3.5 S OLARZELLENPROZESSIERUNG VON RGS
3.5.2 Ergänzungen zum Hochleistungs-Standardprozess
In diesem Abschnitt werden Ergänzungen bzw. Änderungen zum Standardprozess vorgestellt.
Zunächst sind in Tabelle 3.7 die Mittelwerte der IV-Parameter von Solarzellen aufgeführt, die nach dem Standardprozess, also ohne MIRHP-Passivierung und ARC, hergestellt wurden. Der in
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Klammern angegebene Wert entspricht dem theoretisch möglichen mittleren Wirkungsgrad bei Aufdampfen einer optimalen Doppelantireflexschicht, wie sie in Abschnitt 1.2.5 näher erklärt ist.
Die aufgeführten Messwerte dienen als Referenzen für die Solarzellen, die nach dem jeweils ab-geänderten Prozess hergestellt wurden.
Mittelwerte FF [%]
JSC
[mA/cm²]
VOC
[mV] η [%]
Mit Kanälen 60,9 20,0 507 6,2 (9,2)*
Ohne Kanäle 71,7 15,2 521 5,7 (8,4)*
* Theoretisch mit DARC
Tabelle 3.7: Mittelwerte von RGS-Solarzellen ohne MIRHP-Passivierung und ARC, die nach dem Standardprozess hergestellt wurden. Es ist unterschieden zwischen Zellen mit und ohne Inversionskanälen. Die Mittelung erfolgte über 8 bzw. 9 Zellen. In Klammern angegeben sind die gemittelten, theoretisch möglichen Wirkungsgrade bei Auf-bringen einer Doppelantireflexschicht.
3.5.2.1 Vorbehandlung
Abhängig von den Unebenheiten der Siliziumwafer kann es vor dem Defektätzen notwendig sein, einen mechanischen Planarisierungsschritt durchzuführen, um Probleme bei späteren Prozess-schritten wie beispielsweise der Photolithographie zu umgehen. Insbesondere RGS-Silizium ist ein Material, bei dem es bislang nicht möglich ist, herstellungsbedingte Unebenheiten an der Wa-feroberseite zu vermeiden. Abbildung 3.26 zeigt einen exemplarischen Bereich des Querschnitts eines unbehandelten Wafers. Die Dicke weist Schwankungen von bis zu 50 µm auf. Ohne einen Planarisierungsschritt würden Probleme bei der photolithographischen Definierung der vordersei-tigen Metallisierungi auftreten, da die Maske nicht mehr eng auf dem Wafer anläge.
Die Nivellierung der Oberfläche findet über einen Sägeschritt in einem definierten Abstand zur Waferrückseite statt. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Sägeschnitten beträgt etwas weni-ger als die Hälfte der Sägeblattbreite, so dass jeder Punkt auf dem Wafer zwei mal übersägt wird.
Somit lassen sich Unebenheiten weitgehend vermeiden. Anschließend muss der dadurch entstan-dene Sägeschaden, mit einer isotrop ätzenden Lösung (CP6ii) entfernt werden.
i Vgl. Abschnitt 1.1.5.1
ii Vgl. Abschnitt 1.1.1
3.5. SOLARZELLENPROZESSIERUNG VON RGS 83
Abbildung 3.26: Ausschnitt einer mikroskopischen Aufnahme des Querschnittes eines unplanarisierten RGS-Wafers. Es treten Dickenschwankungen um bis zu 50 µm auf.
3.5.2.2 MIRHP-Passivierung
RGS-Silizium spricht aufgrund seiner hohen Zahl von Defekten sehr gut auf eine Wasserstoffpas-sivierung an. Die unterschiedlichen PasWasserstoffpas-sivierungstechniken hiefür sind in Kapitel 1 näher erläu-tert. In dieser Arbeit kam ausschließlich die MIRHP-Passivierung zum Einsatz. Sie gestattet es, eine Passivierung an fertigen Solarzellen durchzuführen, so dass eine Quantifizierung der Steige-rungen in den IV-Parametern möglich ist. Durch den hohen Gehalt an interstitiellem Sauerstoff
> 1ּ1018 cm-3 ist allerdings die Mobilität der Wasserstoffatome stark herabgesetzti. Wie die Unter-suchungen aus Abschnitt 3.3 zu den D-Profilen bei verschiedenen Passivierungsdauern zeigen, ist selbst nach 24 h die Probe noch nicht vollständig von den Deuteriumatomen durchsetzt. Auch wenn die Diffusionskonstante von Deuterium aufgrund des Größenunterschiedes theoretisch um einen Faktor 2geringer ist als von Wasserstoff, so konnte doch in Abschnitt 3.3 gezeigt werden, dass die Diffusion von Deuterium bzw. Wasserstoff in RGS auch durch die Bindung an Defekte bestimmt wird, die für beide Isotope gleich sein sollte. Somit muss der oben genannte Faktor nach unten korrigiert werden. Wie sich eine unvollständige Passivierung auf die Zellparameter aus-wirkt, und ob es überhaupt notwendig ist, eine vollständige Passivierung zu erreichen, soll im Folgenden untersucht werden.
Es wurden Solarzellen nach dem Standardprozess hergestellt und anschließend schrittweise bis zu einer Gesamtdauer von 6,5 h passiviert. Die Temperatur betrug 350 °C bei einem Druck von 0,5 mbar. Da bei längerem Erhitzen einer Solarzelle die Gefahr besteht, dass Metallatome in die Raumladungszone diffundieren und den Emitter dadurch stellenweise kurzschließen, wurde ein etwas dickerer Emitter gewählt (60 Ω/□) als er normalerweise beim Hocheffizienzstandardprozess vorgesehen ist (80-100 Ω/□). Nach jedem Passivierungsteilschritt fand eine Messung der Zellpa-rameter statt.
In Abbildung 3.27 sind die Differenzen der jeweiligen Messungen zu den Ausgangswerten abge-bildet. Es ist ein deutlicher Anstieg sowohl in JSC als auch in VOC zu verzeichnen. Offenbar ist selbst nach einer Passivierungsdauer von 6,5 h die Sättigung noch nicht erreicht. Da der Füllfaktor allerdings bei dieser Passivierungszeit bereits deutlich abfielii, wurde das Experiment hier ab-gebrochen.
i Siehe Abschnitt 3.3.
iiDurch das oben beschriebene Eindiffundieren von Atomen aus der Metallisierung in die Raumladungszone wird I02
erhöht und der Füllfaktor erniedrigt.
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Abbildung 3.27: Mittlere Steigerungen der IV-Parameter nach unterschiedlichen Passivierungszeiten. Die Mittelung erfolgte über je 3 Zellen aus RGS-Material ohne Antireflexschicht mit vielen und wenigen Inversionskanälen.
Der Unterschied zwischen kanalreichen und kanalarmen Zellen im Ansprechen auf eine Passivie-rung ist verständlich, wenn man bedenkt, dass Ladungsträger in kanalreichen Materialien nur kur-ze Strecken diffundieren müssen, um einen Kanal zu erreichen und zum Gesamtstrom beitragen zu können. Eine Verbesserung der Materialqualität wirkt sich daher nicht so gravierend aus wie in kanalarmem Material. Es lässt sich jedoch schließen, dass die Sättigung der IV-Parameter in ka-nalreichem Material aufgrund der Tatsache, dass die Ladungsträger auch aus tieferen Schichten zum Emitter gelangen können, später auftritt als in kanalarmem Material. Aufgrund der zu kurzen Passivierungsdauer lässt sich dies allerdings nicht aus den Diagrammen herauslesen. Der hohe Zuwachs im Füllfaktor bei den kanalarmen Zellen weist auf eine Passivierung der Defekte in der Raumladungszone hin. Anders verhält es sich bei kanalreichem Material. Hier dominieren die Parallelwiderstände durch die vergrößerte Emitteroberfläche und die Raumladungszone, die tief in das Volumenmaterial hineinreichen.
Diese Untersuchung zeigt, dass in RGS-Silizium selbst nach Passivierungsdauern von 6,5 h noch keine Sättigung der IV-Parameter abzusehen ist. Da noch längere Verweildauern bei so hohen Temperaturen für Solarzellen aus oben erwähnten Gründen nicht möglich sind, muss der Passivie-rungsschritt nach dem letzten Hochtemperaturschritt (Al-Gettern) und vor der
photolithographi-3.5. SOLARZELLENPROZESSIERUNG VON RGS 85
schen Definierung des vorderseitigen Metallgrids in den Zellprozess integriert werden. Auf diese Weise umgeht man die Füllfaktorverluste und erhält die Möglichkeit, die Passivierungsdauer be-liebig zu verlängern. In Tabelle 3.8 sind die gemittelten IV-Parameter zweier Chargen mit Was-serstoffpassivierung während und nach dem Zellprozess zusammengestellt. Die Zellen der ersten beiden Zeilen erhielten eine H-Passivierung nach dem Prozess für eine Stunde bei 350 °C, wäh-rend diejenigen der zweiten Zeile im Zellprozess für 24 Stunden bei 450 °C und nach dem Zell-prozess für eine weiter Stunde bei 350 °C passiviert wurden. Die Solarzellen mit einer H-Passivierung im Prozess weisen deutlich höhere Zellparameter auf, als diejenigen, die eine ein-stündige Passivierung nach dem Prozess erhielten. Die Verlagerung der Passivierung in den Zell-prozesses führt gegenüber der Passivierung nach dem Prozess zu einer relativen Wirkungsgrad-steigerung von über 12%rel.
Tabelle 3.8: Gemittelte IV-Parameter von Zellen mit einer H-Passivierung während und nach dem Zellprozess. Die Mittelung erfolgte über jeweils 9 Zellen. In Klammern angegeben ist der theoretisch erreichbare, mittlere Wirkungs-grad bei Aufbringen einer Doppelantireflexschicht. Zusätzlich sind die relativen Steigerungen im Vergleich zu den in Tabelle 3.7 angegebenen Werten ohne MIRHP-Passivierung aufgeführt. Es war nicht ausreichend kanalreiches Mate-rial vorhanden, um Solarzellen mit einer H-Passivierung im Prozess zu prozessieren.
3.5.2.3 Mechanische Texturierung der vorderseitigen Waferoberfläche
Die Reflexion einer flachen Solarzelle mit photolithographisch definiertem Frontgrid und ohne Antireflexschicht liegt gewichtet mit dem Sonnenspektrum im Bereich zwischen 36-40%. Mehr als ein Drittel der eingestrahlten Lichtleistung geht somit bei Solarzellen mit unbehandelten Ober-flächen verloren. Dieser Anteil kann durch eine OberOber-flächentextur deutlich reduziert werden. Die verschiedenen Möglichkeiten sind in Abschnitt 1.2.1 näher erläutert. Während in Siliziummateria-lien mit hohen Diffusionslängen der Minoritäten die Hauptaufgabe für eine Textur darin besteht, die Einkoppelwahrscheinlichkeit der Photonen zu erhöhen und den Strahlengang durch Umlenken zu verlängern, ist in RGS noch ein weiterer Umstand zu beachten, der eine Textur wünschenswert
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macht. Sind keine Inversionskanälei im Material vorhanden, so sind alle Ladungsträger verloren, die in Tiefen generiert werden, die deutlich größer sind als die Diffusionslänge. Sie rekombinie-ren, bevor sie die Raumladungszone erreichen. In [105] konnte mit Hilfe von Simulationen ge-zeigt werden, dass die Ladungsträgergeneration bei einer mechanisch texturierten Oberfläche zum Großteil bereits in den Spitzen stattfindet. Da der Emitter diesem Profil folgt, müssen die La-dungsträger nur eine kurze Strecke diffundieren, um die Raumladungszone zu erreichen, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sie zum Gesamtstrom beitragen können.
Abbildung 3.28 präsentiert im linken Diagramm die Reflexionskurven einer flachen und einer mechanisch texturierten Solarzelle ohne Antireflexschicht. Zusätzlich sind die zugehörigen inter-nen Quantenausbeuten dargestellt.
Abbildung 3.28: Links: IQE- und Reflexionskurven einer flachen und einer mechanisch texturierten RGS-Solarzelle. Das schräge Einkoppeln der Photonen führt bei der mechanischen Textur zu einer vermehrten Ladungs-trägergeneration in der Nähe der Raumladungszone und somit zu einem Anstieg der IQE im langwelligen Spektralbe-reich. Rechts: Zum linken Diagramm zugehörige Dunkelkennlinien. Die texturierte Zelle weist aufgrund der vergrö-ßerten Raumladungszone einen höheren Dunkelstrom auf.
Diese wurden erst nach der Abscheidung einer Antireflexschicht bestimmt. Da die interne Quan-tenausbeute jedoch von der Reflexion unabhängig ist, spielt dies für den größten Teil der Messda-ten keine Rolle. Nur im kurzwelligen Spektralbereich (< 420 nm) tritt eine verminderte QuanMessda-ten- Quanten-ausbeute aufgrund von Absorption in der Antireflexschicht auf. Die Kurvenverläufe zeigen, dass die V-Textur, durch die schräge Einkopplung der Photonen im langwelligen Spektralbereich, zu einer erhöhten Quantenausbeute führt. Dieser Sachverhalt ist in Abbildung 3.29 nochmals an den IQEs der beiden Zellen verdeutlicht. Die Wafer der beiden Zellen waren Folgescheiben der Sel-ben Charge. Im Bereich des Busbars wurde die linke Zelle nicht texturiert und weist in etwa die gleichen Quantenausbeuten auf wie die Flache Zelle. Im mittleren und unteren, texturierten Be-reich hingegen treten aufgrund der schrägen Einkopplung der Photonen höhere IQEs auf. Die
i Vgl. Abschnitt 3.2.1
3.5. SOLARZELLENPROZESSIERUNG VON RGS 87
Messung erfolgte bei einer Wellenlänge von 980 nm.
Abbildung 3.29: Lateral aufgelöste Darstellung der internen Quantenausbeute eines Viertels einer mechanisch textu-rierten (links) und einer flachen Solarzelle (rechts). Die Messung erfolgte bei einer Wellenlänge von 980 nm. Auf-grund der schrägen Einkopplung bei Vorhandensein einer Textur Erfolgt die Ladungsträgergeneration näher an der Raumladungszone und führt zu einer erhöhten IQE.
Die vergrößerte Emitteroberfläche der texturierten Zelle hat zur Folge, dass erhöhte Rekombinati-onsverluste in der Raumladungszone auftreten können. Dies kann zu einer Zunahme der Dunkel-stromdichte J02 führen. Im rechten Diagramm von Abbildung 3.28 sind die Dunkelkennlinien der beiden Solarzellen dargestellt. Aus den Kurvenverläufen zwischen 0,2 und 0,4 mV lässt sich ein höherer Wert für J02 der texturierten Zelle erkennen. Anpassungen einer Fitkurve an die Messwer-te liefern einen Dunkelstrom von 5ּ10-8 A/cm2 für die flache und 1,2ּ10-7 A/cm2 für die texturier-te Zelle.
Für die Prozessierung von RGS-Solarzellen wurde im Rahmen dieser Arbeit nur die mechanische Textur zum Strukturieren der Oberfläche als zusätzlicher Prozessschritt eingeführt. Hierfür stand ausschließlich RGS-Material mit einer geringen Anzahl an Inversionskanälen zur Verfügung. Die gemittelten Zellparameter der auf diese Weise prozessierten Zellen sind in Tabelle 3.9 zusam-mengestellt. Ohne Antireflexschicht machen Vergleiche zu flachen Zellen wenig Sinn. Daher ist in der zweiten Zeile nur der theoretische Zuwachs bei Abscheiden einer DARC aufgeführt. Eine zusätzliche Antireflexschicht sollte, unter Berücksichtigung der bereits durch die Textur vermin-derten Reflexion, den Wirkungsgrad theoretisch auf über 13% steigern können.
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Tabelle 3.9: Mittlere IV-Parameter nach der Anwendung eines mechanischen Texturschrittes. Die MIRHP-Passivierung erfolgte während des Prozesses. Gemittelt wurde über 6 Zellen. Ebenfalls aufgeführt ist der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad bei zusätzlicher Abscheidung einer Doppelantireflexschicht. In dieser Tabelle ist es nicht sinnvoll reletiven Steigerungen anzugeben, da sich die Reflexion geändert hat. Trotzdem vergleichbar sind jedoch die theoretischen Wirkungsgrade mit einer DARC. Daher ist in Klammern der theoretische Zuwachs im Wirkungsgrad im Vergleich zu dem theoretischen Wert aus Tabelle 3.8 für flache Solarzellen mit einer geringen Zahl an Inver-sinskanälen aufgeführt.
3.5.2.4 Antireflexschicht
Zeitlicher Aufwand und Komplexität der Abscheidung einer Doppelantireflexschicht verhindern, dass diese Art der Reflexionsminderung standardmäßig bei allen prozessierten Solarzellen An-wendung findet. Daher wurde das Verfahren nur an ausgesuchten Zellen mit besonders hohen Wirkungsgraden durchgeführt. Das Diagramm in Abbildung 3.30 präsentiert die Reflexionskur-ven der besten flachen und mechanisch texturierten Solarzelle vor und nach Abscheiden einer ZnS/MgF2-Doppelantireflexschichti. Während die über das Sonnenspektrum gewichteten Reflexi-onen vor der Abscheidung 38,2% bzw. 22,3% betrugen, konnten sie durch die DARC auf ca. 6%
bzw. 7,3% reduziert werden. Die Restreflexion der mechanisch texturierten Solarzelle liegt damit deutlich höher als dies für mechanisch V-texturierte Zellen mit DARC üblich istii. Eine Untersu-chung des Frontgrids zeigte, dass bei der photolithographischen Definierung der vorderseitigen Metallisierung ein Fehler unterlaufen ist, wodurch die Finger bei dieser Zelle um ca. 60%rel breiter sind als die gewünschten 20-25 µm. Dies erhöht die Restreflexion um ca. 1,9%abs.
In Tabelle 3.10 sind die IV-Parameter der besten, im Rahmen dieser Arbeit hergestellten RGS-Solarzellen aufgeführt. Die theoretisch maximale Kurzschlussstromdichte für flache RGS-Zellen ohne Inversionskanäle liegt gemäß Abbildung 3.7 für Lebensdauern von 1,5 µs bei ca. 17,5 mA/cm2. Dieser Wert wird von der besten flachen Zelle mit 18,1 mA/cm2 leicht übertrof-fen, was auf eine erhöhte Einsammelwahrscheinlichkeit durch die Anwesenheit von Kanälen schließen lässt. Die Zahl der Kurzschlüsse reicht jedoch nicht aus, um den Füllfaktor oder die offene Klemmspannung wesentlich zu beeinträchtigen. Mit einem Wirkungsgrad von 12,6% bzw.
12,8%iii nach der Abscheidung einer DARC, ist dies bisher die beste untexturierte, aus
i Siehe Abschnitt 1.2.5.
ii Vgl. Abschnitt 4.4.3.7
iii Unabhängige Messung am EC JRC in Ispra (Italien)
3.5. SOLARZELLENPROZESSIERUNG VON RGS 89
Silizium hergestellte Solarzelle. Die Parameter der besten texturierten Zelle sind in den letzten beiden Zeilen angegeben. Dies ist bisher die erste RGS-Solarzelle, mit einem Rekordwirkungs-grad von über 13%.
Abbildung 3.30: Reflexionskurven einer mechanisch und einer nicht texturierten RGS-Solarzelle ohne (rot) und mit einer Doppelantireflexschicht (schwarz). Die gewichteten, mittleren Restreflexionen liegen bei 38,2% bzw. 22,3%
ohne DARC und 6% bzw. 7,3% mit DARC.
Beste Zelle FF [%]
JSC
[mA/cm²]
VOC
[mV] η [%]
Ohne Textur
Vor DARC 78,3 18,1 563 8,2 (12,7)*
Nach DARC 78,3 27,8 577 12,6 12,8+
Mit Textur
Vor DARC 76,6 24,2 566 10,8 (13,7)*
Nach DARC 76,6 30,3 574 13,2
*Theoretisch mit DARC
+ Unabhängige Messung am EC JRC in Ispra (Italien)
Tabelle 3.10: IV-Parameter der besten in dieser Arbeit hergestellten RGS-Solarzellen. In den ersten Zeilen sind die Parameter einer flachen Zelle vor und nach Aufbringen einer DARC angegeben. In Klammern ist zusätzlich der theo-retisch erreichbare Wirkungsgrad bei Abscheiden einer optimalen DARC aufgeführt. Diese Zellen wurden zur Bestä-tigung am EC JRC in Ispra (Italien) vermessen. Der dort ermittelte Wirkungsgrad ist zusätzlich in rot angegeben. Die dritte und vierte Zeile präsentiert die Ergebnisse der besten mechanisch texturierten Solarzelle vor und nach Aufbrin-gen einer DARC.
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