Strukturierung und Bewertung der Laserverfahren

Eine einfache Möglichkeit zur Strukturierung von Laserverfahren für die Bearbeitung von kristallinen Siliziumsolarzellen wurde bereits in Kapitel 4.1 verwendet, und zwar die Einteilung in allgemeine und spezifische Prozesse. In diesem Kapitel sollen weitere Möglichkeiten der Klassifizierung der vorgestellten Laserverfahren auf Basis unterschiedlicher Kriterien erarbeitet werden, die eine klarere Strukturierung ermöglichen.

4.3.1 Der Arbeit zugrundeliegende Strukturierung

Die dieser Arbeit zugrunde liegende Strukturierung der einzelnen Laserverfahren erfolgt anhand einer mehrstufigen Klassifizierung. Die erste und gröbste Unterteilung erfolgt dabei nach der Art des Prozesses. Dabei kann man zwischen den beiden großen Gruppen Laserablation sowie Laserschmelzen unterschieden. Während in der ersten Gruppe alle Prozesse enthalten sind, die auf der Entfernung der zu bearbeitenden Materialen basieren, fasst die zweite Gruppe die Prozesse zusammen, welche lediglich eine Materialveränderung hervorrufen. Beispiele hierfür sind das Fügen durch Schweiß- oder Lötverfahren sowie das Erzeugen einer Dotierung oder Legierung eines Werkstoffs durch den Kontakt mit einem zweiten Material.

In einem anschließenden zweiten Schritt erfolgt innerhalb dieser beiden Gruppen eine feinere Unterteilung auf Grundlage des zu bearbeitenden Materials. In Kapitel 5 werden dabei Prozesse zur Laserablation des Grundbestandteils der in dieser Arbeit behandelten Solarzellen, dem Silizium, vorgestellt. Im darauf folgenden Kapitel 6 werden dann Laserablationsprozesse von diversen dünnen Schichten und Schichtsystemen beschrieben, welche im vorliegenden Fall aus diversen Dielektrika, organischen und metallischen Stoffen bestehen können. Da im Rahmen dieser Arbeit lediglich zwei Laserprozesse der zweiten großen Gruppe, des Laserschmelzens, untersucht wurden, ist in diesem Fall eine weitere Unterteilung nicht notwendig. Die beiden Anwendungen werden darum gemeinsam in Kapitel 7 eingruppiert.

Trotz dieser feinen Gliederung der Laserprozesse ergeben diese innerhalb der gebildeten Gruppen eine stark heterogene Mischung der verschiedensten Anforderungen und Zielsetzungen. Wie bereits in Kapitel 4.1 und Tabelle 4-1 angedeutet, unterscheiden sich die Prozesse teilweise deutlich aufgrund ihrer Anforderungen bezüglich der zu bearbeitenden Fläche und der Prozesstiefe. Darum ist eine weitere Unterteilung der Prozesse auf Basis der geometrischen Rahmenbedingungen für die Laserprozesse sinnvoll. Hierzu kann man die spezifischen Prozessanforderungen bezüglich der Abtragstiefe über dem zu bearbeitetenden Flächenanteil auftragen. Durch Einzeichnen der Äquipotentiallinien für das zu bearbeitende Abtragsvolumen entsteht eine dritte geometrische Prozessgröße.

In Abbildung 4-1 ist diese Strukturierungsmöglichkeit beispielhaft für die wichtigsten Laserbearbeitungsprozesse verwendet worden. Die Auftragung der Einzelprozesse erfolgt dabei nach Kapiteln getrennt. So sind in Abbildung 4-1 links oben die behandelten Prozesse zur Ablation von Silizium und rechts oben die zur Ablation von dünnen Schichten dargestellt.

Links unten in Abbildung 4-1 sind die Diffusions- und Legierungsprozesse zu sehen. Als Übersicht sind in Abbildung 4-1 rechts unten die drei nach den übergeordneten Gruppen sortierten Graphen zusammengefasst. Die gestrichelten Linien in den einzelnen Abbildungen sind die erwähnten Äquipotentiallinien, welche Prozesse mit einem vergleichbaren Ablationsvolumen andeuten. In den einzelnen Abbildungen ist darum eine Zunahme des zu bearbeitenden Materialvolumens pro Zellfläche erkennbar. In Verbindung mit der für die

Durchführung des Prozesses benötigten spezifischen Leistungsdichte ergibt sich somit ein Maß für die benötigte Laserleistung unter der Randbedingung einer hinreichenden Flexibilität der verwendeten Strahlablenkung, welche die zur Verfügung gestellte Leistung variabel an den gewünschten Bearbeitungsort zustellen kann.

Sobald ein Laserprozess nicht vollkommen schädigungsfrei durchführbar ist, hängt der Einfluss der Laserschädigung auf das Siliziummaterial direkt mit der Zunahme der Flächenbedeckung zusammen. Dies wird beispielsweise bei den siliziumablatierenden Prozessen deutlich: während bei der klassischen Kantenisolation der Einfluss der Laserschädigung noch relativ gering und größtenteils vernachlässigbar ist, nimmt er für die Trennung der n- und p-Bereiche der Rückseitenkontaktzellen zu und lässt sich spätestens bei der flächigen Entfernung einer zuvor erzeugten Dotierung nicht mehr ignorieren. Eine vergleichbare Abhängigkeit existiert bei weiteren Prozessen wie beispielsweise der LFC-Kontaktierung.

Prozesstiefe dProz [µm]

Flächenbedeckung A_rel [%]

Code

Prozesstiefe dProz [µm]

Flächenbedeckung A_rel [%]

Code

Prozesstiefe dProz [µm]

Flächenbedeckung A_rel [%]

PERC

Prozesstiefe dProz [µm]

Flächenbedeckung A_rel [%]

PERC

Prozesstiefe dProz [µm]

Flächenbedeckung A_rel [%]

LFC &

Prozesstiefe dProz [µm]

Flächenbedeckung A_rel [%]

LFC &

Prozesstiefe dProz [µm]

Flächenbedeckung A_rel [%]

VS ARC ++pRSKTextur

Prozesstiefe dProz [µm]

Flächenbedeckung A_rel [%]

VS ARC ++pRSKTextur

Abbildung 4-1: Strukturierungsmöglichkeit der einzelnen Laserprozesse anhand der geometrischen Rahmenbedingungen. Aufgetragen ist die Abtragstiefe über der Flachenbedeckung. Somit liegen auf den gestrichelt eingezeichneten Linien Prozesse mit einem vergleichbaren Ablationsvolumen. Links oben sind beispielhaft einige Prozesse zur Ablation von Silizium und rechts oben von dünnen Schichten dargestellt. Links unten sind Diffusions- und Legierungsprozesse und rechts unten eine Zusammenfassung aus den drei Graphen, welche einen Überblick über alle Gruppen bietet, aufgeführt.

Trotz dieser Auftragung existieren immer noch Prozessschritte, die aufgrund der vielseitigen Einsatzmöglichkeiten eine große Fläche in den Abbildungen einnehmen. Dies sind vor allem die Verfahren zur Strukturierung einer dünnen, dielektrischen Diffusions- oder Ätzbarriere.

Hier können von Diffusionsbarrieren für eine selektive Emitterstruktur auf der Vorderseite mit Flächenbedeckungen von ~ 10 % bis hier zu Ätzbarrieren für die Entfernung der in vorherigen Prozessschritten eingebrachten Dotierung innerhalb eines großflächigen Bereichs mit einer Flächenbedeckung von ~ 80 % vorkommen. Auch ist die Entfernung dieser Barrieren nicht auf dünne, dielektrische Schichten beschränkt. Bei der Ablation von organischen Ätzbarrieren kommen häufig Lackschichten mit einer Dicke von 10 - 20 µm vor.

Bei den siliziumablatierenden Prozessen sind zwei weitere Laserverfahren nicht aufgeführt, welche zumindest im Labor häufig verwendet werden. Dies sind die Verfahren zum Zerkleinern oder Zu- bzw. Ausschneiden von Solarzellen. Hier kann auf Basis der Schnitttiefe weiter in komplettes Durchschneiden der Substrate oder aber das weitaus häufiger durchgeführte Anritzen der Proben mit dem Laser und anschließendes manuelles oder automatisches Brechen unterschieden werden. Beide Verfahren werden sowohl zum Vereinzeln von Bandsilizium [79] als auch zum Zuschneiden von gebrochenen Wafern auf ein kleineres Maß verwendet, fallen damit allerdings aus der Wertschöpfungsstufe Zellfertigung heraus und werden darum in dieser Arbeit bzw. in Abbildung 4-1 nicht behandelt. Die in dieser Arbeit aufgeführten Ergebnisse lassen sich trotzdem teilweise auf das Schneiden bzw. Ritzen von Wafern anwenden.

4.3.2 Weitere Möglichkeiten der Strukturierung

Neben dem zur Gliederung der vorliegenden Arbeit verwendeten Verfahren existieren weitere Möglichkeiten zur Strukturierung der verschiedenen Laserprozesse. Beispielhaft sind in Abbildung 4-2 weitere Graphen dargestellt, welche auf Basis dieser Alternativmethoden erstellt wurden.

Eine Möglichkeit besteht in der Einteilung auf Basis der Realisierung des Prozesses in der industriellen Fertigung von Solarzellen. Beispielhaft sind hier eine Auswahl an Verfahren in Abbildung 4-2 links dargestellt. Aufgetragen ist dabei der Umsetzungsstatus über der Umsetzungswahrscheinlichkeit. Problematisch bei dieser Art der Klassifizierung sind die sich ständig verändernde Position der Prozesse sowie die Subjektivität der Platzierung innerhalb der Matrix. Teilweise ist bei einige Verfahren wie beispielsweise der Lasermarkierung der Solarzellen nicht bekannt, wie viele Hersteller diesen Prozess bereits einsetzen. Andere Verfahren, wie beispielsweise die Laserdotierung, sind Gegenstand reger Forschungsaktivität. Auch hier ist eine Einschätzung des aktuellen Status nur innerhalb eines beschränkten Zeitraums möglich. In der Grafik sind die bereits industriell eingesetzten Verfahren ganz rechts oben angeordnet. Tendenziell liegen die meisten Prozesse im Bereich hoher Umsetzungswahrscheinlichkeiten. Dies entspricht zwar einer subjektiven Einschätzung, kann jedoch auf Basis fundierter Recherchen bezüglich der Realisierungsmöglichkeit sowie der Kostenvorteile gegenüber alternativen Verfahren motiviert werden.

Auf Basis dieser Kostenvorteile kann ebenfalls eine Strukturierung der Prozesse erfolgen.

Bei einer ökonomisch motivierten Herangehensweise kann man beispielsweise das Kosteneinsparpotential über den technologischen Vorteilen des Laserprozesses gegenüber den Alternativprozessen auftragen (siehe Abbildung 4-2 rechts). Dabei vereint der Begriff

„technologischer Vorteil“ Faktoren wie Prozessstabilität, Verbesserungen im Materialfluss oder den erzielbaren Solarzellenparametern. Problematisch bei dieser Art der Auftragung ist, dass bei einer normalerweise erfolgenden Betrachtung der Kosten in Watt Peak die technologischen Vorteile direkt auf die Prozesskosten wirken, die beiden Parameter also zusammenhängen. Dies kann zumindest teilweise durch Berücksichtigung der Stückkosten auf der y-Achse vermieden werden. Bei dieser Auftragung kann durch die Position des Prozesses in der Grafik eine Aussage über den Grad des Zusatznutzens bei der Realisierung der Laserprozesse getroffen werden. Je weiter rechts oben der Prozess

anzufinden ist, desto größer ist der Nutzen bei seiner Verwendung. Da das Bohren der Via-Löcher ausschließlich mit dem Laser durchführbar ist, kann hier kein Kostenvorteil ermittelt werden. Auch die Lasermarkierung ist nicht in der Grafik enthalten, da sie keinen direkten technologischen Vorteil im Rahmen der hier verwendeten Definition beinhaltet.

Die Auftragung der einzelnen Prozesse erfolgt in beiden Fällen lediglich sehr grob auf Basis von subjektiven Einschätzungen. Für die Erstellung einer detaillierteren Prozessmatrix wäre zuerst eine genaue Kostenkalkulation aller Laserprozesse sowie aller Alternativprozesse notwendig, was im Rahmen dieser Arbeit nicht durchgeführt wurde.

Umsetzungswahrscheinlichkeit [%]

-Abbildung 4-2: Weitere Möglichkeit zur Strukturierung der einzelnen Laserprozesse. Eine auf der Umsetzungswahrscheinlichkeit und dem Umsetzungsstatus basierende Auftragung ist links dargestellt, rechts eine auf einer ökonomischen Bewertung der Verfahren.