4 Dielektrika
4.1 Siliziumnitrid
4.1.3 SiN x :H-Schichten für Solarzellen
Die Erkenntnis der Schichtoptimierung wird nun auf Solarzelllevel überprüft. Dazu werden die Substrate der Gruppe 3 in fünf Untergruppen mit jeweils fünf Substraten aufgeteilt. Drei Gruppen erhalten das optimierte SiNx:H des Rezeptes J‘3. Einmal als SARC, einmal als DARC unter SiO2 und als DARC auf HF-gedippter Oberfläche. Als Referenzen werden zum einen eine DARC aus SiNx:H des Rezeptes Oxford und SiO2
und eine SiNx:H-SARC aus einer industriellen Anlage von Centrotherm (hier bezeichnet mit 3D Solar) verwendet.
Da die optimalen Schichtdicken immer von der Textur der Substrate abhängen, werden diese in Vorversuchen mittels eines Vergleichs von Reflexionsmessungen an beschichteten Testproben und simulierten Reflexionswerten bestimmt (Details siehe [130]).
Probleme beim Drucken der Kontaktfinger der Solarzellen führten zu großen Schwankungen des Füllfaktors und damit zu Schwankungen innerhalb der Untergruppen. Die Mittelwerte der Untergruppen sind daher wenig aussagekräftig. Ein Vergleich der Zellen mit dem jeweils höchsten Wirkungsgrad jeder Untergruppe ist jedoch möglich, da sich die Füllfaktoren dabei nur um etwas mehr als 1%abs
unterscheiden. Um auch diesen Unterschied noch auszublenden ist in Tabelle 4.5 zusätzlich die Pseudoeffizienz (jsc ൈ Voc) aufgetragen.
1,92 1,94 1,96 1,98 2,00 2,02 2,04 2,06 2,08 2,10 19,81
19,86 19,91 19,96 20,01 20,06 20,11 20,17
Luft SiO2 SiNx:H EVA SiNx:H Luft SiNx:H
Wirkungsgrad [%]
Brechungsindex
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Abbildung 4.11 stellt die Kurzschlussstromdichten der Zellen mit dem jeweils höchsten Wirkungsgrad jeder Untergruppe dar.
Abbildung 4.11: Kurzschlussstromdichte der jeweils effizientesten Solarzelle jeder Untergruppe [130].
Die gemessenen Kurzschlussstromdichten der DARC sind erwartungsgemäß höher als die der SARC. Nur im Fall der DARC mit vorherigem HF-Dip ergibt sich ein Wert im Bereich der SARC. Hier bewirkt die schlechte Oberflächenpassivierung eine Verringerung der Kurzschlussstromdichte. Der geringe Wert der Einfachschicht nach Rezept J‘3 erklärt sich mit der Inhomogenität der Dicke über die gesamte Zelle. Wie in Kapitel 3 dargelegt ist diese Inhomogenität in einer DARC kaum bemerkbar. Wie bereits nach der Simulation in Abbildung 4.10 zu erwarten war, unterscheiden sich die DARC nach Rezept Oxford in der Kurzschlussstromdichte kaum von der nach Rezept J‘3.
Interessant ist ebenso die Differenz der Kurzschlussstromdichte von SARC und DARC. Sie betragt ca. 0,5 mA/cm2 und liegt damit deutlich über dem in Kapitel 3 errechneten Vorteil (0,33 mA/cm2) einer DARC gegenüber einer SARC optimaler Dicke. Wahrscheinlich ist die Dicke der Schicht aus der industriellen Anlage (centrotherm PECVD) nicht optimal getroffen. Dies zeigt nochmals die größere Empfindlichkeit einer SARC gegenüber nicht optimaler Dicke der Schichten.
Die Grafik mit den offenen Klemmenspannungen der Zellen mit dem jeweils höchsten Wirkungsgrad jeder Untergruppe in Abbildung 4.12 zeigt, dass sich die schlechtere Oberflächenpassivierung der HF-gedippten Zelle besonders hier auswirkt.
Sie verliert über 4 mV im Vergleich zu der selben Schicht, die auf ein chemisch gewachsenes natürliches Siliziumoxid aufgebracht ist.
37,0 37,2 37,4 37,6 37,8 38,0 38,2 38,4 38,6
jsc [mA cm-2 ]
Fav SJ Sun S Oxf D Fav DJ3 JFav D HFJ33(HF-Dip)(HF-Dip) SiNx:H
J
SiNx:H + SiO2 Oxford
SiNx:H + SiO2 3D Solar
SiNx:H
J SiNx:H + SiO2
’ ’ ’
Abbildung 4.12: Offene Klemmenspannung der jeweils effizientesten Solarzelle jeder Untergruppe [130].
Der positive Einfluss einer SiO2 Schicht auf die Passivierqualität kann auch auf Zelllevel nachvollzogen werden. Die optimierte DARC führt zur höchsten offenen Klemmenspannung. Da die industrielle SiNx:H-Schicht, aufgrund einer vorteilhafteren Geometrie der Prozesskammer für große Substrate, Vorteile bei der Homogenität der Passivierqualität erwarten lässt, ist der erreichte Wert der optimierten DARC nochmals besser zu bewerten. Die geringe Differenz des Oxford Rezeptes zur optimierten Schicht und das gar bessere Abschneiden als die optimierte Einfachschicht liegt wahrscheinlich an einer geringeren Passivierhomogenität des optimierten Rezeptes.
Im in Abbildung 4.8 dargestellten Vergleich der impliziten Spannungen, der auf 5 x 5 cm2 Proben durchgeführt wird, ist die optimierte SARC dem Oxford Rezept mit und ohne SiO2 Schutzschicht überlegen. Der in Abbildung 2.10 gezeigte Gewinn von durchschnittlich 3 mV für die DARC kann hier nicht voll reproduziert werden. Da die Zellen hier deutlich höhere Wirkungsgrade zeigen ist eventuell das Zellkonzept ein limitierender Faktor für die Steigerung der offene Klemmenspannung.
In Tabelle 4.5 sind die Zellparameter der effizientesten Solarzellen aller Untergruppen angegeben.
Tabelle 4.5: Solarzellendaten der effizientesten Zellen jeder Untergruppe.
Untergruppe Voc(mV) jsc(mA/cm2) FF (%) (%) jsc ൈ Voc
J’3 SiNx:H-SARC 637,9 37,30 78,97 18,79 23,79
3D Solar SiNx:H-SARC 638,5 37,68 78,77 18,95 24,06
Oxford SiNx:H + SiO2-DARC 638,7 38,19 77,67 18,94 24,39
J’3 SiNx:H + SiO2-DARC 639,5 38,22 78,06 19,08 24,44
J’3 HF-Dip SiNx:H + SiO2-DARC 634,9 37,58 77,52 18,49 23,86
Der Gewinn an Effizienz für die optimierte DARC gegenüber der SARC liegt mit 0,29%abs wiederum deutlich über dem simulierten Wert (0,17%abs siehe Kapitel 3). In diesem Fall ist dies nachzuvollziehen, da wegen der verbesserten Spannung aufgrund einer besseren Passivierung, welche in der optischen Simulation vernachlässigt wird, die
634 635 636 637 638 639 640 641
V oc [mV]
Fav SJ Sun S Oxf D Fav DJ3 JFav D HFJ33(HF-Dip)(HF-Dip)
SiNx:H J
SiNx:H + SiO2 Oxford
SiNx:H + SiO2 3D Solar
SiNx:H J
SiNx:H + SiO2
’ ’ ’
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Effizienz entsprechend zunimmt. Das gute Abschneiden des Oxford Rezeptes kann wiederum mit einer besseren Homogenität der Abscheidung erklärt werden. Die SARC von 3D Solar hat neben dem Vorteil der Homogenität auch den Vorteil, dass der Feuerschritt auf sie optimiert ist. Das spiegelt sich im höchsten Füllfaktor wieder und führt dazu, dass diese Zelle, trotz einer SARC und der damit verbundenen geringeren Kurzschlussstromdichte, die zweitbeste im Vergleich ist.
Die mittels eines Vergleichs der j-V-Messung mit dem Zweidiodenmodell bestimmten Parallelwiderstände im Bereich von 20 kcm2 sprechen für eine gute Kantenisolation der Zellen. Die Serienwiderstände um 1 cm2 deuten jedoch auf ein Problem der Kontaktierung hin. Zur Überprüfung der Kontaktierung werden Elektrolumineszenz-aufnahmen [137] der Zellen erstellt. Eine hohe Lumineszenzintensität steht dabei zum einen für einen elektrisch guten Bereich und zum anderen für einen gut kontaktierten Bereich der Solarzelle. In Abbildung 4.13 ist die Aufnahme der Solarzelle mit der höchsten Effizienz dargestellt.
Abbildung 4.13: Elektrolumineszenzmessung der Solarzelle mit der höchsten Effizienz [130].
Die streifenförmigen dunklen Bereiche kennzeichnen hier Fingerunterbrechungen. Im mittleren Bereich der Zelle, zwischen den Busbars, kann man dabei einfache und mehrfache Unterbrechungen erkennen. Im Fall der einfachen Unterbrechungen ergibt sich zum noch verbundenen Busbar ein Verlauf des Streifens von dunkel zu hell, mehrfache Unterbrechungen führen zu gleichmäßig dunklen Streifen, da hier Bereiche gar nicht mehr kontaktiert sind. Um den dadurch entstehenden Verlust zu quantifizieren, wird eine Solarzelle mit vergleichbar vielen Fingerunterbrechungen einer nachträglichen manuellen Reparatur, mit Hilfe einer Metallisierungspaste für niedrige Temperaturen, unterzogen. Hierbei verbessert sich bei konstantem Voc und jsc der Füllfaktor um ca. 0,5% und damit die Effizienz um etwa 0,1%abs.
Intensität [103 Zählungen/s]
Besonders interessant für die Optimierung der Dielektrika sind EQE und IQE, also die wellenlängenabhängige externe und interne Quanteneffizienz. Diese sind in Abbildung 4.14 und Abbildung 4.15 für Doppelantireflexschichten mit der optimierten SiNx:H-Schicht J3‘, dem Oxford Standardrezept und einer Einfachschicht SiNx:H aus der industriellen Anlage (3D Solar) dargestellt. Die EQE ist jeweils nur in der Mitte der Zellen ohne Busbars gemessen.
Abbildung 4.14: EQE Vergleich von optimierter SiNx:H-Schicht J3‘ und dem Oxford Standardrezept unter SiO2 und einer Einfachschicht SiNx:H aus der industriellen Anlage (3D Solar).
Der EQE Vergleich repräsentiert sehr gut die erwarteten Abhängigkeiten. Wie auch in der in Abbildung 3.3 dargestellten Simulation von SARC und DARC lässt sich hier für die SARC eine geringere externe Quanteneffizienz für kurze und lange Wellenlängen und eine höhere für Wellenlängen um 500 nm feststellen. Das optimierte Rezept J‘3
zeigt bei kurzen Wellenlängen durch eine verringerte Absorption und Reflexion (siehe Abbildung 4.14) eine deutlich höhere externe Quanteneffizienz.
Abbildung 4.15: Reflexion und IQE Vergleich von optimierter SiNx:H-Schicht J3‘ und dem Oxford Standardrezept unter SiO2 und einer Einfachschicht SiNx:H aus der industriellen Anlage (3D Solar).
400 600 800 1000
0.6 0.8 1.0
J3' DARC EQE Oxford DARC EQE 3D Solar SARC EQE
EQE
Wellenlänge [nm]
400 600 800 1000 1200
0,0 0,2 0,8 1,0
J3' DARC IQE Oxford DARC IQE 3D Solar SARC IQE J3' DARC Refl.
Oxford DARC Refl.
3D Solar SARC Refl.
Reflexion, IQE
Wellenlänge [nm]
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Der Vergleich der IQEs in Abbildung 4.15 erlaubt den Vergleich der Passivier-schichten unabhängig von Reflexion und Absorption. Da Licht längerer Wellenlänge tiefer in die Zelle eindringt bis es absorbiert wird, gibt diese Messung außerdem Aufschluss über die Passivierqualität von Emitter und Rückseite der Solarzelle. Es wird für das optimierte Rezept J‘3 bei kleinen Wellenlängen der höchste IQE-Wert im Vergleich der Schichten gemessen. Da Emitter und Rückseite der Zellen identisch hergestellt sind, bedeutet dies, dass das optimierte Rezept J‘3 den Emitter am besten passivieren kann. Die erhöhte spektrale Empfindlichkeit zeigt sich besonders im Vergleich zu dem Oxford-Ausgangsrezept, wo von 300 nm bis 450 nm durchschnittlich 3,6%rel mehr IQE gemessen werden. Umgerechnet in Kurzschlussstromdichte ergibt dies eine Steigerung um 0,051 mA/cm2 und ist damit größer als die in Tabelle 4.5 gezeigte Differenz der gemessenen jsc der besten Zellen. Dies kann eventuell mit der schlechteren Homogenität im, in der IQE nicht betrachteten, Randbereich des entwickelten Rezepts J‘3 im Vergleich zum Ausgangsrezept erklärt werden.
Für alle Schichten erkennbar ist eine prinzipielle Reduktion der Quanteneffizienz bei kurzen Wellenlängen aufgrund von Absorption durch freie Ladungsträger und durch mehr Rekombination im hoch dotierten Emitter (siehe auch Kapitel 1.4.6). Ein Zellkonzept mit niedriger dotiertem, oder selektivem Emitter könnte hier noch stärker von der verringerten Absorption, Reflexion und verbesserten Passivierung der Antireflexschicht profitieren.
4.1.4 Zusammenfassung
Für die Optimierung von Siliziumnitridschichten wurde begonnen mit einer Anpassung der verwendeten Gasflüsse, welche in einer Senkung der Absorption der Schichten resultierte. Durch eine insgesamt höhere Transmission gegenüber der aus den Angaben von Oxford Instruments resultierenden SiNx:H-Antireflexschicht konnte damit eine bessere Einkopplung in das Substrat erreicht werden. Mit Lebensdauern von über 1500 μs weisen die entwickelten Schichten eine deutlich verbesserte Oberflächen-passivierung auf. Simulationen der optischen Eigenschaften belegten, dass sich die optimierte Schicht sowohl für Einfach- als auch für Doppelantireflexschichten gut eignet.
Bei einem auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse durchgeführten Vergleich auf Solarzellen, zeigte sich mit 38,3 mA cm-2 Kurzschlussstromdichte für den Fall der durch Verwendung des optimierten Siliziumnitrids hergestellten Doppelantireflexschicht erwartungsgemäß die höchste Effizienz. Die Betrachtung der EQE offenbarte für die optimierte Schicht im Vergleich zur Ausgangsschicht der selben Anlage durch eine verringerte Absorption eine deutlich bessere Quanteneffizienz bei kurzen Wellenlängen.
Insgesamt zeigen die hergestellten Solarzellen, dass die Integration einer Doppelanti-reflexschicht schon ohne sonstige Anpassungen des Zellprozesses zu verbesserten Wirkungsgraden und einer höheren Prozessstabilität führt und bestätigen damit die in den Simulationen in Kapitel 3 berechneten Abhängigkeiten und übertrifft die in der Simulation errechneten Verbesserungen durch die bessere Oberflächenpassivierung der Schichten sogar. Mit ca. 0,5 mA/cm2 höherer Kurzschlussstromdichte konnte eine Effizienzsteigerung von ca. 0,29%abs gemessen werden. Durch eine Anpassung des Zellprozesses, wie z.B. mit einem selektiven Emitter, Siebdruck ohne Fingerunter-brechungen und für Doppelschichten optimierten Feuertemperaturen, bietet dieser Ansatz zusätzliches Effizienzpotential.
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