Möglichkeiten zur Optimierung

Die in 2.5.2 erwähnten Nachteile sind bereits vor langer Zeit im Labor gelöst worden.

Lösungsansätze zur Verbesserung der optischen Einkopplung des Lichts wurden mit der Antireflexschicht sowie der Textur bereits vorgestellt. Rekombination an den Oberflächen kann durch Reduzierung der effektiven ORG mit Hilfe der sogenannten Passivierung vermindert werden. Dabei kann man sich entweder mit einem Feldeffekt einer abgeschiedenen Schicht behelfen (siehe Kapitel 6.1.1) oder aber eine Absättigung der offenen Bindungen an der Oberfläche anstreben (sieh Kapitel 6.2.1).

Ein Konzept, welches die meisten Optimierungsmethoden berücksichtigt, wurde bereits 1986 von Blakers und Green mit der PERC⁶-Zelle vorgestellt [32]. Die Rückseite wird dabei mit einer dünnen, dielektrischen Schicht, bestehend aus Siliziumoxid, -nitrid oder -carbid beschichtet (siehe Abbildung 2-17 rechts). Die Dicke dieser Schicht reicht je nach Typ von 70 - 300 nm und erfüllt mehrere Zwecke: einerseits soll sie die Oberflächenzustandsdichte so weit absättigen, dass die Rekombination wirkungsvoll unterdrückt wird, andererseits dient sie zusammen mit der darüber liegenden Metallisierung als Spiegel für das transmittierte Licht. Diese Metallisierung wird auf die dielektrische Schicht mit Hilfe von PVD⁷-Verfahren aufgebracht und ist über Kontaktöffnungen in der nichtleitenden Passivierungsschicht mit dem Silizium verbunden. Diese Öffnungen bedecken lediglich einen geringen Anteil von wenigen Prozent der rückseitigen Fläche und reduzieren die hervorragenden optischen und elektrischen Eigenschaften der Rückseite nur gering. In Abbildung 2-17 links ist ein Vergleich von zwei verschiedenen Rückseitenmetallisierungen im Wellenlängenbereich von 850 - 1200 nm dargestellt. Die langwelligen Photonen haben bereits eine ausreichend hohe Eindringtiefe (siehe auch Abbildung 2-3 links), um einen Austritt an der Vorderseite nach doppeltem Durchgang durch die Solarzelle zu ermöglichen. Darum ist bei der Messung der Reflektion ein hoher Wert im langwelligen Bereich ein Zeichen für eine gute interne Reflektion der Rückseite. Aufgrund der Messergebnisse aus Abbildung 2-17 links kann darum festgehalten werden, dass die dielektrisch passivierte Rückseite eine deutlich bessere interne Rückseitenreflektion liefert als die nur mit Metall beschichtete Oberfläche.

Simulationen ergeben, dass mit diesen Schichtsystemen interne Reflektionen von annähernd 100 % erreicht werden können [29].

Auch für die Vorderseite gibt es bestehende Lösungsmöglichkeiten für die eigentlich erst durch die industrielle Produktion und damit die Abkehr von den Laborprozessen entstandenen Probleme. So werden zum Beispiel bei hocheffizienten Solarzellen an die Kontaktwiderstandsproblematik angepasste Emitter, sogenannte selektive Emitter [33], verwendet. Diese bestehen aus einem zweistufigen Diffusionsprozess, bei dem die Anforderungen der niedrigen Rekombination für den nicht metallisierten Bereich von denen des guten Metall-Halbleiter-Kontakts für den metallisierten Bereich getrennt werden können.

Dadurch entsteht ein Emitter, welcher in der Fläche nur schwach an der Oberfläche dotiert und flach eingetrieben ist, während er unter den Kontakten tief eindiffundiert ist und eine hohe Oberflächenkonzentration aufweist (siehe Kapitel 7.1.6).

Die erhöhte Abschattung aufgrund des schlechten Aspektverhältnisses der Vorderseiten-metallisierung wird im Labor mit Hilfe der Photolithographie umgangen. Dieses aus der Mikroelektronik bekannte Verfahren arbeitet mit photosensitiven Lacken, welche auf die Oberfläche aufgebracht werden. Durch selektives Belichten des Lacks durch eine Maske hindurch verändert dieser seine chemische Zusammensetzung derart, dass die belichteten Bereiche anschließend mit Hilfe von Lösungsmitteln herausgelöst werden können, während die unbelichteten stehen bleiben. Anschließend erfolgt im Falle der

6 Aus dem Englischen: „Passivated Emitter and Rear Cell“, d.h. Zelle mit passivierter Rückseite und Emitter

7 Aus dem Englischen: „Physical Vapour Deposition“, d.h. physikalische Gasphasenabscheidung. Gängigste Methoden hierfür sind das thermische Verdampfen sowie das Sputtern.

metallisierung eine Strukturierung der Antireflexschicht durch nasschemisches Ätzen in den so erzeugten Öffnungen. Abschließend wird eine wenige Nanometer dicke Saatschicht aus Metall ganzflächig mit PVD-Verfahren aufgebracht. Durch Lösen des restlichen Lacks haftet die Schicht lediglich an den bereits im Vorfeld geöffneten Stellen, während sie in den noch belackten Bereichen gemeinsam mit diesem abgehoben wird⁸. Anschließend wird die metallische Saatschicht bis zur gewünschten Enddicke galvanisch verstärkt, was zu einer Kontaktgeometrie wie in Abbildung 2-16 rechts führt. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, sehr kleine Strukturgeometrien korrekt generieren zu können, ist jedoch für die industrielle Herstellung zu teuer und zu aufwändig.

900 950 1000 1050 1100 1150

0 10 20 30 40 50 60 70

Rückseitenmetallisierung Aluminium 105 nm SiO₂ + Al

Reflektion R [%]

Wellenlänge λ [nm]

Abbildung 2-17: Links ist ein beispielhafter Vergleich der Reflektion im langwelligen Bereich für reines Aluminium auf Silizium sowie für eine mit 105 nm SiO2 dielektrisch passivierte Rückseite dargestellt. Rechts ist eine schematische Skizze der PERC Zelle zu sehen. Die über der dielektrischen Rückseitenpassivierung liegende Metallisierung ist durch lokale Öffnungen mit der Basis verbunden.

Unter Verwendung dieser und einigen weiteren Optimierungen ist es gelungen, mit einer beidseitig kontaktierten Struktur den Rekordwirkungsgrad von 24.7 % zu erreichen [2].

2.5.4 Rückseitenkontaktzellen

Mit Hilfe der gleichen technologischen Voraussetzungen wurden bereits früh viele weitere Zellkonzepte erfunden, die sich heute aufgrund des technischen Fortschritts den Weg in die industrielle Umsetzung bahnen. Die PERC-Zelle entspricht trotz vieler technologischer Verbesserungen noch dem bislang üblichen Bild der „vorderseitig kontaktierten“ Solarzelle, bei der vorne der Emitter und hinten die Basis angeschlossen wird. Ihr gegenüber stehen Zellkonzepte, welche eine noch weiter reduzierte Abschattung der Vorderseitenkontakte dadurch erzielen, dass diese Kontakte nicht mehr auf der Vorderseite zu finden sind, was zudem die Modulverschaltung deutlich vereinfacht. Diese Zelltypen nennt man Rückseitenkontaktzellen. Einige Beispiele werden im Folgenden vorgestellt.

8 daher auch die englische Bezeichnung „lift-off“

Metallization Wrap Through (MWT)

Die MWT-Zelle ist der einfachste Ansatz zur rückseitig kontaktierten Zelle. Bei ihr liegen sowohl der Basis- als auch der Emitterkontakt auf der Rückseite, was eine Verschaltung im Modul deutlich vereinfacht [34]. Die Anordnung der Kontakte auf der Rückseite wird dadurch erreicht, dass sich die zur Verlötung verwendeten sammelnden Busbars nicht mehr auf der Vorderseite, sondern auf der Rückseite der Solarzelle befinden. Sie sind mit den Fingern auf der Vorderseite durch Kontaktlöcher, sogenannte Via-Holes, verbunden. Bei einer an das konventionelle Zelllayout angelehnten Struktur befinden sich diese Kontaktlöcher an den Kreuzungspunkten der Finger mit den Busbars. Allerdings ermöglicht das MWT-Konzept auch andere Gridlayouts wie zum Beispiel die PUM-Zelle⁹ [35, 36], bei der die Finger in einem organischen Muster radial auf einen punktuellen Kontakt zulaufen.

Problematisch bei den Rückseitenkontaktzellen ist vor allem, dass auf der Rückseite die Basis- und Emitterbereiche sowie deren Metallisierung klar voneinander getrennt sein müssen, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Weiterhin erzeugt die Stromleitung durch die Löcher einen zusätzlichen Serienwiderstandsbeitrag, der beim Design der Zellen berücksichtigt werden muss.

Emitter Wrap Through (EWT)

Die EWT-Zelle ist eine Weiterentwicklung der Struktur der MWT-Zelle in Richtung komplett abschattungsfreie Vorderseite. Hier befindet sich keinerlei Metallisierung mehr auf der Vorderseite, sodass die am Emitter gesammelten Ladungsträger durch eine Vielzahl von Löchern, genauer deren hochdotierten Rand, an die Rückseite geleitet werden müssen [37].

Da der Leitungswiderstand auf der Vorderseite im Emitter deutlich größer ist als in einem Leitungsfinger, befinden sich die Löcher in engem Abstand (ca. 1 Loch / mm²) über die ganze Oberfläche verteilt. Dadurch verschärft sich das Problem der Definition von Emitter- und Basisbereichen auf der Rückseite weiter, da diese sich nun in einer großen Anzahl und in engem Abstand (übliche Werte sind hier ~ 1 - 2 mm) voneinander befinden müssen, um die ganze Rückseite bedecken zu können.

Das EWT-Konzept ist prädestiniert dafür, die Verfolgung von verschiedenen Ansätzen zu ermöglichen. Durch die beidseitig sammelnde Eigenschaft kann es zum Beispiel unter Verwendung eines technologisch relativ einfachen Ansatzes dafür dienen, die Bandbreite des verwendbaren Materials bezüglich der Reinheit und damit Lebensdauer der Ladungsträger zu erweitern. Durch das Fehlen einer dielektrischen Passivierung auf der Rückseite können dabei auch bestehende Technologien wie beispielsweise die Siebdruck-Metallisierung verwendet werden [38]. Eine zweite Ausrichtung des EWT-Konzepts kann andererseits daruf abzielen, mit mindestens vergleichbarer Materialqualität wie beim Standardprozess den Wirkungsgrad deutlich anzuheben. Hierzu werden dann die bereits oben erwähnten Optimierungsmöglichkeiten wie die rückseitige Passivierung, lokale Punktkontaktierung und ähnliches eingesetzt.

Interdigitated Back Contact (IBC)

Zur IBC-Zelle [39-41] gelangt man durch Verzicht auf die Kontaktlöcher bei der Herstellung einer EWT-Zelle. Auch hier sind die Basis- und Emitterbereiche an der Rückseite eng aneinander liegend. Im Gegensatz zur EWT-Zelle, die nahe der Vorderseite Ladungsträger trennen kann, welche dann durch die Löcher nach hinten geführt werden, muss bei der

9 Die Abkürzung rührt von der Bezeichnung „Pin-Up Module“ her, welche aufgrund des attraktiven Erscheinungsbildes der Solarzellen gewählt wurde.

Zelle die Trennung der Ladungsträger an der Rückseite erfolgen. Dadurch erfordert dieses Zelldesign eine sehr hohe Materialqualität, um die notwendigen Diffusionslängen der Ladungsträger erreichen zu können. Ist dies jedoch gegeben, kann mit der Zellstruktur rein rechnerisch ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden, da keinerlei Fläche verloren geht.

Abbildung 2-18: Schematische Darstellungen im Querschnitt einer Siebdruck-Zelle (links) sowie einer PERC-Zelle (rechts), beide mit einem einseitigen Emitter auf der Vorderseite.

Sie werden sowohl von vorne als auch von hinten kontaktiert und darum „vorderseitig kontaktiert“ genannt.

Abbildung 2-19: Schematische Darstellung der Zelltypen mit Kontaktlöchern. Links ist eine MWT-Zelle dargestellt, rechts eine EWT-Zelle. Sie unterscheiden sich vor allem durch die Anzahl der benötigten Löcher. Die EWT-Zelle hat darüber hinaus keinerlei Metallisierung auf der Vorderseite, während beim MWT-Ansatz noch Kontaktfinger zu finden sind.

Abbildung 2-20: Schematische Darstellung einer IBC-Solarzelle. Sie basiert faktisch auf einer EWT-Zelle ohne Löcher, hat dadurch jedoch deutlich höhere Anforderungen an die Qualität des verwendeten Basismaterials bzw. dessen Diffusionslänge.