RGS- und Tri-Silizium: Alternative Wafermaterialien für die Photovoltaik - Charakterisierung und Solarzellenprozessierung

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2003
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Sontag, Detlef
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RGS- and Tri-silicon: Alternative wafer materials in photovoltaics - Characterisation and solar cell processing
Forschungsvorhaben
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Zeitschriftenheft
Publikationstyp
Dissertation
Publikationsstatus
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Zusammenfassung
The worldwide increase in solar cell production may lead to a shortage of silicon material in the foreseeable future. To overcome this problem, new silicon wafer materials with potentially lower production costs and material losses have been developed. Two of these materials are RGS (Ribbon Growth on Substrate)- and Tri-silicon. This thesis addresses the development of solar cell processes optimised to the specific properties of these two silicon materials. In addition to the development of the solar cell processes, a detailed analysis of the specific properties of both materials is presented.
Firstly, a cell process is defined that uses simple process sequences but nevertheless has an eye on high efficiencies. This standard process is then used as a basis for optimisations on the specific properties of both materials. Furthermore, additional process steps and all characterisation methods used in this work are explained briefly.
Due to the importance of hydrogen passivation for RGS-silicon, several parameters of an already existing microwave induced remote hydrogen plasma (MIRHP) passivation system are optimised. Theoretical considerations concerning the concentration profile of atomic hydrogen in the reactor show good agreement with experimental results. In addition, the identification of the appropriate distance between plasma and sample and different gas compositions are studied.
The first material examined in detail is RGS-silicon. SIMS measurements show the concentration profile of deuteron after MIRDP passivation. Comparing the results with theoretical models leads to the conclusion that the effective diffusion of hydrogen (deuteron) is a combination of Fickian diffusion and hindered diffusion (multiple trapping).
To reveal the influence of the high defect density in RGS-silicon on minority charge carriers, a new technique is developed to determine the mobilities of the minorities in silicon materials with low diffusion lengths. The mobilities are shown to be reduced by a factor of 2-3 compared to CZ silicon.
By implementing the H-passivation and a front surface texturing in the solar cell process and by depositing a double antireflection coating (DARC) on the front surface, a new record efficiency of 13.2% was obtained for a 4 cm² solar cell. This is the first time ever that an efficiency over 13% was achieved with RGS-silicon material.
The second material dealt with in this thesis is Tri-silicon (Tri-Si). A breakage experiment is designed and reveals a higher stability as well as a higher stiffness for Tri-Si compared to CZ silicon, so that thinner wafers can be used for solar cell production without losses in yield. However, after applying an acidic front surface texturing this advantage vanishes.
Before optimising the cell process for Tri-Si, simulations are performed that demonstrate a high dependency of the efficiency of a Tri-Si solar cell on the recombination rate at the back surface. Therefore, an aluminium back surface field is implemented, based on screen printed aluminium used in industrial processes rather than evaporated aluminium used in the standard process. Additionally, the galvanisation of the front grid and a front surface texture are implemented in the cell process. After applying a DARC, record efficiencies of 18.8% with a cell area of 4 cm² were reached.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Durch die weltweit rasant zunehmende Produktion von Solarzellen und den damit verbundenen gesteigerten Siliziumverbrauch könnte in absehbarer Zeit ein Engpass an solarzellenfähigem Silizium entstehen. Um diesem Problem zu begegnen, wurden alternative Siliziumwafermaterialien entwickelt, die das Potential zu Kosteneinsparungen besitzen. Zu diesen Materialien gehören das multikristalline Foliensilizium RGS (Ribbon Growth on Substrate) und das nach dem Czochralski-Ziehverfahren hergestellte Tri-Silizium (Tri-Si). Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Solarzellenprozessen, die auf die spezifischen Eigenschaften der beiden Materialien angepasst sind. Begleitend zur Weiterentwicklung und Optimierung einzelner Prozessschritte ist dabei eine umfassende Analyse der Materialeigenschaften notwendig.
Zunächst wird ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen definiert, dessen Prozessschritte möglichst einfach ausgelegt sind, die sich aber dennoch als Basissequenzen zum Erreichen hoher Wirkungsgrade eignen. Dieser Standardprozess dient als Grundlage für die im Verlauf der Arbeit durchgeführten Anpassungen an die spezifischen Anforderungen der beiden untersuchten Materialien. Neben diversen, im späteren Verlauf angewandten Ergänzungsschritten, die in die Solarzellenprozesse implementiert wurden, sind auch die wichtigsten Charakterisierungsmethoden kurz zusammengefasst.
Aufgrund der großen Bedeutung der Defektpassivierung mittels Wasserstoff für RGS-Silizium wird eine bereits bestehende Wasserstoffpassivierungsanlage bezüglich verschiedener Parameter optimiert. Hierbei führen theoretische Überlegungen zum Konzentrationsprofil des atomaren Wasserstoffs im Reaktor zu einer qualitativ guten Beschreibung der experimentell ermittelten Daten. Neben der Optimierung des Abstandes zwischen Probe und Plasma werden auch Untersuchungen zur passivierenden Wirkung verschiedener Gasgemische durchgeführt.
Das erste näher untersuchte Siliziummaterial ist RGS-Silizium. Der Vergleich theoretischer Überlegungen mit SIMS-Messungen für das Konzentrationsprofil von Deuterium in RGS-Silizium nach Passivierungen unterschiedlicher Dauer zeigen, dass die effektive Diffusion der Wasserstoffatome durch eine Kombination aus freier Diffusion gemäß dem 2. Fickschen Gesetz und einer gehemmten Diffusion ( multiple trapping ) zusammensetzt ist.
Um den Einfluss einer erhöhten Defektdichte in RGS-Silizium auf die Mobilitäten der Ladungsträger zu untersuchen, wird ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe die Mobilitäten der Minoritäten speziell für Materialien mit geringen Diffusionslängen ortsaufgelöst bestimmbar sind. Nach einer Wasserstoffpassivierung weisen die Minoritäten in RGS eine um den Faktor 2-3 geringere Mobilität auf als die Minoritäten in CZ-Silizium.
Durch Implementierung der H-Passivierung und einer mechanischen Texturierung der Wafervorderseite in den Zellprozess ist es nach Abscheiden einer Doppelantireflexschicht (DARC) gelungen, Rekordwirkungsgrade für RGS von erstmals über 13% (13,2%) bei einer Zellfläche von 4 cm² zu erzielen.
Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf Untersuchungen an Wafern aus Tri-Si. In einem Bruchexperiment wird die Stabilität von Tri-Si und CZ-Silizum nach verschiedenen Oberflächenbehandlungen verglichen. Dabei zeigt sich bei Tri-Si eine deutlich höhere maximale Bruchkraft sowie eine höhere Steifigkeit im Vergleich zu CZ-Silizium, wodurch Materialeinsparungen durch dünnere Wafer bei gleicher Stabilität möglich sind. Nach anwenden einer auf Säure basierenden Texturierungstechnik gleichen sich jedoch die maximalen Bruchkräfte der beiden Materialienaneinander an.
Aufgrund der Ergebnisse von Simulationsrechnungen wird zur Bildung eines Aluminium-Back-Surface-Field (Al-BSF) von der im Standardprozess verwendeten Aufdampftechnik zum industrienahen Siebdruckprozess übergegangen. Durch die zusätzliche Implementierung einer galvanischen Verstärkung des Frontgrids und die Anwendung einer Oberflächentextur ist auch für Tri-Si nach Abscheiden einer DARC ein Rekordwirkungsgrad von 18,8% bei einer Zellfläche von 4 cm2 erreicht worden.
Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
RGS-Silizium,Tri-Silizium,Prozessierung,Processing,Solar cell,Photovoltaics,RGS-silicon,Tri-silicon
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690SONTAG, Detlef, 2003. RGS- und Tri-Silizium: Alternative Wafermaterialien für die Photovoltaik - Charakterisierung und Solarzellenprozessierung [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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February 2, 2004
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