Charakterisierungsverfahren und industriekompatible Herstellungsprozesse für dünne multikristalline Siliziumsolarzellen

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2004
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Schneider, Andreas
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Characterisation Methods and Industry-compatible Manufacturing Processes for thin multi-crystalline Silicon Solar Cells
Forschungsvorhaben
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Zeitschriftenheft
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

The cumulative output of produced solar cells reached the 1 Gigawatt level in 2002. Assuming an annual growth rate of 40 %, as was seen in 2003, this will be the total produced power in 2004 alone. The consequence is a definite decline of Wattpeak-prices of solar cells. Simultaneously, the importance of the worldwide shortage of available silicon material is increasing. Therefore, the potential for cost reduction and material savings will play a major role in the future of the solar cell industry.
In addition to wafer area enlargement this demand could be filled by a reduction in material thickness. The number of wafers sawed from silicon blocks could be increased by 40 % by using 200 µm wafer thicknesses instead of 330 µm. A reduction in wafer thickness requires appropriate process adaptations. The conception, development and evaluation of a manufacturing sequence suitable for thinner wafers form the essence of the work in this thesis.
Reducing wafer thickness also reduces mechanical stability with a corresponding increase in the breakage rate in industrial production and therefore a production loss. To understand the reasons behind this material weakness, the mechanical properties of silicon wafers and the impact of different process steps on the material were investigated in detail in this thesis.
The alkaline etch process was found to increase the mechanical stability by 10 %, and high temperature steps were found to lead to a stability decrease. For damaged material, crack propagation after diffusion was found. To sort out cracked material, crack recognition methods are necessary, four are introduced in this work and evaluated. Two of these methods were enhanced for solar cells. The first is a mechanical stability test (Twist-Test), which showed a reduction in the breakage rate of 75 % when used in an industrial investigation.
The second crack detection method investigated was Laser-Scanning-Vibrometry, which was enhanced for crack recognition on solar cells. This method is based on a modal-analysis of wafers that are excited to mechanical swinging by acoustic waves. By comparing the resonance frequencies, cracks in silicon wafers were detected. In order to increase the recognition rate, different pattern recognition methods were tested using Finite-Element -simulations. The general capability for crack detection on silicon wafers was demonstrated with these results.
In addition to a decrease in stability, a reduction in cell thickness leads to strong bowing after metallization of solar cells. This could exceed the limits required for module fabrication. The reasons for this bowing and possibilities for its reduction are discussed in detail in this work. A fitting formula for bow-calculations is described. By reducing the amount of printed paste, the bowing was reduced by up to 35 % while maintaining cell efficiency. Aluminium concentration optimisations resulted in 60 % less bowing. Further reductions in the bow were realised by varying firing conditions, front grid designs, paste compositions and by special rear side screen designs. With these results, processing of wafers down to 160 µm thickness, sized 12.5*12.5 cm² with low bowing was demonstrated. The best cell efficiency of a 180 µm thick solar cell was 16 %.
Reducing the cell thickness has a direct effect on efficiency. The reduced thickness results in a reduced short circuit current due to the reduced light absorption and may result in a reduced open circuit voltage due to the increased influence of rear side recombination. To understand the influence of reducing the thickness on cell parameters, simulations and experiments on neighbouring material of varying thicknesses were done. The experiments showed a 7 mV reduction in open circuit voltage and 0.7 mA/cm² reduction in short circuit current with a reduction in wafer thicknesses from 305 µm to 120 µm. For cases where the diffusion length was greater than the cell thicknesses, this effect could be explained by rear-side recombination effects. In order to lower front-side reflection, novel plasma texturing was integrated into the industrial process developed for thin wafers. Following several optimisations, an increase in short circuit current of 0.9 mA/cm² and an increase in open circuit voltage of 2-3 mV were demonstrated.
The work in this thesis describes the physical boundary conditions for thin silicon wafer processing and demonstrates methods to reach high cell efficiency with modified industrial process sequences.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die kumulierte Gesamtleistung der produzierten Solarzellen erreichte erstmalig im Jahr 2002 die 1 Gigawatt Grenze. Unter Annahme einer Wachstumsrate von 40 %, wie sie in 2003 gegeben war, entspricht dies bereits der jährlichen Produktionsmenge im Jahre 2004. Dabei zeichnet sich ein deutlicher Verfall der Wattpeakpreise von Solarzellen an. Gleichzeitig deutet sich allerdings ein weltweiter Engpass an verfügbarem Siliziummaterial an. Daher erlangen Kostenreduktionspotenziale und Materialeinsparungen in der Photovoltaik eine essentielle Bedeutung.
Neben der Vergrößerung der Waferfläche kann vor allem durch Reduzierung der Waferdicke dieser Forderung nachgekommen werden. Die Anzahl der gesägten Wafer aus einem Siliziumblock kann bei einer Waferdicke von 200 µm im Vergleich zu 330 µm um bis zu 40 % erhöht werden. Allerdings erfordert die Verringerung der Waferdicke prozessbedingte Veränderungen. Die Ausarbeitung der Faktoren und die Entwicklung einer geeigneten Herstellungssequenz sind Hauptbestandteil dieser Arbeit.
Durch die Verringerung der Waferdicke wird die mechanische Stabilität reduziert, was sich in einer erhöhten Bruchrate in der industriellen Produktion mit damit verbundenem Produktionsausfall zeigt. Um die Ursachen dieser Materialschwächung zu verstehen, wird in der vorliegenden Arbeit detailliert auf die mechanischen Eigenschaften von Siliziumwafern eingegangen und die Auswirkungen der einzelnen Prozessschritte auf das Material gezeigt.
Der alkalische Ätzprozess steigert die mechanische Stabilität um über 10 %, wobei Hochtemperaturprozesse die Stabilität verringern. Bei vorgeschädigtem Material konnte beispielsweise eine Rissausbreitung während der Diffusion entdeckt werden. Um das rissbehaftete Material auszusortieren sind Erkennungsmethoden erforderlich, vier werden in dieser Arbeit vorgestellt und evaluiert. Zwei dieser Verfahren wurden für die Messung an Solarzellen weiterentwickelt. Dabei handelt es sich um einen mechanischen Belastungstest (Twist-Test) mit dem bei einer Vorort-Untersuchung in einer Solarzellenproduktion die Bruchrate um 75 % gesenkt werden konnte.
Des Weiteren wurde die Laser-Scanning-Vibrometrie, welche auf einer Modalanalyse von akustisch zu mechanischen Schwingungen angeregter Wafer beruht, zur Rissdetektion weiterentwickelt. Anhand von Verschiebungen der Eigenresonanz konnten so Risse in Siliziumwafern nachgewiesen werden. Zur Verbesserung der Risserkennungsrate wurden unterschiedliche Mustererkennungsverfahren auf Basis von Finite-Element -Simulationen überprüft. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte die generelle Eignung zur Risserkennung in der Photovoltaik gezeigt werden.
Neben der Stabilitätsverringerung führt die Verringerung der Zelldicke nach der Metallisierung der Solarzellen zu einer starken Verbiegung der Solarzellen, dessen Höhe die erlaubten Richtwerte der Modulhersteller überschreiten kann. Aus diesem Grund wurden die Ursachen und möglichen Verfahren zur Reduktion der Verbiegung detailliert untersucht. Eine angepasste Formel zur Berechnung der Verbiegung von Solarzellen konnte angegeben werden. Durch eine Verringerung der Pastenauftragungsmenge wurde die Verbiegung um 35 % bei gleichem Wirkungsgrad reduziert. Die Modifikation der Aluminiumkonzentration führte sogar zu 60 % niedrigeren Verbiegungen. Weitere Verringerungen wurden durch Variation der Feuertemperaturen, Frontseitengridstrukturen, der Pastenzusammensetzung und durch spezielle Rückseitensiebe erzielt. Mit Hilfe dieser Ergebnisse ist es nun möglich, Wafer bis zu 160 µm bei einer Größe von 12.5*12.5 cm² mit niedrigen Verbiegungen zu prozessieren. Der beste Wirkungsgrad einer 180 µm dicken Solarzelle lag bei 16 %.
Die Reduktion der Zelldicke wirkt sich unmittelbar auf den Wirkungsgrad von Solarzellen aus: Durch die geringere Zelldicke und Rückseiteneffekte wird der Kurzschlussstrom verringert und die Leerlaufspannung beeinflusst. Um den Einfluss der Dickenveränderung auf die Zellparameter zu verstehen wurden Simulationen und Experimente an benachbarten Wafern unterschiedlicher Dicke durchgeführt. Es zeigte sich dabei im Experiment eine Verringerung der Leerlaufspannung um 7 mV und der Kurzschlussstromdichte um 0.7 mA/cm² bei Waferdicken von 120 µm im Vergleich zu 305 µm. Für den Fall, dass die Diffusionslängen größer sind als die Zelldicken, konnte dieser Effekt auf die rückseitige Rekombinationsgeschwindigkeit zurückgeführt werden. Um die Frontseitenreflexion herabzusetzen, wurde eine neuartige Plasmatexturierung in den Zellprozess integriert, angepasst an die Erfordernisse der dünnen Wafer. Nach Durchführung mehrerer Optimierungen konnte eine Stromsteigerung um bis zu 0.9 mA/cm² und eine Erhöhung der Klemmenspannung um 2-3 mV gegenüber den flachen Referenzzellen erzielt werden.
Die Arbeit beschreibt die physikalischen Randbedingungen bei der Prozessierung von dünnen Siliziumwafern und zeigt Lösungswege um mit einer modifizierten industrienahen Prozessierung hohe Wirkungsgrade zu erzielen.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Bowing, Stabilitätsuntersuchung, Rissdetektion, Plasmatexturierung, Bowing, stability investigation, crack detection, plasma texturing
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690SCHNEIDER, Andreas, 2004. Charakterisierungsverfahren und industriekompatible Herstellungsprozesse für dünne multikristalline Siliziumsolarzellen [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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February 16, 2004
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