Industriesolarzellen auf dünnem multikristallinem Silizium : Diffusionsverfahren, neue Materialien und bifaciale Strukturen

Abstract

In dieser Arbeit wird die heutige Industriesolarzelle mit Dickfilmmetallisierung untersucht und Wege und Möglichkeiten aufgezeigt, diese weiter zu entwickeln und zu optimieren.Im ersten Teil der Arbeit wurden Solarzellen aus Solarsilizium hergestellt und untersucht. Solarsilizium, das direkt aus metallurgischen Silizium hergestellt wird, hat den Vorteil, dass es mit weniger Energieaufwand wesentlich kostengünstiger herzustellen ist als das bisher verwendete Electronic Grade (EG) Silizium. Es wurde eine optimierte Diffusion entwickelt, die durch zusätzliches Gettern die Leistung der Zellen verbessert. Es konnte gezeigt werden, dass die Solarzellen aus reinen SoG-Wafern konkurrenzfähig zu den bisher verwendeten EG-Silizium Wafern sind.Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Diffusion im Gürtelofen mit aufgesprühten Dotierstoffen untersucht. Dies hat den Vorteil, dass auch die Emitterdiffusion als Durchlaufprozess (Inline) erfolgen kann und ein aufwändiges Waferhandling vermieden wird. Ein beidseitiges Besprühen der Wafer führte durch ein verbessertes Phosphorgettern während der Diffusion zu höheren Wirkungsgraden. Es konnte gezeigt werden, dass sich mit der Sprühdiffusion Solarzellen mit vergleichbaren Wirkungsgraden wie bei der Diffusion aus der Gasphase (POCl3) herstellen lassen.Im Hauptteil der Arbeit wurde ein Konzept für bifaciale Solarzellen auf dünnen Wafern entwickelt. Charakteristisch für dieses Konzept ist die im Vergleich zur Industriesolarzelle veränderte Rückseite mit einem Bor-BSF. Zur Passivierung der p+-dotierten Oberfläche des Bor-BSFs wurde ein etwa 20 nm dickes Siliziumoxid aufgewachsen. Im Anschluss wurde ein Siliziumnitrid als Antireflexions- und Schutzschicht abgeschieden. Der offene Rückkontakt wurde mit einer aluminiumhaltigen Silber-Paste im Siebdruckverfahren hergestellt. Eine Durchbiegung der Wafer beim Kontaktsintern (im Vergleich zur herkömmlichen ganzflächigen Metallisierung der Rückseite mit Aluminium) konnte selbst bei bis zu 150 µm dünnen Wafer nicht beobachtet werden, womit das Konzept für dünne Wafer geeignet ist. Bei einseitiger Beleuchtung konnten Wirkungsgrade von 16,1% erreicht werden. Als zusätzlichen Bonus kann eine bifaciale Solarzelle auch das Licht auf der Rückseite einsammeln. Bei voller Beleuchtung von der Rückseite erreichen die Solarzellen noch etwa 60% - 80% ihrer normalen Leistung.Anhand von Simulationen mit dem Programm PC1D wurden die Solarzellen weiter analysiert. Damit konnte zunächst die Ausgangsleistung der Solarzellen bei bifacialer Beleuchtung abgeschätzt werden.Messungen mit einem Modul unter realen Bedingungen zeigten einen Leistungsgewinn von durchschnittlich 20% im Verlauf eines Tages durch die bifaciale Eigenschaft des Moduls.