlichen Abscheidung kann dieser Effekt vermieden oder zumindest reduziert werden. Ob dieser zusätzliche Plasmaschritt die Oberfläche des Wafers schädigt, wird mit Hilfe von Lebensdauermessungen und Solarzellenergebnissen untersucht.
In Kapitel 7 wird schließlich die Metallisierung der Wafer mittels Drucktechniken behandelt. Da die herkömmlich Variante, der Siebdruck auf ebene Wafer, einige Nachteile mit sich bringt, wird im Rahmen dieser Arbeit eine neuartige Kombination von zwei sehr bewährten Technologien vorgestellt: Die Einbringung von Gräben mittels Laser und die Metallisierung dieser Gräben mittels verschiedener Drucktechnologien.

Beachten Sie bitte auch folgende Links:

Christopher Hebling

Die kristalline Silicium-Dünnschichtsolarzelle
auf isolierenden Stubstraten.

1999; VIII, 174 Seiten, € 65,45. ISBN 3-89649-455-4

Sven Seren

Low Cost Solar Cells

from Fast Grown Silicon Ribbon Materials

Konstanz 2007, 144 pages/Seiten; € 64,00. ISBN-10: 3-86628-157-9

ISBN-13: 978-3-86628-157-8

Jayaprasad Arumughan

Investigations on Solar Grade Silicon and

Process Engineering of Advanced Silicon Solar Cells