High-Efficiency Multicrystalline Silicon Solar Cells

Abstract

In der vorliegenden Doktorarbeit wurde multikristallines Silizium im Hinblick auf seinen Einsatz in hocheffizienten Solarzellen untersucht. Da die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger der Schlüsselparameter ist, welcher die Effizienz einer Siliziumsolarzelle bestimmt, wurde die Messung dieser Lebensdauer während der gesamten Arbeit zur Beurteilung der Materialqualität und der Güte der Oberflächenpassivierung eingesetzt. Die Anwendung der Standardprozesse, die für hochreines monokristallines Silizium entwickelt wurden, erbrachten auf multikristallinem Silizium keine guten Resultate, da die Materialqualität von den hohen Oxidationstemperaturen stark gemindert wurde. Deshalb mussten neue Prozesse und Prozessfolgen entwickelt werden.Besonderes Augenmerk wurde hierbei auf die Veränderungen der Materialqualität bei der Anwendung verschiedener Hochtemperaturprozesse gelegt. Hierbei hat sich herausgestellt, dass eine Phosphordiffusion sehr effektiv Verunreinigungen wie z.B. Eisen aus dem Material entfernen kann. Allerdings wies die Getter-Effizienz eine starke Abhängigkeit von kristallografischen Defekten auf, d.h. sie war hoch in Bereichen mit nur geringen Versetzungsdichten wohingegen in stark versetzten Gebieten keine Verbesserung zu erzielen war. Die Ergebnisse konnten anhand eines mikroskopischen Modells erklärt werden.Die Oxidation der Siliziumoberfläche ist ein vielseitig einsetzbarer Prozess für die Herstellung hocheffizienter Solarzellen, da Siliziumoxid sowohl als Maskierungsschicht als auch zur elektrischen Passivierung der Oberfläche genutzt werden kann. Die üblicherweise eingesetzten Prozesstemperaturen von ca. 1050 °C aktivieren intrinsische Defekte und führen somit zu einer Degradation multikristallinen Siliziums. Deshalb wurde ein Oxidationsprozess bei 800 °C entwickelt, bei dem zugeführter Wasserdampf die Oxidationsrate deutlich erhöht. Die Verschlechterung der Materialqualität wurde somit fast vollständig verhindert. Die Konzepte zur Herstellung hocheffizienter Siliziumsolarzellen wurden an die speziellen Bedürfnisse multikristallinen Siliziums angepasst. Hierzu zählte auch die Strukturierung der Vorderseite zur verbesserten Lichteinkopplung. Für diese sogenannte Texturierung wurde ein Plasma-Prozess für eine bei niedrigen Temperaturen hergestellte Maske entwickelt, der unabhängig von der Kristallorientierung die Oberfläche ätzt. Zusammen mit einer sehr guten internen Verspiegelung wirkt diese Struktur als Lichtfalle, was besonders für dünne Wafer von Bedeutung ist. Die verspiegelte Rückseite besteht aus einer 100 nm dicken Oxidschicht und aufgedampftem Aluminium. Zur Kontaktierung wurde das Aluminium lokal mittels eines Laserstrahls durch das Oxid gefeuert. Mit der neuen Prozessfolge konnte die Lebensdauer der Ladungsträger deutlich erhöht werden, während gleichzeitig eine Zellstruktur mit sehr gut passivierten Oberflächen und exzellenten optischen Eigenschaften aufgebaut wurde. Wirkungsgrade von über 20 % auf Scheibendicken von weniger als 100 µm wurden erreicht. Diese wurden in kalibrierten Messungen unabhängiger Labore bestätigt. Die Werte von 20.3 % auf Zellflächen von 1 cm2 (VOC = 664 mV, jSC = 37.7 mA/cm2, FF = 80.9 %) und 19.8 % auf 4 cm2 (VOC = 638 mV, jSC = 38.8 mA/cm2, FF = 80.0 %) sind die höchsten bis heute veröffentlichten Werte für multikristallines Silizium. Dies erbrachte den Nachweis, dass multikristallines Silizium bei richtiger Prozessführung als Material für hocheffiziente Solarzellen eingesetzt werden kann.Die Wirkungsgrade der Solarzellen waren fast ausschließlich durch die Materialqualität begrenzt. Diese sind somit ideal für die Modellierung des Einflusses inhomogener Lebens-dauerverteilungen auf die Solarzellenparameter geeignet. Um die Verhältnisse in der Solarzelle möglichst genau nachzubilden, wurden für die Lebensdauermessung Proben eingesetzt, die auf der Vorderseite einen Emitter aufweisen und deren Rückseite mit einem Oxid passiviert ist. Die üblicherweise verwendeten Proben mit Siliziumnitridbeschichtung zur Oberflächenpassivierung bilden nämlich eine mögliche Materialverbesserung durch Emitterdiffusion oder eine Degradation durch Oxidation nicht ab. Allerdings ermöglichte der Emitter durch seine hohe Leitfähigkeit einen teilweisen Ladungs-trägerausgleich zwischen Bereichen hoher und niedriger Lebensdauer. Somit fielen die Messergebnisse in guten Bereichen zu niedrig und in schlechten Bereichen zu hoch aus, die lokale Materialqualität wurde bei einer solchen Probe nicht korrekt ermittelt. Mit Hilfe eines analytischen Algorithmus konnte jedoch die tatsächliche Lebensdauer berechnet werden, wie sie sich ohne Emitter darstellen würde. Dieser wurde für die Modellierung von Solarzellen in einem einfachen Modell benutzt, welches aus parallel geschalteten Elementarsolarzellen besteht. Anhand von 200 Solarzellen wurde experimentell bestätigt, dass eine korrekte Modellierung des Kurzschlussstromes und der offenen Klemmenspannung mit diesem Verfahren möglich ist.