Die kristalline Siliziumsolarzelle : Untersuchung der Einzelprozesse und Entwicklung von Alternativen

Hauser, Alexander

Die kristalline Siliziumsolarzelle : Untersuchung der Einzelprozesse und Entwicklung von Alternativen

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Diss_Hauser.pdf(11.48 MB)

Date

2005

Authors

Hauser, Alexander

Title in another language

The crystalline silicon solar cell - investigation of process steps and development of alternatives

Publication type

Dissertation

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, für einen herkömmlichen Solarzellenprozess für Siliziumwafer die Technologien der Einzelprozessschritte aufzuzeigen, Alternativen dazu zu entwickeln und die-se zu charakterisieren. Ein typischer Prozess, von der Herstellung des Rohsiliziums bis zum fertigen Solarmodul wurde aufgezeigt und die dabei entstehenden Kosten diskutiert. Die Schätzungen der Gestehungskosten variieren zwischen 0,23 und 0,70 /kWh. Lernkurven zei-gen, dass spätestens im Jahr 2020 die Photovoltaik konkurrenzfähig zu anderen Energiequellen sein wird. Der erste Schritt im Solarzellenprozess ist die Entfernung des Sägeschadens, der beim Sägen der Wafer aus einer Säule entsteht. Für monokristalline Wafer wurden zwei alkali-sche Ätzrezepte entwickelt, die industriell anwendbar sind und gleichzeitig zu einer Texturie-rung der Oberfläche führen. Dies reduziert die Reflexion des Lichtes an der Oberfläche und erhöht die Einsammelwahrscheinlichkeit für generierte Ladungsträger. Für multikristallines Material funktioniert diese alkalische Texturierung aufgrund der unterschiedlichen Kristallori-entierungen nur unzureichend. Für dieses Material wurde eine Ätzlösung entwickelt, die im Vergleich zu bisher bestehenden Rezepten nur aus Wasser, Flusssäure und Salpetersäure be-steht. Dies vereinfacht die Prozessführung und die Nachdosierung. Im Vergleich zu herkömm-lich alkalisch geätzten Wafern konnte eine Wirkungsgradsteigerung von 14,6%, auf 15,6% im Mittel erreicht werden. Eingekapselt in ein herkömmliches Modul bestehend aus 36 Zellen war ein Gewinn in der Ausgangsleistung um 4,8% zu verzeichnen. Nach dem Sägeschadenätzen folgt im Allgemeinen die Emitterdiffusion. Die zwei am weitesten verbreiteten Methoden wur-den im Rahmen dieser Arbeit miteinander verglichen; die Gasphasendiffusion mit POCl3 als Dotierquelle und die Aufbringung eines Dotierstoffes mit anschließendem Hochtemperatur-schritt. Die Charakterisierung der fertigen Solarzellen zeigte Unterschiede zwischen den Grup-pen in einzelnen Parametern auf, im Wirkungsgrad der Zellen führten beide Methoden aber zu denselben Ergebnissen. Nach der Emitterdiffusion erhält man im Allgemeinen eine leitende Verbindung zwischen Vorder- und Rückseite der Solarzelle. Diese muss durch entsprechende Mittel unterbrochen werden. Die bestehenden Methoden wurden miteinander verglichen und eine neuartige Methode entwickelt. Die neu entwickelte Methode besteht im nasschemischen Entfernen des Emitters auf der Rückseite. Dies führt zu signifikanten Steigerungen im Wir-kungsgrad, bei gleichzeitiger Vereinfachung des Gesamtprozesses. Ein Großteil des in der Pho-tovoltaik eingesetzten Siliziums, hat im Ursprungszustand noch eine hohe Konzentration an intrinsischen Rekombinationszentren. Diese können teilweise aus dem Material gegettert oder mit Wasserstoff passiviert, das heißt elektrisch deaktiviert werden. Viele der bisherigen Nach-weismethoden für Wasserstoff sind sehr aufwändig oder ungenau. In dieser Arbeit wird ein Drei-Schichten-Modell vorgestellt, das mit Hilfe von Lebensdauermessungen der Minoritätsla-dungsträger, die Diffusion des Wasserstoffes in den Wafer detektiert. Die Überprüfung dieser Aussagen geschah durch Simulationen mit PC1D. Siliziumnitrid, vorzugsweise mittels PECVD (plasma enhaced chemical vapour deposition) Technik abgeschieden, ist die am weitesten ver-breitete Methode zur Wasserstoffpassivierung, da selbiger in großen Mengen in den Schichten enthalten ist. Die Siliziumnitridschicht dient weiterhin als Oberflächenpassivierung und Antire-flexschicht. Die beiden gebräuchlichsten, die Direktplasma- und Remoteplasmaabscheidung wurden miteinander verglichen. Die gefertigten Solarzellen zeigten in einzelnen Parametern leichte Unterschiede, das Wirkungsgradniveau war aber nahezu gleich für beide Technologien. Im letzten Kapitel wurde die Metallisierung der Solarzellen behandelt. Speziell wurde dabei auf eine neuartige Methode eingegangen, bei der zwei bewährte Verfahren in der Photovoltaik erstmals miteinander verknüpft werden: Das Lasern von Gräben und die Drucktechnik. Es konnte gezeigt werden, dass mit dieser Kombination die Abschattung der Zelle verringert wer-den kann, bei gleichzeitiger Vergrößerung des Querschnitts der Finger und der Kontaktfläche zum Emitter. In ersten Experimenten konnte so der Wirkungsgrad, im Vergleich zu konventio-nell bedruckten Solarzellen, um 0,5% absolut gesteigert werden. Zwei der neu entwickelten Alternativen zu den herkömmlichen Prozessschritten haben sich als sehr erfolgreich herausge-stellt: Die saure Texturierung und die nasschemische Entfernung des rückseitigen Emitters. Für beide Prozesse wurden zusammen mit einem Industriepartner Produktionsanlagen entwickelt, die inzwischen weltweit im Einsatz sind. Die saure Texturierung wurde zum Patent angemeldet und bis Mitte 2005 waren sieben Anlagen inklusive Prozesslizenz in der industriellen Fertigung.

Summary in another language

Aim of this work was to present all technologies for each single process step of a conventional solar cell process for silicon wafers. In addition alternatives were developed and characterised. Costs were discussed for a typical process from the manufacturing of the feedstock material to the finished solar module. The estimated costs for one kilowatt-hour vary between 0,23 and 0,70 /kWh. Learning curves show, that not later than 2020 photovoltaic is cost effective compared to other energy resources. The first step in the solar cell process is the removal of the saw damage that is built during the cutting of wafers from an ingot. Two alkaline etch solutions were developed for monocrystalline wafers that are industrial applicable and lead to a textured surface in one step. This reduces light reflection at the surface of the wafer and enhances the collection probability of the generated charge carriers. For multicrystalline silicon wafers this works only insufficient because of the different grain orientations. A etch solution was developed for this material, that consists only of water, hydrofluoric acid and nitric acid. Compared to other etch solutions for this material this simplifies the process control and the dosing. Compared to conventional alkaline etching a mean gain in efficiency from 14,6% to 15,6% could be reached. Laminated in a 36 cell module there was still a gain in output power of 4,8% relative. After the removal of saw damage usually emitter diffusion is carried out. The two most common methods were compared in this work; the gas phase diffusion with POCl3 and the deposition of a dopant source with a following high temperature step. The characterisation of the finished solar cells brought up some differences in cell parameters, but both methods lead to the same cell efficiency. After emitter diffusion there is a conductive layer between front and rear side of the cell. This layer has to be disconnected with an adequate method. In this work the existing methods were compared and a new method was developed. The new method works by etching of the rear side of the wafer with wet chemistry. This leads to a significant gain in efficiency and a simplified process flow. Most of the silicon that is used in the photovoltaic industry, still has a high concentration of intrinsic recombination centres after casting. These can be gettered to some degree or passivated with hydrogen, that means they become electrical inactive. For this reason hydrogen in silicon plays an important role in photovoltaics. Most the detection methods for hydrogen are either costly or inaccurate. In this work a three layer model is presented, that together with carrier lifetime measurements allow to detect the penetration of hydrogen into the wafer. The verification of these results was done with PC1D simulations. Silicon nitride, deposited by PECVD (plasma enhanced chemical vapour depositions), is the most common method to incorporate a hydrogen passivation in the solar cell process, because hydrogen is incorporated in the layer in high concentrations. Moreover the silicon nitride layer acts as surface passivation and antireflective coating. The most common methods, direct plasma and remote plasma deposition are compared in this work. For this purpose mono- and multicrystalline wafers were used to distinguish between bulk and surface passivation. For the multicrystalline material wafers from different suppliers and different positions of an ingot were used, because die hydrogen passivation effect depends on several properties of the silicon like Oxygen content or dislocation density. The finished solar cells showed slight differences for individual parameters, the solar cell efficiency was on the same level for both methods. In the last chapter the metallization of the solar cells was investigated. For the first time a method was developed, that combines two well established methods: the lasering of grooves and the screen printing technique. It could be proven, that with this combination the shadowing of the solar cells could be reduced while increasing the cross section of the printed finger and the contact area to the emitter at the same time. This leads to a lower series resistance and a reduced contact resistance. In first experiments the gain in efficiency was 0,5% compared to a conventional screen printing process. Two of the newly developed alternatives were quite successful. The acidic texturing process and the wet chemical removal of the rear side emitter. For both processes production equipment was developed together with an industrial partner, that are in use worldwide right now. The acidic texturing process was applied for patent and until mid of 2005 seven equipments were in production using a process licence.

Subject (DDC)

530 Physics

Keywords

industriell,Kantenisolation,Siliciumnitrid,Emitter,silicon,solar cell,industrial,hydrogen,texturing

Cite This

ISO 690

HAUSER, Alexander, 2005. Die kristalline Siliziumsolarzelle : Untersuchung der Einzelprozesse und Entwicklung von Alternativen [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz

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Examination date of dissertation

February 17, 2006