In diesem Kapitel werden die technischen Details der Herstellung von hocheffizienzen LFC- sowie von industriellen Siebdruck-Solarzellen vorgestellt. Den Abschluss bildet die Vorstellung eines Prozess-Schemas, das auf die Verwendung von ultradünnen Wafern optimiert ist.
4.1 Hocheffiziente LFC-Solarzellen
Um das photovoltaische Potenzial eines industriellen Silicium-Materials zu testen, ist es sinnvoll, ein Solarzellenkonzept zu realisieren, dass auf optimalem FZ-Material höchste Wirkungsgrade erzielt. In diesem Falle kann der Einfluss des Basismaterials am besten heraus gearbeitet werden.
Das PERC-Konzept mit LFC-Rückseite ist dafür hervorragend geeignet: Im Rahmen dieser Ar-beit wurde auf FZ-Material ein Wirkungsgrad von 21.4% erreicht. Die Solarzellen auf FZ-Material wurden dazu genutzt, ein eindimensionales optisches und elektrisches PC1D-Simulationsmodell zu validieren (Details hierzu siehe Kap. 6.2), dessen Anwendung mittels industriellem Cz-Material überprüft werden konnte.
Das hocheffiziente LFC-Zellkonzept ist in Abb. 4.1 schematisch dargestellt. Der Lichteinfang wird durch eine invertierte Pyramidentextur (hier als Zufallspyramiden dargestellt) sowie ein Antireflexoxid optimiert, das Vorder- und Rückseite passiviert. Der einstufige Emitter wird über POCl3-Diffusion in einem Rohrofen hergestellt und besitzt einen Schichtwiderstand von ca. 120 Ω/. Dieser Emitter wird durch ein photolithografisch definiertes TiPdAg-Grid kontaktiert, dass zunächst aufgedampft und dann galvanisch (mit Ag) verstärkt wird. Die rückseitige, 1µm dünne Al-Schicht wird lokal per Laser durch das Oxid gefeuert (LFC-Prozess, für weitere Details siehe [Schn04]).
In dieser Arbeit wurden nach dem LFC-Konzept auf runden, 4” großen monokristallinen Siliciumwafern Solarzellen hergestellt. Dabei entstanden jeweils 7 Zellen der Größe 2x2 cm2 auf jedem Wafer. Durch Anpassen des Laserprozesses konnte der LFC-Punktabstand auf einem Wafer variiert werden und damit dessen Einfluss auf die Solarzellenparameter sehr gut isoliert werden, da die Prozessbedingungen der 7 einzelnen Zellen des selben Wafers absolut identisch waren.
Die Prozessfolge für die Herstellung der LFC-Zellen ist in Abb. 4.2 zusammen gefasst.
Nachdem die urspünglich ca. 250 µm dicken Wafer mechanisch abgeschliffen und entweder trocken poliert oder 5 Minuten in 40% KOH nachgeätzt wurden, durchliefen sie die skizzierte
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Abbildung 4.1: Links: Schematische Darstellung des hocheffizienten LFC-Konzeptes. Die Vorderseite ist mit invertierten Pyramiden texturiert (hier als Zufallspyramiden dargestellt) und mit thermisch gewachsenem SiO2 passiviert. Der durch POCl3 diffundierte einstufige Emitter hat einen Schichtwiderstand von ca. 120 Ω/, die mit dem gleichen Oxid wie auf der Vorderseite passivierte Rückseite ist mit 1 µm Al bedampft und lokal durch den LFC-Prozess kontaktiert. Die Vorderseitenmetallisierung wird photolithografisch definiert, über Elektronen-strahlbedampfung (Ti / Pd / Ag) aufgebracht und anschließend galvanisch verstärkt. Rechts: 40 µm dünne Solarzelle mit LFC-Rückseitenkontakten. Die lediglich 1 µm dünne Al-Schicht auf der Rückseite verbiegt den Si-Wafer praktisch nicht.
Prozessfolge. Dabei wurden sie zunächst in Kunststoff-Carriern mit 25 Slots RCA-gereinigt (Re-aktive Substanzen: HNO3, HF, NH4OH und HCl, insgesamt 11 Einzelschritte). Es folgte eine Maskieroxidation bei 1050°C, wobei die Wafer in Quarzbooten eingehordert wurden und im un-teren Drittel in insgesamt 4 Quarzstäben auflagen. Dies genügte auch bei den dünnsten Wafern, um eine sichere Prozessierung zu ermöglichen. Nach der Oxidation folgte der Lithografie-Schritt für die Textur. Die Einzelschritte hierbei waren: Ausheizen auf Hotplate, Belacken auf rotie-rendem Vakuumchuck, Ausheizen auf Hotplate, Belichten, Entwickeln im Becherglas, Wässern, Oxidätzen, Wässern, Lackstrippen im Verascher (Halterung im Quarzboot) oder in 3er-Kaskade Aceton/Aceton/Isopropanol. Nach diesem Schritt wurden die Pyramiden in 8% KOH geätzt und danach gewässert. Im nachfolgenden PL-Schritt wurden die Emitterbereiche im Oxid geöffnet.
Vor der Emitterdiffusion im Rohrofen bei ca. 800°C musste noch eine HNF-Reinigung (Reaktive Substanzen: HNO3 und HF, insgesamt 5 Einzelschritte) durchgeführt werden, um die Öfen nicht durch eventuelle Rückstände zu kontaminieren. Das bei der Diffusion entstandene Phosphorsili-katglas wurde anschließend in HF abgeätzt, die Wafer danach gewässert. In der nachfolgenden Antireflex-Oxidation im Rohrofen wurde einerseits das passivierende und lichteinfangende Oxid auf Vorder- und Rückseite gewachsen, andererseits bei der Temperatur von 1050°C der Emitter auf die Solltiefe von ca. 1 µm eingetrieben.
Es folgte die Rückseitenmetallisierung durch Aufdampfen von 1µm Aluminium, die im Falle der PERC-Zellen durch einen PL-Schritt vorbereitet werden musste. Danach wurde die Vordersei-te photolithografisch strukturiert und mit Ti, Pd und Ag bedampft. Bei den Aufdampf-Prozessen wurden die Wafer in speziellen Blechen gehaltert und nach dem Aufdampfen zunächst im Ultra-schallbad und schließlich in einer 3er-Kaskade Aceton im Becherglas vom überflüssigen Metall gereinigt. Für die LFC-Zellen folgte nun der eigentliche Kontaktierungsschritt per Laser, wo-bei die Wafer ohne Vakuumhalterung auf den Bearwo-beitungschuck aufgelegt wurden. Nach der Kontaktierung folgte eine Sinterung bei 425°C unter Formiergas, die Wafer wurden wieder in Quarzbooten gehaltert. Nach dem Sinterschritt wurde photolithografisch ein Rückseitenschutz mit speziellem Galvaniklack aufgebracht, der die Aluminium-Rückseite vor der darauf
folgen-4.2. INDUSTRIERELEVANTE SIEBDRUCKSOLARZELLEN 31 den Galvanik schützte. In diesem Schritt, der die Vorderseitenmetallisierung auf ihre endgültige Höhe von 10-15 µm verdickte, wurden die Wafer in einer halbautomatischen Anlage durch je-weils zwei Klammern vertikal fixiert und nach programmierbaren Abständen in verschiedene Bäder eingetaucht. Darauf folgte die Lackentfernung im Becherglas in einer 3er-Kaskade Ace-ton/Aceton/Isopropanol und ein abschließender Sinterschritt.
Mit dem hier vorgestellten Prozess konnten hervorragende Wirkungsgrade auf allen Mate-rialqualitäten und Waferdicken erreicht werden. Die Tatsache, dass selbst mit einem so aufwän-digen und mechanisch belastendem Prozess ultradünne Solarzellen hergestellt werden konnten, unterstreicht die optimistischen Aussichten der industriellen Prozessierbarkeit von flexiblen Sili-ciumwafern.
In der Summe erfährt der Ausgangswafer bis zur endgültigen Solarzellenherstellung folgende mechanische Belastungen1:
• 42 Nasschemieschritte (d.h. manuelles Eintauchen und Entnehmen aus einer Flüssigkeit),
• 5 Rohrofenprozesse im Quarzboot bei mindestens 425°C,
• 3 Photolithografie-Schritte (mit manuellen Prozessen auf Heizplatten, Vakuumchucks, Be-lichtung im Maskaligner, Becherglasentwicklung und Quickdump-Rinser),
• 2 Aufdampfprozesse und
• die LFC-Kontaktierung.
Im Falle von PERC-Zellen entfällt der LFC-Schritt, dafür wird ein Photolithografie-Schritt vor dem Al-Aufdampfen eingefügt. Dieser Schritt ist wesentlich aufwändiger als die LFC-Kontaktierung und erhöht zudem das Bruchrisiko im Prozess. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit aus-schließlich ultradünne LFC-Solarzellen hergestellt und mit Referenz-PERC-Zellen verglichen.
4.2 Industrierelevante Siebdrucksolarzellen
Um einerseits die Anzahl der Prozessschritte zu reduzieren, andererseits auch eine direkte An-wendung dünner Wafer in der Industrie zu untersuchen, wurden sehr dünne Solarzellen mit einem industriellen Siebdruck-Prozess hergestellt. Dabei wurden pseudoquadratische Wafer der Größe 125x125 mm2 verwendet. Das Konzept ist in Abb. 4.3 schematisch gezeigt: Die wie die Rück-seite mit Zufallspyramiden texturierte VorderRück-seite (in der Abbildung plan dargestellt) wird in einem Hubschnurofen [Bir04] nach Druck einer Phosphor-Paste diffundiert (ca. 40 Ω/) und mit PECVD-SiNx beschichtet. Die Metallisierung auf beiden Seiten wird durch Siebdruck auf-gebracht und gleichzeitig schnell optisch gefeuert (RTF). Dabei ist die Rückseitenmetallisierung als ganzflächiges Al-BSF2 ausgeführt und kompensiert den parasitären Rückseitenemitter über.
Die Kanten wurden per Laser isoliert und von Hand gebrochen.
1Wie in Kap. 5 ausführlich dargestellt wurde, ist vorallem das Handling zwischen den Prozessen belastend.
Z.B. der Aufdampfprozess an sich beinhaltet kaum mechanische Belastungen, jedoch können die Wafer beim Be-und Entladen der Aufdampfbleche brechen.
2Das Al-BSF wird durch Drucken einer Al-haltigen Paste mit nachfolgendem Feuern hergestellt.