Thick Film Metallisation of Crystalline Silicon Solar Cells : Mechanisms, Models and Applications

Abstract

Die vorherrschende Technologie zur Kontaktierung von Silizium-Solarzellen in der Photovoltaikindustrie ist die Dickfilmmetallisierung. Die Vorteile dieser kostengünstigen Technologie liegen im hohen Durchsatz, der geringen Zahl an Prozessschritten und der Möglichkeit, von dem Erfahrungsschatz der Mikroelektronik zu profitieren. Ein Weg zur weiteren Reduktion der Kosten pro Wattpeak ist die Steigerung des Wirkungsgrades von Industriesolarzellen. Die Hauptverluste einer solchen Solarzelle sind zum einen materialinduziert, zum anderen eng mit der Dickfilmmetallisierung verknüpft.In dieser Doktorarbeit wird deshalb die Dickfilmmetallisierung von kristallinen Silizium-Solarzellen grundlegend untersucht. Konkurrierende Prozesse während der Kontaktbildung werden getrennt voneinander analysiert. Aus den daraus gewonnenen Erkenntnissen werden Modelle für die Kontaktbildung und die elektrische Leitung in einem Dickfilmkontakt erstellt. Diese Modelle werden angewendet, um eine Prozesssequenz zu entwickeln, die es ermöglicht, moderat dotierte Emitter (ND, Oberfläche = 4×10^19 cm^-3) mit einer Standard-Silber-Dickfilmpaste zu kontaktieren. Des Weiteren werden blei- und cadmiumfreie Silber- und Aluminium-Dickfilmpasten zur Metallisierung von Solarzellen entwickelt. Optimierte Pasten, die innerhalb des europäischen Forschungsprojekts EC2Contact entwickelt wurden, führen zur Herstellung von Industriesolarzellen, die den Wirkungsgrad bleihaltiger Referenzpasten erreichen. Dies ist der bisher höchste publizierte Wirkungsgrad, der mit bleifreien Dickfilmpasten erzielt wurde. Die entwickelten Pasten werden derzeit vom Projektpartner Metalor in den Markt eingeführt.Diese Arbeit ist in drei Teile unterteilt. Der erste Teil handelt von der Industriesolarzelle im Allgemeinen. In Kapitel 1 wird dieser Typ Solarzelle und sein Herstellungsprozess vorgestellt. Im 2. Kapitel werden die Hauptverlustmechanismen in typischen Industriesolarzellen identifiziert und untersucht. Typische Charakterisierungsmethoden, die in dieser Arbeit benutzt werden, werden eingeführt und angewendet. Abschließend wird der Einfluss des Kontaktfeuerungsprozesses auf die Solarzellenleistung untersucht.Die Untersuchungen des Silberdickfilmkontaktes auf Solarzellen werden im zweiten Teil vorgestellt. In Kapitel 3 wird die Entwicklung des Linienwiderstands aufgrund von Sintern der Silberpartikel im schnellen Feuerprozess mit Hilfe einer neu entwickelten Messmethode, der in-situ Linienwiderstandsmessung, untersucht. Die Mikrostruktur des Kontaktinterfaces von Silberdickfilmkontakten zu Silizium wird mit elektronenmikroskopischen Aufnahmen und Röntgenstrahlanalysen in Kapitel 4 untersucht. Die elektrische Kontaktbildung ist Inhalt des Kapitels 5. Der Fokus liegt hier auf der Rolle des Bleioxids, welches in der Glasfritte enthalten ist. Die Glasfritte ist Teil einer typischen Dickfilmpaste. Sowohl der Einfluss der Oberflächenkonzentration des Phosphors als auch der Oberflächentextur des Siliziums wird studiert. Aus den Erkenntnissen wird ein Modell der Kontaktbildung aufgestellt. In Kapitel 6 werden die elektrischen Eigenschaften des eingebrannten Silber-Dickfilmkontakts untersucht. Mit Hilfe von grundlegenden Metall-Halbleiter Gleichungen werden die Eigenschaften des Silberdickfilmkontakts simuliert und die Ergebnisse mit experimentellen Daten verglichen. Die Kinetik der elektrischen Kontaktbildung wird mit Hilfe der neu entwickelten In-Situ Kontaktwiderstandsmessung studiert. Des Weiteren wird der hilfreiche Effekt eines Forming Gas Anneals auf den Kontaktwiderstand des Silberdickfilmkontakts zum Silizium untersucht. Die Ergebnisse werden zur erfolgreichen Herstellung einer Solarzelle mit einem moderat dotierten Emitter mit einem Serienwiderstand von 0.7 Ohmcm^2 führen.Im dritten Teil wird die Entwicklung von bleifreien Dickfilmpasten zusammengefasst. Das in Kapitel 5 entwickelte Modell der Silberdickfilmkontaktbildung wird in Kapitel 7 angewendet, um geeignete Alternativen zum Bleioxid zu finden. Schließlich werden diese Untersuchungen zur erfolgreichen Entwicklung einer blei- und cadmiumfreien Silberpaste führen. In Kapitel 8 werden die Untersuchungen und Experimente zur Entwicklung einer blei- und cadmiumfreien Aluminiumpaste vorgestellt.