Im Simulationsprogramm PC1D [CB97a] wird das folgende Mobilitätenmodell verwendet:
µ(T) =µmin·Tnβ1+(µmax−µmin)·Tnβ2
1 +
ND+NA
Nref·Tnβ3
αTnβ4 (A.1)
Dabei wird die auf Raumtemperatur normalisierte TemperaturTn=T /300Kverwendet. Zudem ist eine maximale Geschwindigkeit vsat der Ladungsträger vorgesehen, ab der eine high-field mobility berechnet wird:
µHF = µLF
1 +
µLF·E vsat
2 (A.2)
Dabei bezeichnet µLF die Mobilität aus Formel (A.1).
Als Parameter werden in den Simulationen dieser Arbeit folgende Werte verwendet:
Parameter Elektronen Löcher Einheit µmax 1417 470 cm2/V s
Werte für Majoritäten
µmin 60 37.4 cm2/V s Nref 9.64·1016 2.82·1017 cm−3
α 0.664 0.642
Werte für Minoritäten
µmin 160 155 cm2/V s Nref 5.6·1016 1.0·1017 cm−3
α 0.647 0.9
Thermisches Modell
β1 -0.57 -0.57
β2 -2.33 -2.23
β3 2.4 2.4
β4 -0.146 -0.146
vsat 1·107 1·107 cm/s
137
1.1 Zeitlicher Verlauf der Konzentration von Klimagasen . . . 1 1.2 Entwicklung der Eismassen eines europäischen Alpen-Gletschers zwischen 1985
und 2000. . . 2 2.1 Bänderdiagramm von Silicium . . . 6 2.2 Absorptionskoeffizient von Si bei 300K . . . 6 2.3 Energiediagramm von Elektronen und Löchern in Halbleitern . . . 7 2.4 Vergleich Fermi-Dirac- mit Boltzmannstatistik . . . 9 2.5 Ersatzschaltbild der Solarzelle im Zwei-Dioden-Modell . . . 16 2.6 Limitierung von Voc durch I01 im Zwei-Dioden-Modell . . . 17 2.7 Limitierung von Voc und FF durch I02 im Zwei-Dioden-Modell . . . 17 2.8 Limitierung von FF durch Rs im Zwei-Dioden-Modell . . . 18 2.9 Limitierung von FF durch Rp im Zwei-Dioden-Modell . . . 18 2.10 Einfluß der Waferdicke aufi0b in Abhängigkeit vonLb und Se . . . 20 3.1 Simulierter Wirkungsgrad verschiedener Solarzellenkonzepte auf industriellem
Ba-sismaterial. . . 24 3.2 Verwendete Annahmen für die Abhängigkeit der mechanischen Ausbeute von der
Wafer- bzw. Zelldicke. . . 25 3.3 Simulationen der Siliciumkosten pro Wp für verschiedene Szenarien. . . 26 4.1 Hocheffizientes LFC-Zellkonzept . . . 30 4.2 Prozessschema der hocheffizienten LFC-Solarzellen . . . 32 4.3 Industrie relevantes Siebdruck-Zellkonzept . . . 33 4.4 Prozessschema der industrierelevanten Siebdruck-Solarzellen . . . 34 4.5 Transfer-E-Chucks der Firma ProTec [Pro04]. Oben: Keramischer Träger, unten:
Polymer-Träger. . . 35 4.6 Optimierte Prozessfolge für dünne Wafer-Solarzellen . . . 36 5.1 Grundlegende Bruchmodi. . . 39
138
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 139 5.2 Schematische Darstellung der Rissentstehung in Silicium bei Vickers-Indentierung. 40
5.3 Bruchmethoden Kyek Pa und Ball-Ring . . . 41
5.4 Bruchmethoden Twisttest und 4-Balken-Bruchtest . . . 41
5.5 Mikroskopbilder von Bruchursprüngen von Wafern, die im Quickdump-Prozess gebrochen sind. . . 42
5.6 Mikroskopbilder von Bruchursprüngen eines Wafers, der während der Becherglas-entwicklung gebrochen ist sowie eines Rissendes in einem dünnen Wafer. . . 42
5.7 Bruchkräfte an geschliffenen, polierten, texturierten bzw. dünn gesägten Wafern in Abhängigkeit der Dicke. . . 44
5.8 Minimale Biegeradien an geschliffenen, polierten, texturierten bzw. dünn gesägten Wafern in Abhängigkeit der Dicke. . . 45
5.9 Mikroskopbilder eines bruchgetesteten Wafers mit geschliffener Oberfläche. . . 46
5.10 Mikroskopbilder eines bruchgetesteten Wafers mit geschliffener und polierter Ober-fläche. . . 46
5.11 Mikroskopbilder eines bruchgetesteten Wafers mit geschliffener und texturgeätzter Oberfläche. . . 47
5.12 Mikroskopbilder eines dünn gesägten und eines dünn geschliffenen Wafer. . . 47
5.13 Bruchstatistik bei der Solarzellenherstellung. . . 48
5.14 Prinzipskizze und Foto eines Bernoulli-Endeffektors. . . 49
5.15 Für dünne Wafer angepasste Chucks für Belacker und Belichter. . . 50
5.16 40µm dünner, geschliffener 4” Wafer . . . . 51
6.1 Eindringtiefe von elektromagnetischer Strahlung in Silicium und Sonnenspektrum AM1.5g . . . 54
6.2 Strahlengang im System invertierte Pyramiden mit AR-Oxid und Oxid-Al-Rückseite mit Rückseitenreflexion nach Phong . . . 56
6.3 Basore-Modell aus [Bas93] und berechnete Reflexion von SiO2-Al bei verschiede-nen Einfallswinkeln aus [Gre98a]. . . 57
6.4 Zur Entstehung von Oberflächenwellen bei Totalreflexion. . . 58
6.5 Berechnete Lichteinfangqualität verschiedener Texturen und Tiler’s pattern für optimierte Anordnung invertierter Pyramiden . . . 59
6.6 Reflexionsvergleich von Proben mit geschliffener und KOH-geätzter sowie polierter Rückseite . . . 62
6.7 Absorptionskoeffizienten von Al und Ag . . . 62
6.8 Reflexionsvergleich von Proben mit polierter Rückseite, beidseitiger Textur und Al- bzw. Ag-Rückseite . . . 63
6.9 Simulationen zum Einfluss von Rb undw aufjsc bei dicken und dünnen Zellen. . 64
6.10 Einfluss der Rückseiten-Oxiddicke auf die Reflexion. . . 66
6.11 Einfluss der FCA bei Industrie- und Hochleistungsemittern aufjsc bei dicken und
dünnen Zellen. . . 68
6.12 FCA-Einfluss in Abhängigkeit der Zelldicke bei interner Reflexion von 95%. . . . 69
6.13 Einfluss der FCA auf die Reflexion von Solarzellen auf hoch und niedrig dotiertem Material. . . 69
6.14 Reflexionsmessungen an Optikproben mit AR-Oxid auf Zufallspyramiden bzw. planer Oberfläche und Al-Rückseite bei unterschiedlichem LFC-Pitch. . . 70
6.15 Vergleich der aus der erweiterten IQE-Auswertung nach Basore ermittelten Rb -Werte von LFC- und PERC-Zellen. . . 72
6.16 Vergleich der Reflexion von ca. 70µm dünnen LFC- und PERC-Zellen. . . . 73
6.17 Vergleich Photogeneration fürRb nach Basore bzw. RAYN. . . . 74
6.18 Gemessene und mit PC1D-Modell simulierte jsc -Werte. . . 76
6.19 SIMS-Profil des verwendeten 120Ω/sq Emitters. . . 78
6.20 Simulierte Aufteilung des Dunkelsättigungsstromes bei verschiedenen Zelldicken für Material hoher und niedriger Diffusionslänge. . . 80
6.21 Mikroskopbilder von LFC-Kontakten bei 500µm und 1000µm Punktabstand. . . 84
6.22 SR-LBIC-Aufnahmen von einzelnen LFC- und PERC-Kontakten . . . 86
6.23 SR-LBIC-Aufnahmen von einzelnen LFC- und PERC-Kontakten . . . 86
6.24 Nach dem Fischer-Modell berechnete Sef f-Werte in Abhängigkeit der Zelldicke für variierenden Basiswiderstand und LFC-Punktabstand. . . 87
6.25 Nach dem Fischer-Modell berechneteVoc-Werte für variierenden Basiswiderstand und LFC-Punktabstand in Abhängigkeit der Zelldicke. . . 88
6.26 Nach dem 1-Dioden-Modell berechneteVoc -Werte im Vergleich zu Messungen . . 89
6.27 Sensitivität vonVoc dünner und dicker Solarzellen bzgl. Änderungen inSef f. . . . 90
6.28 Parametrisierungen vonSef f für verschiedene Basisdotierungen und LFC-Punkt-abstände. . . 92
6.29 Parametrisierungen von Sef f für verschiedene Basisdotierungen von PERC und LFC-Zellen mit 1000µm Punktabstand. . . . 93
6.30 Methode zur Bestimmung vonRS . . . 94
6.31 Absoluter FF-Verlust für 0.1 und 0.25Ωcm FZ Material bei variierender Zelldicke. 95 6.32 Absoluter FF-Verlust für 0.5ΩcmFZ und 0.8ΩcmCz Material bei variierender Zelldicke. . . 96
6.33 Absoluter FF-Verlust bei variierendem LFC-Punktabstand. . . 96
6.34 Bestimmte Serienwiderstände am MPP für 0.1 und 0.25 Ω cm FZ Material bei variierender Zelldicke. . . 97
6.35 Bestimmte Serienwiderstände am MPP für 0.5ΩcmFZ und 0.8ΩcmCz Material bei variierender Zelldicke. . . 98
6.36 Bestimmte Serienwiderstände am MPP bei variierendem LFC-Punktabstand. . . 98
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 141 6.37 Methode zur Bestimmung der Vorderseitenreflexion ohne wieder aus der Solarzelle
ausgekoppelte Reflexionsanteile. . . 100 6.38 Eindimensionale Zellsimulation im Vergleich zu Messwerten auf 0.1 Ωcm FZ
Ma-terial. . . 102 6.39 Eindimensionale Zellsimulation im Vergleich zu Messwerten auf 0.25 Ω cm FZ
Material. . . 103 6.40 Eindimensionale Zellsimulation im Vergleich zu Messwerten auf 0.5 Ωcm FZ
Ma-terial. . . 104 6.41 Eindimensionale Zellsimulation im Vergleich zu Messwerten auf degradiertem 0.8
Ωcm Cz Material. . . 105 6.42 Verlustkanäle für 0.5Ω cm FZ Material bei variierender Zelldicke. . . 109 6.43 Verlustkanäle für degradiertes 0.8 Ωcm Cz Material bei variierender Zelldicke. . . 109 7.1 Hocheffiziente RSK- und EWT-Solarzellenstrukturen. . . 116 7.2 Simulierte Wirkungsgrade von RSK- und EWT-Zellen in Abhängigkeit der
Basis-diffusionslänge. . . 117 7.3 Simulierte Wirkungsgrade von RSK- und EWT-Zellen in Abhängigkeit der
Basis-diffusionslänge und Passivierungsqualität der EWT-Lochinnenwände. . . 118 7.4 Simulierte Wirkungsgrade von industriellen EWT-Zellen in Abhängigkeit des
Schicht-widerstandes in der Löchern. . . 118 7.5 EWT-Zellstrukturen Basicund BBC-high-eta. . . 119 7.6 EQE-Messungen von EWT- und RSK-Zellen nach demBasic-Prozess bei
Beleuch-tung von Vorder- und Rückseite. . . 120 7.7 EWT-Zellkonzepthigh-eta. . . . 122 7.8 EQE-/IQE-Messungen von EWT- und RSK-Zellen nach demhigh-eta-Zellkonzept
auf degradiertem 1.4Ωcm Cz(B)-Material. . . 124 7.9 Entwicklung des Kurzschlussstromes von EWT- und RSK-Zellen auf Cz-Material
während der lichtinduzierten Degradation. . . 125 7.10 Entwicklung der Diffusionslänge des verwendeten Cz-Material während der
licht-induzierten Degradation. . . 125 7.11 Entwicklung des Kurzschlussstromes von EWT- und RSK-Zellen auf Cz-Material
während der lichtinduzierten Degradation. . . 126 7.12 Entwicklung vonjsc ,Vocund des Wirkungsgrades von EWT- und RSK-Zellen auf
1.4Ωcm Cz(B)-Material während der lichtinduzierten Degradation. . . 127 7.13 Vergleich der Zellkonzepte EWT, RSK und PERC auf degradiertem Cz-Material. 128
6.1 Gemessene, mit dem Sonnenspektrum gewichtete Reflexion für Proben mit inver-tierten Pyramiden, Antireflexoxid und verschiedenen Rückseitenkonfigurationen . 61 6.2 Simulierte RückseitenreflexionRb und Phong-Exponent wverschiedener
Rücksei-tenkonfigurationen mit invertierten Pyramiden ohne planen Anteil. . . 63
6.3 Rückseitenreflexionswerte für verschiedene Rückseiten-Oxiddicken. . . 65
6.4 Absorptionskoeffizient von undotiertem Si αSi im Vergleich zum mittleren FCA-Absorptionskoeffizienten eines Wafers mit NA = 3.255 ·1016 cm−3 und Gauß-Emitter (120 Ω/sq) bei Waferdicke 50 bzw. 250µm. . . . 67
6.5 Gefittete Rb- undw-Werte für verschiedene Zelldicken und LFC-Pitches. . . . 71
6.6 Parameter der verwendeten Siliciummaterialien. . . 80
6.7 Gemessene Sef f- und Lb-Werte der verwendeten Siliciummaterialien. . . 84
6.8 Gemessene Kontaktgeometrien der LFC-Rückseiten. . . 85
6.9 Fit-Werte des Fischer-Modells für Smet an LFC-Zellen. . . 87
6.10 Vergleich der Lb-Werte, die anhand Lebensdauerproben bzw. 1-Dioden-Fits an gemessenen Voc-Werten bestimmt wurden. . . 89
6.11 AngepassteSef f-Werte des Fischer-Modells für LFC-Punktkontakte. . . 90
6.12 Sensitivität der Sef f-Bestimmung über Voc -Anpassung für dünne und dicke So-larzellen. . . 91
6.13 Parameter der linearenRs,mpp-Anpassungen in Abhängigkeit der Zelldicke. . . 99
6.14 Parameter der linearen Rs,mpp-Anpassungen in Abhängigkeit des LFC-Metalli-sierungsanteils. . . 99
6.15 Verwendete Parameter für PC1D-Simulationen. . . 101
6.16 Beste Solarzellenergebnisse auf 0.1Ωcm FZ Material. . . 106
6.17 Beste Solarzellenergebnisse auf 0.25Ωcm FZ Material. . . 106
6.18 Beste Solarzellenergebnisse auf 0.5Ωcm FZ Material. . . 107
6.19 Beste Solarzellenergebnisse auf 0.8Ωcm Cz Material. . . 108
7.1 Beste Zellergebnisse der EWT-Chargen nach dem vereinfachten bifacialen BBC-Konzept Basic. . . 120
142
TABELLENVERZEICHNIS 143 7.2 Beste Zellergebnisse der EWT-Chargen nach demBBC-high-eta-Konzept. . . . . 122 7.3 Beste Zellergebnisse der EWT-Chargen nach demhigh-eta-Konzept. . . 123
Symbolverzeichnis
In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Symbole erläutert, die in dieser Arbeit verwen-det wurden. Dabei sind die Einheiten entsprechend der üblichen Verwendung angegeben, die zugehörigen SI-Einheiten sind u.U. leicht verschieden.
Symbol Einheit Bedeutung
α 1/cm Absorptionskoeffizient
De/h cm2/s Diffusionskonstante von Elektronen bzw. Löchern
EC eV Leitungsbandkante
EF eV Fermi-Energie
EF,C eV Quasi-Fermi-Energie der Elektronen EF,V eV Quasi-Fermi-Energie der Löcher
Eg eV Bandlücke, für Si: 1.12 eV
EV eV Valenzbandkante
Et eV Trap-Energieniveau
FF % Füllfaktor
Fmax N Bruchkraft
f,Fmet 1 Metallisierungsanteil
Ge/h 1/(cm3·s) Generationsraten von Elektronen bzw. Löchern
η % Wirkungsgrad
ηe/h eV elektrochemisches Potential von Elektronen bzw. Löchern i0 A/cm2 Dunkelsättigungsstrom bzw. Dunkelsättigungsstromdichte i01 A/cm2 Dunkelsättigungsstromdichte aus Basis und Emitter i02 A/cm2 Dunkelsättigungsstromdichte aus Raumladungszone i0b A/cm2 Basisdunkelsättigungsstromdichte
i0e A/cm2 Emitterdunkelsättigungsstromdichte jsc A/cm2 Kurzschlussstromdichte
λ nm Wellenlänge
Lb cm Basis-Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern Le/h cm Diffusionslänge von Elektronen bzw. Löchern
Lp µm Abstand der Rückseitenkontaktpunkte
n 1/cm3 oder 1 Anzahl der freien Elektronen oder Brechungsindex NA 1/cm3 Dotierkonzentration (Akzeptoren)
ND 1/cm3 Dotierkonzentration (Donatoren)
ni 1/cm3 intrinsische Ladungsträgerdichte, 9.65·109 cm−3 @ 300K [Sch98]
p 1/cm3 Anzahl der freien Löcher
145
Symbol Einheit Bedeutung
Re/h 1/(cm3·s) Rekombinationsraten von Elektronen bzw. Löchern rmin mm Minimaler Biegeradius vor Bruch
Rb 1 Rückseitenreflexion
Rgew 1 Mit dem Sonnenspektrum AM1.5g gewichtete Gesamtreflexion Rs Ωcm2 Serienwiderstand, flächenbezogen
Rp Ωcm2 Parallelwiderstand, flächenbezogen ρb Ωcm Basiswiderstand
ρsheet Ω/ Schichtwiderstand
Se,Sb cm/s Rückseitenrekombinationsgeschwindigkeit Sef f cm/s effektive Rekombinationsgeschwindigkeit
Shole cm/s Rekombinationsgeschwindigkeit der EWT-Lochinnenflächen Sf ront cm/s Vorderseitenrekombinationsgeschwindigkeit
Smet cm/s Rekombinationsgeschwindigkeit an den Rückseitenpunktkontakten Spass cm/s Rekombinationsgeschwindigkeit an den unkontaktierten
Rückseitenbe-reichen
τb µs Volumenlebensdauer
Voc mV Offenklemmspannung
w 1 Phong-Exponent
W µm Zelldicke
Wef f µm Effektive Zelldicke unter Berücksichtigung der Texturtiefe (üblicherweise gilt Wef f =W −5µm)