Optimierung der Kantenisolation mittels Laser

Abgesehen von oben gezeigter Untersuchung, die komplett am Lehrstuhl Bucher durchgeführt wurde, fanden diverse Untersuchungen in Zusammenarbeit mit Laserherstellern statt. Der verfügbare Laser am Lehrstuhl entspricht in einigen Punkten, wie schon erwähnt, nicht dem Prototypen eines Lasers, der in einer Produktionslinie eingesetzt werden könnte. Er hat eine fixe Optik, bei der der Strahl nicht bewegt werden kann, stattdessen wird der Wafer auf einem x-y-Tisch darunter hin und her bewegt. Außerdem wird er ausschließlich bei 1064 nm betrieben, was wie weiter oben ausgeführt nicht optimal für diese Anwendung sein dürfte. Die industriell eingesetzten Laser haben außerdem teilweise deutlich höhere Leistungen und vor allem höhere Leistungsdichten.

Aus diesen Gründen wurden einige Testreihen durchgeführt, bei denen die Solarzellen am Lehrstuhl vorprozessiert und dann vor Ort bei den Laserherstellern kantenisoliert wurden.

Da die Prozessierung von Solarzellen im Labor doch recht aufwändig ist, und erst mit der fertigen Solarzelle eine Aussage über die Qualität der Kantenisolation gemacht werden kann, wurde eine Teststruktur entwickelt, mit der direkt nach dem Laserschnitt, mit einer einfachen Messung, eine Aussage über das Ergebnis der Kantenisolation möglich war. Dies ist von großem Nutzen um vollständig ungeeignete Laserparameter schon von vorne weg auszuschließen.

Die Herstellung der Messstruktur entspricht im Prinzip weitgehend dem normalen Solarzellenprozess. Nach einer Ätzung des Sägeschadens, gefolgt von einer Reinigung in HCl und HF, werden die Wafer diffundiert (rote Schicht in Abbildung 4.7). Um die optischen Verhältnisse bei der Solarzelle zu simulieren, wird auch auf diesen Wafern eine Siliziumnitrid Schicht (blau) abgeschieden. Nach dem Absägen der Ränder wird die Vorderseite mit parallel laufenden Siebdruckfingern bedruckt. Dazu wird eine Standard Silberpaste verwendet. Diese wird anschließend getrocknet und eingefeuert. Die einzelnen Finger sind somit über den Emitter leitend miteinander verbunden.

Auf einem 10x10 cm² Wafer können so bis zu 45 Finger realisiert werden. Um einen möglichen Parametersatz des Lasers zu testen, wurden üblicherweise fünf Schnitte zwischen sechs benachbarten Fingern eingebracht, und anschließend der Widerstand zwischen den benachbarten Fingern mit einem einfachen Multimeter gemessen. Aus den fünf Werten wurde ein Mittelwert gebildet. Anhand dieses Wertes kann sofort entschieden werden, ob es sich um sinnvolle Parameter handelt beziehungsweise in welche Richtung man bei der Variation eines Parameters gehen muss.

In Abbildung 4.7 sind schematisch zwei Lasergräben eingezeichnet. Beim Rechten soll durch die Fortsetzung der (roten) Emitterschicht am Grabenboden angedeutet werden, wie

trotz der Trennung, durch den im Vergleich zur Emitterdicke tiefen Graben, eine leitende Schicht im Graben zurück bleiben kann. Wenn das Silizium nur teilweise verdampft und teilweise aufgeschmolzen wird, oder wenn die verdampften Anteile nicht abgesaugt werden, ist es möglich, dass sich eine Phosphor dotierte, leitende Schicht im Graben ausbildet.

Abbildung 4.7: Schematische Darstellung einer Teststruktur für die Kantenisolierung mittels Laser. Beispielhaft sind zwei Laserschnitte eingezeichnet.

Die gemessenen Widerstände zwischen zwei benachbarten, durch einen Laserschnitt getrennten Fingern hängen natürlich von vielen Faktoren ab. Um die Messung schnell und einfach zu halten, wird keine Vier-Spitzen-Messung durchgeführt, so dass die Übergangswiderstände zwischen Finger und Messspitzen mit eingehen. Die Leitfähigkeit der Finger, und vor allem der Kontaktwiderstand zwischen Finger und Emitter hängen von der Druckqualität, dem Emitter selbst und den Feuerbedingungen ab. Zu diesen im Allgemeinen unbekannten Größen addiert sich nun noch der zu untersuchende Widerstand durch den gelaserten Graben. In Abbildung 4.8 wird gezeigt, dass trotz dieser vielen Störfaktoren ein Zusammenhang zwischen gemessenem Widerstand an der Teststruktur und dem Parallelwiderstand an der fertigen Solarzelle besteht. Die Schnitte wurden auf der Vorderseite der Zellen eingebracht.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

0 500 1000 1500 2000

R Teststruktur [Ohm]

Rp [Ohm cm²]

Abbildung 4.8: Zusammenhang zwischen gemessenem Widerstand an Teststrukturen und dem Parallelwiderstand von mit denselben Parametern gelaserten Solarzellen.

Mit Hilfe der Teststrukturen kann der Parameterraum der verwendeten Laser nach geeigneten Parameterkombinationen durchsucht werden, bevor dann Versuche auf vorprozessierten Solarzellen gemacht werden. Die Parameter, die im Normalfall variiert werden, sind die

Scangeschwindigkeit über den Wafer, die Pulsfrequenz der Anregung und die Anregungsleistung. In obiger Untersuchung wurde die Pumpleistung des Lasers zwischen 39 und 40 A, die Pulsfrequenz zwischen 5 und 12,5 kHz und die Scangeschwindigkeit zwischen 100 und 350 mm/s variiert. Die Kombination von Scangeschwindigkeit und Pulsfreqeunz bestimmt, wieweit sich die erzeugten kreisförmigen „Laserkrater“ überschneiden. Die Kombination von Pulsfreqeunz und Anregungsleistung bestimmt die Energie pro Laserpuls.

Diese Energie zusammen mit dem Durchmesser des Laserstrahls auf dem Wafer ergibt die Leistungsdichte. In Abbildung 4.9 ist beispielhaft eine Optimierung für die Anregungsfrequenz des Lasers gezeigt. Es handelte sich dabei um einen Nd:YAG Laser der bei 39 A in der Grundmode TE0,0 betrieben wurde. Die Scangeschwindigkeit war in diesem Fall 160 mm/s.

Abbildung 4.9: Beispielhafte Darstellung einer Optimierung der Laserparameter für die Kantenisolation. Der gemessene Widerstand auf den Teststrukturen ist aufgetragen gegen die Anregungsfrequenz des Lasers.

Wie schon in Kapitel 4.6 wurden auch mit den industriellen Lasern Schnitte auf der Vorder- als auch auf der Rückseite der Zellen eingebracht. Diese Versuche wurden bei zwei verschiedenen Laserherstellern sowie beim Fraunhofer Institut für Werkstoffe und Strahltechnik (IWS) in Dresden durchgeführt. Als Referenzen wurden dabei entweder plasmageätzte Zellen oder Zellen mit abgesägter Kante benutzt. In Tabelle 4-1 sind die Ergebnisse eines dieser Tests aufgezeigt. Dazu wurden multikristalline Solarzellen mit 35 W/sq Emitter und Siliziumnitrid-Durchfeuerprozess gefertigt. Bei den Referenzen wurden die Kanten 1 mm vom Rand entfernt abgesägt. Die hierbei erreichten Parallelwiderstände sind mit ca. 10000 Wcm² erwartungsgemäß sehr gut. Durch die reduzierte Zellfläche geht ein Teil des möglichen Kurzschlussstromes Isc verloren, Jsc sollte aber unverändert bleiben. Wie schon im vorigen Kapitel gezeigt, ist beim Lasern auf der Rückseite ein Stromgewinn möglich, da die aktive Zellfläche um die Kante des Wafers und Teile der Rückseite vergrößert ist. Im Gegensatz dazu, geht beim Lasern auf der Vorderseite aktive Zellfläche verloren. In diesem Beispiel bis zu 3%. Dies kann zwar noch um einiges optimiert werden, ein gewisser Verlust wird aber immer bleiben, da es bei industriellen Taktzeiten von wenigen Sekunden nicht möglich sein wird, den Laserschnitt genau auf der Waferkante durchzuführen.

Bei den von hinten gelaserten Solarzellen sind die erreichten Parallelwiderstände ungenügend, so dass starke Einbußen im Füllfaktor und in der offenen Klemmenspannung die Folge sind. Bei den von vorne gelaserten Wafern sind die Parallelwiderstände in einem Bereich, der keine signifikanten Verluste im Wirkungsgrad der Solarzellen mehr verursacht.

Allerdings sind die erreichten Füllfaktoren teilweise immer noch deutlich schlechter als bei den Referenzen. Dies wird durch die Erhöhung des zweiten Diodenstromes verursacht. Nur bei den Solarzellen aus der letzten Zeile der Tabelle ist der Verlust im Füllfaktor so gering, dass durch leicht höheres Jsc und Voc der gleiche Wirkungsgrad als auf den Referenzen erreicht wird. Allerdings ist hier der Verlust an aktiver Zellfläche inakzeptabel hoch.

Tabelle 4-1: Ergebnisse von unterschiedlich gelaserten Solarzellen im Vergleich zu abgesägten Referenzen.

In einer Untersuchung des Fraunhofer ISE zusammen mit Industriepartnern scheint es allerdings gelungen zu sein, auch beim Lasern auf der Rückseite der Zellen zu akzeptablen Zellergebnissen zu kommen [Emanuel, Schneiderlöchner et al.; 2001]. Diese Experimente wurden aber auf Solarzellen aus der Industrie durchgeführt, die auf einem relativ niedrigen Wirkungsgradniveau von ca. 13% lagen und die kein Aluminium Back Surface Field hatten, sondern nur eine gridförmige Metallisierung mit Silber auf der Rückseite.

Gleichzeitig wurde von Mitgliedern der Universität Kiel gezeigt, dass sich bei Solarzellen aus der Industrie 80% der Kurzschlüsse am Rand befinden und 20% im Volumen der Zellen [Al-Rifai, Carstensen et al.; 2001]. Wenn das der Fall ist, kann bei einer Trennung des leitenden Emitters auf der Rückseite immer noch eine leitende Verbindung dieser Kurzschlüsse am Rand der Zelle mit dem vorderseitigen Emitter bestehen. Dies würde also die Aktivität oder den Einfluss dieser Kurzschlüsse am Rand nicht verringern. Erst bei einer Trennung auf der Vorderseite beziehungsweise dem Abätzen des gesamten Randes der Zelle, wie es beim Plasmaätzen geschieht, würde dieses Problem beseitigt werden. Diese Aussage deckt sich mit den Ergebnissen aus Kapitel 4.6, wo selbst beim Einsägen der Gräben auf der Rückseite der Parallelwiderstand und der Füllfaktor deutlich schlechter als bei den Referenzen sind.

Vom Prozessablauf her gesehen ist die Kantenisolation mit dem Laser als letzter Prozessschritt eher ungünstig. Das Material, das beim Lasern verdampft wird, soll zwar abgesaugt werden, trotzdem ist es wahrscheinlich, dass Teile davon sich irgendwo auf der Solarzelle niederschlagen. Es kommt durchaus auch häufig vor, dass sich direkt neben dem Graben Teile des Auswurfs ablagern. Daher kann es vorkommen, dass trotz Absaugung und eventueller Nachreinigung mit Druckluft Teile der Solarzelle abgeschattet sind. Für die Langzeitstabilität im Modul kann es auch von entscheidendem Nachteil sein, wenn lose oder

# A

[cm²]

Mittel Stabw. Mittel Stabw. Mittel Stabw. Mittel Stabw. Mittel Stabw.

Abgesägt 10 98 75,4 0,2 30,3 0,3 604,5 2,1 13,8 0,2 9240 3592

Hinten gelasert IWS 15 101 69,1 3,9 30,7 0,2 602,7 2,9 12,8 0,8 530 235

Hinten gelasert IWS 2 17 101 70,6 1,3 30,4 0,1 601,3 1,0 12,9 0,3 553 115

Vorne gelasert IWS 18 99,4 73,2 0,6 30,1 0,2 603,9 1,3 13,3 0,2 4032 3111

Vorne gelasert Industrie 1 18 98,6 73,7 0,7 30,0 0,1 602,5 0,5 13,3 0,1 8586 2601 Vorne gelasert Industrie 2 10 98 74,8 0,3 30,4 0,1 606,9 0,3 13,8 0,1 7644 3019

Rp

nur leicht gebundene Teilchen auf der Oberfläche liegen. Solche könnten mit einem nassen oder nasschemischen Reinigungsschritt entfernt werden, dieser würde aber die Vorteile des Lasers durch erhöhtes Handling und Kosten wieder zunichte machen.

Daher wäre es vorteilhaft, wenn der Laserschritt schon früher im Prozessblauf durchgeführt werden kann. Dabei bietet sich an, dies direkt nach der Diffusion durchzuführen.

Dann wäre kein zusätzlicher nasschemischer Prozess nötig und die Wafer müssten nicht zusätzlich umgehordet und getrocknet werden. Um dies zu untersuchen, wurde eine Testreihe mit acht Parametersätzen durchgeführt. Dazu wurde mit 150 multikristallinen Wafern (125x125 mm²) ein Standard Solarzellenprozess durchgeführt. Nach der Nummerierung der Wafer wurden diese gemischt und in die einzelnen Gruppen aufgeteilt. Nach der Emitterdiffusion wurden die Wafer verschickt und bei einem Laserhersteller behandelt. Bei den Wafern ab Nr. 100 wurde vor dem Verschicken das Phosphorglas entfernt. Zur Kantenisolation wurde wieder ein Nd:YAG Laser benutzt. Die dazu verwendeten Parametersätze führen bei fertigen Solarzellen zu akzeptablen Ergebnissen.

Aus jeder der 8 Gruppen wurden einige Zellen nach der Laserbehandlung 5 Minuten in einem Ultraschallbad gereinigt, andere wurden mechanisch mit einer Bürste gesäubert, um eventuelle Rückstände des Auswurfs zu entfernen, der Rest der Gruppe blieb ohne zusätzliche Reinigung. Das Abbürsten der Wafer hatte keinen Einfluss auf den Füllfaktor der gefertigten Solarzellen. Der Einfluss der Ultraschallreinigung blieb im Rahmen der Fehlertoleranzen, welche innerhalb der Gruppen schon relativ hoch war. Es ist daher schwierig, eine definitive Aussage bezüglich des Einflusses der unterschiedlichen Reinigungsschritte zu machen.

Allerdings lässt sich feststellen, dass keine der Kombinationen von Laserparameter und Reinigungssequenz bei diesem Experiment zu akzeptablen Ergebnissen geführt hat (vgl.

Abbildung 4.10). Bei keiner der Gruppen konnte ein mittlerer Füllfaktor von über 70%

erreicht werden.

Auffällig war allerdings, dass das Entfernen des Phosphorglases vor dem Lasern einen eindeutig positiven Effekt hat. In allen Gruppen waren diese Wafer besser als der Rest, unabhängig von der Art der anschließenden Reinigung. Das lässt den Schluss zu, dass der weiter oben beschriebene Effekt der Bildung einer dotierten leitenden Schicht im Lasergraben, durch das Vorhandensein des Phosphorglases, noch verstärkt wird. Aber auch diese besseren Ergebnisse sind noch immer auf einem inakzeptablen Niveau. Da teilweise dieselben Laserparameter als auf fertigen Zellen benutzt wurden, müssen die nachfolgenden Prozessschritte einen negativen Effekt auf die Kantenisolation haben. Denkbar ist dabei, dass sich durch die Ladungsinduktion der Siliziumnitrid Schicht leitende Schichten bilden, oder dass das Problem beim Drucken und Feuern entsteht. Bei der Standard Prozesssequenz wird das Plasmaätzen auch direkt nach der Emitterdiffusion durchgeführt. Das heißt prinzipiell könnten dieselben Probleme auch hier auftreten. Der Unterschied besteht darin, dass bei gelaserten Gräben nur ein ca. 30-100 µm breiter Bereich „überbrückt“ werden muss. Beim Plasmaätzen wird im Gegensatz dazu der gesamte Emitter an der Waferkante und durch die Unterätzung zwischen den Wafern auch auf der Vorder- und Rückseite noch bis zu 1 mm des Emitters weggeätzt. Die leitende Schicht, die sich während der folgenden Prozessschritte bilden müsste, wäre also um ein Vielfaches breiter als die Lasergräben.

Füllfaktor; ab Nr. 100 ohne PSG gelasert

Abbildung 4.10: Füllfaktoren in Abhängigkeit der Laserparameter bei der Kantenisolation. Der Laserschritt wurde in diesem Fall nach der Emitterdiffusion durchgeführt.