Optimierte Prozessierung von iPERC‐Solarzellen

Aufgrund  der  in  den  Variationsexperimenten  erlangten  Erkenntnisse  bietet  es  sich  an,  die  identifizierten positiven Eigenschaften miteinander zu kombinieren. Hierzu wurde eine Gruppe von  Solarzellenexperimenten mit der Prozessführung, welche sich als am zuverlässigsten erwiesen hatte,  durchgeführt. Details zu den Optimierungsexperimenten sind in [173] zu finden. 

3.8.1 Herstellung von iPERC‐Solarzellen mit Standardemitter

In  diesem  Experiment  wurden  iPERC‐Solarzellen  mit  etabliertem  50  Ω/sq.  Emitter  ohne  Besonderheiten wie Oxidation oder selektivem Emitter auf kommerziell erhältlichem 156x156 mm²  Cz‐Si‐Wafern mit einem Basiswiderstand von 1,6 Ωcm durchgeführt. Dessen Lebensdauern von  350 µs nach POCl₃‐Gettern ist als hinreichend gut zu bewerten. Der verwendete Prozessfluss ist im  Folgenden dargestellt. 

Tabelle XXV: Prozessflussdiagramm des Experimentes mit homogenen Standardemittern. 

Es wurde zur Rückseitenmetallisierung vollflächig kommerziell erhältliche Paste C aus vorigem  Abschnitt verwendet. Die Vorderseite wurde mit einem Feinliniensieb gedruckt. 

Tabelle XXVI: IV‐Daten der besten Solarzellen mit Standardemitter. 

  V_oc [mV]  j_sc [mA/cm²]  FF [%]  η [%] 

Al‐BSF Referenz  633  36,8  78,0  18,2 

iPERC  641  38,2  77,5  19,0 

Differenz  + 8  + 1,4  ‐ 0,5  + 0,8 

Wie man an den IV‐Daten sehen kann, lässt sich wie bei allen PERC‐Zellen ein zuverlässiger  Stromgewinn von 1,4 mA/cm² realisieren. Auch die Spannung weist mit 641 mV nun weniger  Rekombination an der Rückseite auf. Der Füllfaktorverlust war hier mit 0,5% sehr begrenzt, was  unter anderem am Einsatz von Si‐Basismaterial mit niedrigem spezifischen Widerstand lag. Bei der  Streuung des Füllfaktors aufgrund von aufgetretenen Fingerunterbrechungen ist diese Größe jedoch  nur begrenzt aussagekräftig. 

Kofeuern

Siebdruckmetallisierung VS und RS Laserablation 90µm Linienkontakte Abscheidung Al₂O₃(15nm) und SiN_x:H (120nm)

PECVD SiN_x:H Antireflexbeschichtung Chemisches Entfernen des RS‐Emitters

POCl₃Emitterdiffusion 50Ω/sq.

Alkalische Textur

3.9 Kapitelzusammenfassung

In diesem Kapitel wird die Implementierung einer dielektisch passivierten Rückseite mittels Al₂O₃  motiviert und erstmalig auf mittels Siebdruckverfahren metallisierten Solarzellen demonstriert. Eine  deutliche  Steigerung der Effizienz  um  bis  zu 0,8%_abs wurde  festgestellt. Der  Ursprung  dieser  Effizienzsteigerung lässt sich auf einen höheren j_SC wegen verringerter Rekombination  an der  Rückseite und besserer interne Reflektion langwelliger Strahlung zurückführen. Auch eine höhere VOC  verglichen mit einem Al‐BSF wird beobachtet,  lediglich der FF  der Solarzellen  sinkt aufgrund  zusätzlicher Serienwiderstandsterme ab. 

Es wurden die wesentlichen physikalischen Eigenschaften der resultierenden Solarzellen und der  Einfluss der Herstellungsparameter untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse beinhalten: 

 Die Dicke der Passivierschicht beträgt idealerweise 160 nm auf streuender Oberfläche für  optimalen optischen Gewinn. 

 Die Feuertemperatur  ist  auf  ein Maß  zu  begrenzen,  welches  die Frontkontaktbildung  zuverlässig ermöglicht, aber dennoch die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit der  Rückseite nicht zu stark anwachsen lässt. Eine geeignete Maßnahme, dies zu erreichen  bestehen im Erhöhen der Temperaturstabilität durch Abscheiden des Al₂O₃ bei höheren  Substrattemperaturen. Ebenfalls sinnvoll ist die Verwendung einer leicht kontaktierbaren Ag‐

Paste oder eines selektiven Emitters, um niedrigere Feuertemperaturen zu erreichen. 

 Als  Deckschicht  für  Al₂O₃ ist  ein  per Indirektplasma‐PECVD  abgeschiedenes SiN_x:H  zu  bevorzugen, welches kein Blistern des Passivierschichtstapels während des Feuerschrittes  aufweist. 

 Zur Öffnung der lokalen Kontakte eignet sich ein Pikosekunden‐Laser mit einer Wellenlänge  von  532 nm,  welcher  knapp  über  der  Ablationsschwelle  betrieben  wird,  um  den  resultierenden Laserschaden in der Basis zu minimieren. 

 Bei der Form der lokalen Kontakte sind Linien gegenüber Punkten zu bevorzugen, um die  Ausdiffusion von Si beim Legierungsprozess zu begrenzen. Für eine ausreichende Sättigung  der Paste am Kontaktort mit Si ist eine Mindestbreite der Linien von 60 ‐ 100 µm je nach  Paste und Feuerbedingungen notwendig. 

Unter der Randbedingung der Verwendung eines homogenen 50 Ω/sq. Emitters konnten Solarzellen  mit einer Effizienz von 19,0% hergestellt werden. 

Des Weiteren wurde ein analytisches Modell der lokalen Kontaktbildung und der damit verbundenen  Epitaxie eines lokalen BSF aufgestellt. Die Tiefe dieses BSF ist direkt abhängig von der lokalen Si‐

Konzentration in der Paste über dem jeweiligen Kontakt und wird durch die Diffusivität von Si in der  Al‐Paste, den Feuerbedingungen und der Zusammensetzung der Paste beeinflusst. Im Vergleich  dreier Pasten konnten drei unterschiedliche Eigenschaften ermittelt werden, welche die lokale BSF‐

Epitaxie fördern: 

 Eine geringe Diffusivität der Paste, um das Entfernen von Si vom Kontakt zu vermeiden. 

 Eine  hohe  Geschwindigkeit,  was  das  Nachlösen  von  Si  in  die  ausdiffundierende  Al‐

Pastenmatrix angeht. 

 Zusätzliches Si, welches bereits in der Paste vorhanden ist. 

Nach Berechnung resultierender Profile für die drei untersuchten Pasten und einer hypothetischen  Paste mit allen wünschenswerten Eigenschaften wurden FEM‐Solarzellensimulationen mit variablem  lokalen  BSF  durchgeführt,  auf  die  Simulationstechnik  wird  im  folgenden  Kapitel  genauer  eingegangen. Aus den Simulationen wurde ersichtlich, dass eine Optimierung der Rückseitenpaste  auf lokale Kontakte das Potential einer Wirkungsgradsteigerung um 0,3%_abs beinhaltet.  

3.9.1 Einordnung der Ergebnisse in aktuellen Fortschritt

Seit der Erstveröffentlichung Al2O3‐passivierter großflächiger Siebdrucksolarzellen [69] wurden von  zahlreichen Instituten und industriellen Forschungs‐ und Entwicklungseinrichtungen respektable  Ergebnisse auf diesem Solarzelltyp mit Al₂O₃ [70], [174] oder vergleichbarer Passivierung [175] 

demonstriert. Die höchste Effizienz einer industriellen PERC‐Solarzelle auf großer Fläche wurde 2012  von der Schott Solar AG vorgestellt. Durch Kombination eines hocheffizienten Rückätzemitters mit  einer schmalen, niederohmigen Metallisierung  wurde eine Effizienz von 21,0%  erreicht [176],  nachdem  im  Jahr  zuvor  durch  Kombination  eines  selektiven  Emitters  mit  dielektrischer  Rückseitenpassivierung eine Effizienz von 20,2% demonstriert werden konnte. 

Durch Fortschritte bei der Kontaktbildung gelingt es, immer hochohmigere Emitter mit niedrigem  Kontaktwiderstand zu kontaktieren [128]. Dadurch steigt das Spannungs‐ und Stromniveau der  beteiligten  Solarzellen,  vergleichbar  der  Verwendung  eines  selektiven  Emitters.  Es  wurden  Synergieeffekte  zwischen  optimiertem  Emitter  und  einer  dielektrisch  passivierten  Rückseite  nachgewiesen [175]. Auch werden Verfeinerungen der Druckverfahren, welche schmalere Finger,  größere  Fingerhöhen  und  damit  eine  niedrigere  Abschattung  bei  erhöhter  Fingerleitfähigkeit  ermöglichen, erfolgreich auf iPERC‐Zellen angewendet [177]. Des Weiteren findet im industriellen  Umfeld eine Weiterentwicklung der Pastentechnologie speziell für iPERC‐Anwendungen statt [178]. 

Die im Vergleich zu den zuvor zitierten Veröffentlichungen niedrigeren Solarzelleffizienzen sind dem  niedrigeren Ausgangsniveau des in dieser Arbeit verwendeten Referenzprozesses geschuldet. Der  beobachtete Effizienzgewinn verglichen mit vollflächig metallisierten Referenzen ist in den zuvor  zitierten  Veröffentlichungen  jedoch  von  derselben  Größe,  so  dass  sich  die  in  dieser  Arbeit  gewonnenen Erkenntnisse universell auf iPERC‐Solarzellen übertragen lassen.

4 Solarzellenanalyse und Optimierung