Publikation:

Rückkontaktzellkonzepte für großflächige, kristalline Siliziumsolarzellen

Lade...
Vorschaubild

Dateien

KnaussDiss.pdf
KnaussDiss.pdfGröße: 10.8 MBDownloads: 439

Datum

2007

Autor:innen

Knauss, Holger

Herausgeber:innen

Kontakt

ISSN der Zeitschrift

Electronic ISSN

ISBN

Bibliografische Daten

Verlag

Schriftenreihe

Auflagebezeichnung

DOI (zitierfähiger Link)
ArXiv-ID

Internationale Patentnummer

Angaben zur Forschungsförderung

Projekt

Open Access-Veröffentlichung
Open Access Green
Core Facility der Universität Konstanz

Gesperrt bis

Titel in einer weiteren Sprache

Back-contact cell concepts for large-area, crystalline silicon solar cells
Publikationstyp
Dissertation
Publikationsstatus
Published

Erschienen in

Zusammenfassung

The objective of this thesis was the development of a crystalline silicon back contact solar cell, where the cell design was to be predominantly suited for mono-crystalline, large area substrates. The production sequence was to be based on technologies applicable in an industrial environment.

In the past, a large number of back contact solar cell concepts have been introduced. Reviewing their specific properties leads to the conclusion that our demands are best met by the Metallisation Wrap Through (MWT) cell concept. Therefore the focus of this thesis is the investigation and production of MWT solar cells.

The design of the MWT concept resembles that of conventional solar cells that have a collecting emitter on their front side which is contacted by a finger grid. The busbars, however, are shifted to the rear side of the cell. An electrical connection between fingers on the front side and the busbars on the rear side is established by a relatively small number of holes (less than 1 hole per cm^2) in the cell area.
Due to the gain in active area through the relocation of the busbars, the cell concept promises higher efficiencies on the cell level. In addition, it offers advantages when interconnecting the cells in modules. On the one hand, simplified technologies based on pick-and-place can be introduced, which gives rise to potential to cost reduction. On the other hand, loss through series resistance in the module can be greatly reduced since the connectors between the cells can be designed more generously as they cause no shadowing when placed on the rear of the cells. The latter becomes particularly important for large area cells where very high currents are generated.

For the production of MWT solar cells the robust thick-film process mostly used in industry was chosen as a baseline process . This process has to be adapted in several ways to enable the manufacturing of MWT instead of conventional solar cells.
An additional process step, the drilling of the interconnection vias, becomes necessary. This is usually carried out with a laser. Thereby the crystal is damaged in the regions near the holes. This laser-induced damage was analysed optically as well as by spatially resolved µPCD life-time measurements. Optical investigation showed a damage depth of more than 10 µm. µPCD life-time measurements allow the determination of the time necessary to remove the damage completely by chemical etching.
Further, the metallisation process has to be adjusted compared to the conventional cell process. This includes an adapted screen-printing process that allows for a reliable metallisation of the vias and thus a good electrical connection between the front and back side of the cell. Holes metallised with this adapted process show negligible series resistance of approximately 15 mOhm. An additional challenge is the identification of a silver paste suited for the metallisation of the busbars of a MWT cell. Here pastes with a low content of glass frit proved to be particularly well suited.

Even MWT cells produced with the adjusted and optimised process show I-V-characteristics that can not be described adequately with the two-diode-model. A calculation of parameters for the two-diode-model in the busbar region reveals that they differ greatly from those in the other regions of the cell, which have the design of a conventional cell. In particular, a high series resistance in the busbar region demands a description of the electrical properties of a MWT cell to be a parallel interconnection of these two different cells. After testing the model experimentally it was used to calculate the expected efficiencies of MWT solar cells with different contact designs. The purpose of this was to identify a contact arrangement which, on the one hand enables cell interconnection with conventional technology, and on the other hand promises efficiency improvement compared to conventional solar cells. Both requirements are fulfilled with a design that is close to the known PUM-design.

The adjusted cell process was used to process a larger batch of 83 mono-crystalline cells (15.6 x 15.6 cm^2) using the optimised contact arrangement. This resulted in an average of efficiency of 16.2%, which is an excellent result considering the cell size. Efficiency was further improved to 16.7% (best cell) by isolating the p-n-junction at the cell edges using a cut from the front side that replaces the original cut on the rear.
In principle, the production sequence is also appropriate for multi-crystalline substrates. This was demonstrated with multi-crystalline MWT solar cells with efficiencies of up to 15.4% (15.6 x 15.6 cm^2).

At the end of the thesis an alternative method of contact formation is described: electroless metallisation. Here the challenge turned out to be the deposition of mechanically stable contacts with good electrical properties. The best MWT solar cell with electrolessly deposited contacts had an efficiency of 16.9% (143.5 cm^2, Cz-Si), which underlines the principal suitability of the cell concept with electroless metallisation.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer kristallinen Silizium Rückkontaktsolarzelle. Das Zellkonzept sollte insbesondere für monokristalline, großflächige Substrate geeignet sein. Zur Herstellung der Zellen sollte ein industriell umsetzbarer Prozess verwendet werden.

In der Vergangenheit wurde eine Vielzahl von Rückkontaktzellkonzepten eingeführt. Ein Überblick der Vor- und Nachteile der einzelnen Konzepte führt zu dem Schluss, dass für die gewünschte Anwendung das Metallisation Wrap Through (MWT) Konzept am besten geeignet ist. Daher wurde der Schwerpunkt der Arbeit der Untersuchung und der Herstellung von MWT Solarzellen gewidmet.

Der Aufbau des MWT-Zellkonzepts gleicht dem von konventionellen Solarzellen, bei denen sich ein einsammelnder Emitter auf der Zellvorderseite durch ein Fingergitter kontaktiert wird. Lediglich die Busbars werden auf die Rückseite der Zelle verlegt. Die Verbindung zwischen Kontaktfingern auf der Zellvorderseite und den Busbars auf der Zellrückseite wird durch eine relativ geringe Zahl (weniger als 1 Loch pro cm^2) von Löchern in der Zellfläche hergestellt.
Aufgrund des Zuwachses an aktiver Zellfläche durch die Verlegung der Busbars verspricht das Zellkonzept höhere Wirkungsgrade auf Zellebene. Darüberhinaus bietet es Vorteile bei der Verschaltung der Zellen zu Modulen. Einerseits ermöglicht es die Einführung vereinfachter Technologien, die auf Pick-and-Place beruhen und verspricht somit eine Kostenreduzierung. Andererseits können Verluste im Modul, die durch den Serienwiderstand in den Verbindern entstehen, erheblich reduziert werden, da diese auf der Zellrückseite keine Abschattung erzeugen und somit großzügig dimensioniert werden können. Letzteres gewinnt insbesondere bei großflächigen Zellen in denen sehr hohe Ströme generiert werden an Bedeutung.

Zur Herstellung von MWT-Solarzellen wurde der in der Industrie dominierende, sehr robuste Prozess mit Dickfilm-Metallisierung gewählt. Der Prozess, der zur Herstellung konventioneller Solarzellen verwendet wird, muss für MWT-Zellen an verschiedenen Stellen angepasst werden.
Einen zusätzlichen Prozessschritt stellt die Erzeugung der Verbindungslöcher dar. Diese werden mit Hilfe von Lasern in die Zellfläche gebohrt. Dabei entsteht in der Umgebung der Löcher ein Kristallschaden. Dieser Kristallschaden wurde optisch und mit Hilfe von ortsaufgelösten µPCD-Lebensdauermessungen untersucht. Die optischen Untersuchungen ergaben Schadenstiefen von über 10 µm. Mit Hilfe von µPCD-Lebensdauermessungen konnte die Zeit ermittelt werden, die notwendig ist den Schaden vollständig durch chemisches Ätzen zu entfernen.
Weitere Anpassungen des Prozesses sind bei der Metallisierung der Wafer notwendig. Der zur Metallisierung verwendete Siebdruckprozess muss so angepasst werden, dass die Verbindungslöcher zuverlässig metallisiert werden, damit ein guter elektrischer Kontakt zwischen Vorder- und Rückseite entsteht. Mit dem angepassten Prozess metallisierte Löcher haben einen vernachlässigbaren Serienwiderstand von ca. 15 mOhm. Eine weitere Herausforderung stellt die Identifikation einer geeigneten Silberpaste zur Metallisierung der Busbars von MWT-Solarzellen dar. Hier erwiesen sich Pasten mit einem niedrigen Glaspulveranteil als besonders geeignet.

Auch mit dem angepassten und optimierten Prozess hergestellte MWT-Solarzellen weisen ungewöhnliche I-V-Kennlinien auf, die nicht mit dem einfachen Zwei-Dioden-Modell beschreibbar sind. Eine Berechnung der Parameter des Zwei-Dioden-Modells in der Busbarregion zeigt, dass diese dort erheblich von denen in der restlichen, konventionell aufgebauten Zelle abweichen. Insbesondere ein hoher Serienwiderstand in der Busbarregion macht es notwendig, die elektrischen Eigenschaften von MWT-Zellen als eine Parallelschaltung der beiden Zellteile zu beschreiben. Nachdem dieses Modell experimentell überprüft wurde, wurden mit ihm die Wirkungsgrade von MWT-Solarzellen mit verschiedenen Kontaktgeometrien berechnet. Ziel dabei war es eine Anordnung der Kontakte zu finden, die eine Verschaltung mit herkömmlicher Technologie ermöglicht und eine Verbesserung des Wirkungsgrads im Vergleich zu konventionellen Zellen verspricht. Beide Bedingungen erfüllt ein Design, das ähnlich dem schon bekannten PUM-Konzept ist.

Der angepasste Herstellungsprozess wurde dazu verwendet eine größere Charge von 83 monokristallinen MWT-Zellen mit der optimierten Kontaktgeometrie herzustellen. Dabei wurde ein für die Zellgröße (15.6 x 15.6 cm^2) sehr guter mittlerer Wirkungsgrad von 16.2% erreicht. Durch das Trennen des pn-Übergangs an der Zellkante mit einem Schnitt von der Zellvorderseite anstatt von der Rückseite konnte der Wirkungsgrad weiter verbessert werden, so dass die beste MWT-Solarzelle einen Wirkungsgrad von 16.7% erreicht.
Prinzipiell ist der Herstellungsprozess auch für multikristalline Substrate geeignet. Dies konnte anhand multikristalliner MWT-Solarzellen mit Wirkungsgraden bis zu 15.4% (15.6 x 15.6 cm^2) gezeigt werden.

Am Ende der Arbeit wurde auf eine alternative Methode zur Herstellung der Metallkontakte eingegangen: Die stromlose Metallabscheidung. Bei diesem Prozess bestand die Herausforderung darin, mechanisch stabile Kontakte mit guten elektrischen Eigenschaften herzustellen. Die beste MWT-Solarzelle mit stromlos metallisierten Kontakten erreichte einen Wirkungsgrad von 16.9% (143.5 cm^2, Cz-Si) was die prinzipielle Eignung der stromlosen Metallisierung für das Zellkonzept zeigt.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

Metallisation Wrap Through, MWT, Metallisation Wrap Through, MWT

Konferenz

Rezension
undefined / . - undefined, undefined

Forschungsvorhaben

Organisationseinheiten

Zeitschriftenheft

Zugehörige Datensätze in KOPS

Zitieren

ISO 690KNAUSS, Holger, 2007. Rückkontaktzellkonzepte für großflächige, kristalline Siliziumsolarzellen [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
BibTex
@phdthesis{Knauss2007Ruckk-9383,
  year={2007},
  title={Rückkontaktzellkonzepte für großflächige, kristalline Siliziumsolarzellen},
  author={Knauss, Holger},
  address={Konstanz},
  school={Universität Konstanz}
}
RDF
<rdf:RDF
    xmlns:dcterms="http://purl.org/dc/terms/"
    xmlns:dc="http://purl.org/dc/elements/1.1/"
    xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"
    xmlns:bibo="http://purl.org/ontology/bibo/"
    xmlns:dspace="http://digital-repositories.org/ontologies/dspace/0.1.0#"
    xmlns:foaf="http://xmlns.com/foaf/0.1/"
    xmlns:void="http://rdfs.org/ns/void#"
    xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#" > 
  <rdf:Description rdf:about="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/9383">
    <bibo:uri rdf:resource="http://kops.uni-konstanz.de/handle/123456789/9383"/>
    <dcterms:abstract xml:lang="eng">The objective of this thesis was the development of a crystalline silicon back contact solar cell, where the cell design was to be predominantly suited for mono-crystalline, large area substrates. The production sequence was to be based on technologies applicable in an industrial environment.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;In the past, a large number of back contact solar cell concepts have been introduced. Reviewing their specific properties leads to the conclusion that our demands are best met by the Metallisation Wrap Through (MWT) cell concept. Therefore the focus of this thesis is the investigation and production of MWT solar cells.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;The design of the MWT concept resembles that of conventional solar cells that have a collecting emitter on their front side which is contacted by a finger grid. The busbars, however, are shifted to the rear side of the cell. An electrical connection between fingers on the front side and the busbars on the rear side is established by a relatively small number of holes (less than 1 hole per cm^2) in the cell area.&lt;br /&gt;Due to the gain in active area through the relocation of the busbars, the cell concept promises higher efficiencies on the cell level. In addition, it offers advantages when interconnecting the cells in modules. On the one hand, simplified technologies based on pick-and-place can be introduced, which gives rise to potential to cost reduction. On the other hand, loss through series resistance  in the module can be greatly reduced since the connectors between the cells can be designed more generously as they cause no shadowing when placed on the rear of the cells. The latter becomes particularly important for large area cells where very high currents are generated.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;For the production of MWT solar cells the robust thick-film process mostly used in industry was chosen as a baseline process . This process has to be adapted in several ways to enable the manufacturing of MWT instead of conventional solar cells.&lt;br /&gt;An additional process step, the drilling of the interconnection vias, becomes necessary. This is usually carried out with a laser. Thereby the crystal is damaged in the regions near the holes. This laser-induced damage was analysed optically as well as by spatially resolved µPCD life-time measurements. Optical investigation showed a damage depth of more than 10 µm. µPCD life-time measurements allow the determination of the time necessary to remove the damage completely by chemical etching.&lt;br /&gt;Further, the metallisation process has to be adjusted compared to the conventional cell process. This includes an adapted screen-printing process that allows for a reliable metallisation of the vias and thus a good electrical connection between the front and back side of the cell. Holes metallised with this adapted process show negligible series resistance of approximately 15 mOhm. An additional challenge is the identification of a silver paste suited for the metallisation of the busbars of a MWT cell. Here pastes with a low content of glass frit proved to be particularly well suited.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;Even MWT cells produced with the adjusted and optimised process show I-V-characteristics that can not be described adequately with the two-diode-model. A calculation of parameters for the two-diode-model in the busbar region reveals that they differ greatly from those in the other regions of the cell, which have the design of a conventional cell.  In particular, a high series resistance in the busbar region demands a description of the electrical properties of a MWT cell to be a parallel interconnection of these two different cells. After testing the model experimentally it was used to calculate the expected efficiencies of MWT solar cells with different contact designs. The purpose of this was to identify a contact arrangement which, on the one hand enables cell interconnection with conventional technology, and on the other hand promises efficiency improvement compared to conventional solar cells. Both requirements are fulfilled with a design that is close to the known PUM-design.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;The adjusted cell process was used to process a larger batch of 83 mono-crystalline cells (15.6 x 15.6 cm^2) using the optimised contact arrangement. This resulted in an average of efficiency of 16.2%, which is an excellent result considering the cell size. Efficiency was further improved to 16.7% (best cell) by isolating the p-n-junction at the cell edges using a cut from the front side that replaces the original cut on the rear.&lt;br /&gt;In principle, the production sequence is also appropriate for multi-crystalline substrates. This was demonstrated with multi-crystalline MWT solar cells with efficiencies of up to 15.4% (15.6 x 15.6 cm^2).&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;At the end of the thesis an alternative method of contact formation is described: electroless metallisation. Here the challenge turned out to be the deposition of mechanically stable contacts with good electrical properties. The best MWT solar cell with electrolessly deposited contacts had an efficiency of 16.9% (143.5 cm^2, Cz-Si), which underlines the principal suitability of the cell concept with electroless metallisation.</dcterms:abstract>
    <foaf:homepage rdf:resource="http://localhost:8080/"/>
    <dspace:hasBitstream rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/9383/1/KnaussDiss.pdf"/>
    <dc:contributor>Knauss, Holger</dc:contributor>
    <dcterms:issued>2007</dcterms:issued>
    <dcterms:hasPart rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/9383/1/KnaussDiss.pdf"/>
    <dc:rights>terms-of-use</dc:rights>
    <dc:date rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2011-03-24T17:56:02Z</dc:date>
    <dc:creator>Knauss, Holger</dc:creator>
    <dcterms:title>Rückkontaktzellkonzepte für großflächige, kristalline Siliziumsolarzellen</dcterms:title>
    <dc:format>application/pdf</dc:format>
    <dcterms:rights rdf:resource="https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/"/>
    <dcterms:isPartOf rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/41"/>
    <void:sparqlEndpoint rdf:resource="http://localhost/fuseki/dspace/sparql"/>
    <dc:language>deu</dc:language>
    <dspace:isPartOfCollection rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/41"/>
    <dcterms:available rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2011-03-24T17:56:02Z</dcterms:available>
    <dcterms:alternative>Back-contact cell concepts for large-area, crystalline silicon solar cells</dcterms:alternative>
  </rdf:Description>
</rdf:RDF>

Interner Vermerk

xmlui.Submission.submit.DescribeStep.inputForms.label.kops_note_fromSubmitter

Kontakt
URL der Originalveröffentl.

Prüfdatum der URL

Prüfungsdatum der Dissertation

July 11, 2007
Finanzierungsart

Kommentar zur Publikation

Allianzlizenz
Corresponding Authors der Uni Konstanz vorhanden
Internationale Co-Autor:innen
Universitätsbibliographie
Begutachtet
Diese Publikation teilen