Vergleich der verwendeten Kontaktgeometrien

Abbildung 55: Übersicht über die verwendeten Rückkontakt‐Geometrien. 

Im Vergleich zu Design A hat das Si bei Design B im Al nun nur noch eine Dimension zur Ausdiffusion  zur Verfügung, was die Saturation vereinfacht. Bei Design C und D wurde die Dimensionalität auf Null  reduziert, während des Feuerns wird alles aufgedruckte Al mit Si gesättigt. Die Größenordnung der  Kontaktbreiten wurde so gewählt, um ein ähnliches Metallisierungsverhältnis von 6% ‐ 9% bezogen  auf die gesamte Rückseitenfläche abzudecken. 

Zur Untersuchung des Kontaktquerschnittes und der BSF‐Dicke  wurden die Proben dann entlang der  Kristallorientierung aufgebrochen und im Elektronenmikroskop mit dem InLens‐Detektor untersucht,  welcher für Dotierungsunterschiede sensibel ist. Eine ausführliche Publikation dieses Experimentes  findet sich in [155], die Ergebnisse sind hier zusammen mit den Solarzelldaten in Unterkapitel 3.6.3  aufgeführt. 

Kontaktevaluation auf Solarzellenebene

Mit den dabei gewonnenen Erkenntnissen wurde zu jedem Kontaktmuster A bis D jeweils ein  Solarzellen‐Herstellungsexperiment durchgeführt. Dieses folgte dem in Tabelle XII beschriebenen  Prozessfluss. Auf Cz‐Wafern mit einem Basiswiderstand von 2 Ωcm und 125 mm Kantenlänge wurde  ein 30 Ω/sq. Emitter diffundiert, der einseitig nasschemisch mittels CP4 entfernt wurde. Darauf  wurden 15 nm Al₂O₃ abgeschieden, welche mit 75 ‐ 160 nm SiN_x:H als Schutzschicht versehen  wurden. Die Rückseite wurde gemäß Abbildung 55 strukturiert und ein selektiver Emitter wurde  durch  Rückätzen  erzeugt,  bevor  die  Antireflexschicht  aus  SiNx:H  mittels  Direktplasma‐PECVD  aufgebracht wurde. Die Solarzellen wurden letztendlich mit Siebdruckpaste metallisiert und gefeuert. 

Hierbei  ist  zu  beachten,  dass  mit  Ausnahme  von  Solarzellcharge  A  die  Referenzen  und  die  rückseitenpassiverten Solarzellen unterschiedliche Aluminiumpasten erhielten, da sich herausstellte,  dass Pasten mit  einem guten lokalen Legierungsverhalten  nicht  notwendigerweise die besten  Ergebnisse auf einer vollflächigen Rückseite bringen. 

3.6.3 Vergleich der verwendeten Kontaktgeometrien

Im  Folgenden  werden  Elektronenmikroskopaufnahmen  von  Waferquerschnitten  mit  den  entsprechenden IV‐Daten von analog prozessierten Solarzellen korreliert. Ebenfalls wird die mittels  Materialkontrast sichtbare Dicke der hochdotierten BSF‐Schicht zur Kontaktpassivierung mit den  lokalen EQE‐Werten aus LBIC‐Messungen verglichen. 

Design A: Punktkontakte

Bei Solarzellen mit Punktkontakten beobachtet man immer sich unter der Kontaktfläche bildenden  Hohlräume, die sogenannten Voids. Diese können entweder hohl wie in Abbildung 56 oder teilweise  bis ganz mit rekristallisierter Al‐Si‐Legierung gefüllt sein. Des Weiteren stellt man eine starke  Abhängigkeit der Kontaktpassivierung von der Punktgröße und den verwendeten Feuerparametern 

fest. Es wurde in mehreren Kontaktexperimenten und auf Solarzellenebene festgestellt, dass eine  Mindestkantenlänge von 200 µm notwendig ist, um gefüllte, passivierte Kontakte zu erreichen [158]. 

Selbst dann sind die Voids jedoch nur bei etwa 70% der untersuchten Kontakte mit Al‐Si‐Legierung  gefüllt.  

 

Abbildung 56: Größtenteils ungefüllter Kontakt, der dennoch ein schwachdotiertes BSF aufweist. 

Zu unterscheiden sind hier ungefüllte Kontakte, welche kein BSF aufweisen, und ungefüllte Kontakte,  welche dennoch ein BSF unterschiedlicher Dicke aufweisen. Erstere traten vor allem bei zu geringen  Kontaktbreiten und Abweichungen vom Feueroptimum auf. Bei Zweiterem wurden BSF‐Dicken von  1,5 ‐ 5 µm gemessen. Die resultierenden BSFs vollständig gefüllter Voids weisen eine gleichmäßigere  Dicke auf, wie man in Abbildung 57 erkennen kann. 

 

Abbildung 57: Gefüllter Kontakt mit einem gleichmäßigen, umschließenden BSF. 

Wie bereits  in  Kapitel 3.2.4  erörtert,  hat  das  Vorhandensein bzw. das  Fehlen  einer  lokalen  Kontaktpassivierung einen Einfluss auf die Effizienz der resultierenden Solarzellen. 

Tabelle XVIII: Zellergebnisse mit Punktkontaktmuster A 

  V_OC [mV]  j_SC [mA/cm²]  FF [%]  η [%] 

Al‐BSF Referenzen  619,1  36,4  79,5  17,9  Unpass. Kontakte  629,5  37,5  77,6  18,3  Pass. Kontakte  638,6  37,8  77,2  18,6 

 

     

Abbildung 58: EQE bei 980 nm einer Solarzelle mit lokal passivierten Punktkontakten. 

Im Allgemeinen kann man sagen, dass sich die Existenz selbst eines dünnen BSFs vorteilhaft auf die  IV‐Parameter einer Solarzelle auswirkt, welches sich in den unterschiedlichen Spannungen von Zellen  mit passivierten (siehe Abbildung 58, 95% des im Al₂O₃‐passivierten Bereiches gemessenen EQE‐

Signales) und solchen mit unpassivierten Kontakten niederschlägt. Die Füllfaktoren bleiben mit 77% 

jedoch hinter den Erwartungen zurück, was sich mit dem erhöhten Kontaktwiderstand [159] der  nicht zuverlässig ausgefüllten Voids erklären lässt.  

Design B: Linienkontakte

Verwendet man ein Linienmuster statt einzelner quadratischer Kontaktflächen, beobachtet man,  dass das Erreichen einer hohen Füllrate weniger von den Feuerparametern abhängt und die lokalen  Kontakte im Schnitt eine höhere BSF‐Dicke aufweisen. Unter dem Elektronenmikroskop wurden  Dicken von 4 ‐ 7 µm gemessen, sofern die Grabenweite eine Mindestbreite überschreitet. Diese ist je  nach verwendeter Paste und Feuerparameter 60 ‐ 90 µm, schmalere Gräben bleiben in vielen Fällen  hohl und unpassiviert. 

  Abbildung 59: Diagonaler Querschnitt eines Linienkontaktes. 

Diese  etwas geringere  Größenordnung sorgt  für  ein  den  Punktkontakten ähnliches  Verhältnis  zwischen metallisiertem Bereich und passiviertem Bereich auf der Rückseite. Vergleicht man ein  Liniendesign mit 1,2 mm Abstand und einer Linienbreite von 90 µm mit einem Punktdesign mit 1 mm  Abstand und 270 µm Kantenlänge, so erhält man für beide ein Metallisierungsverhältnis von 7,5%. 

 

Abbildung 60: Kontrastverstärkte Detailaufnahme zur Veranschaulichung des durchgängigen BSF 

Die bessere Passivierung der Kontakte schlägt sich ebenfalls in den IV‐Ergebnissen der resultierenden  Solarzellen nieder. Mit diesem Design wurden im ersten Experiment VOC‐Werte von 640 mV erreicht. 

Tabelle XIX: IV‐Daten der besten Solarzellen mit Linienkontakten. 

  V_OC [mV]  j_SC[mA/cm²] FF [%]  η [%] 

Al‐BSF Referenzen  631,9  36,7  78,6  18,2 

Linienkontakte  640,0  37,7  78,3  18,9 

 

Ebenfalls lässt sich ein höherer Füllfaktor erreichen. Dies kann man einerseits auf die verglichen mit  den Punktkontakten höhere Wahrscheinlichkeit zurückführen, mit der man einen durchgängigen  Kontakt  der  Legierung  zu  einem  vollständig  umschließenden  BSF  hat.  Des  Weiteren  spielen  Symmetrieüberlegungen eine Rolle, da die Spannungsverteilung auf der Zelle im Betrieb deutlich  gleichmäßiger ist als bei Punktkontakten und die lokale Stromdichte direkt um die Kontakte geringer  ist. 

     

Abbildung 61: Relative EQE bei 980 nm von Solarzellen mit linienförmigen Rückkontakten. 

Im LBIC‐Bild eines 1 cm² großen Ausschnittes aus der Solarzelle (Abbildung 61) zeigt sich die  Passivierqualität des metallisierten Bereiches. Der Kurzschlussstrom fällt lediglich auf 96% des  Wertes, den er über dem Al2O3‐passiverten Bereich hat, ab. Die Kontakte zeigen über die ganze  Länge eine sehr gleichmäßige Passivierung, was sich in dem homogenen LBIC‐Signal ausdrückt. Man  beachte, dass in diesem Design die Hälfte der Rückkontakte hinter den Fingern „verborgen“ ist. 

Design C: Punktkontakte auf punktförmigen Öffnungen

Druckt man die Al‐Paste nur lokal auf die vorstrukturierten Öffnungen, so findet keine Si‐Ausdiffusion  statt. Bei diesen Proben ließ sich somit auch keine Hohlraumbildung feststellen.  

 

 

Abbildung 62: Querschnitt eines Punktkontaktes auf einer lokalen Öffnung mit Ausschnitt 

Die Querschnitte in Abbildung 62 zeigen ein 6 µm dickes, hochdotiertes BSF (roter Pfeil), wie man es  von einer vollständig mit Si gesättigten Al‐Paste erwartet. Dieses ist jedoch unvollständig (gelber  Pfeil), was nach der Deutung von [55] an einer zu geringen Al‐Menge liegt. Für die Experimente auf  Solarzellenebene wurden daher die Kontaktöffnungen bezüglich der Al‐Punkte verkleinert, um die  verfügbare Pastenmenge pro Fläche zu vergrößern. 

Tabelle XX: IV‐Daten der Zellen mit Kontaktmuster C. 

  V_OC [mV]  j_SC [mA/cm²]  FF [%]  η [%] 

Al‐BSF Referenzen  632,2  36,0  78,7  17,9  Punkt‐auf‐Punkt  641,8  36,4  72,1  16,9 

Beste Spannung  652,2  37,0  69,7  16,8 

 

Die so metallisierten Solarzellen lassen sich aufgrund ihrer unebenen Oberfläche nicht kontaktieren,  da nur wenige Punkte gleichzeitig Kontakt zum Messingchuck des IV‐Messplatzes haben. Dieses  Problem wurde durch Abätzen der Paste in HCl und Elektronenstrahlaufdampfen einer ebenen, 2 µm  dicken Al‐Schicht gelöst, welche nach 30 Minuten Annealing bei 380°C einen elektrischen Kontakt  zum Silizium herstellte. Es wird angenommen, dass beim Elektronenstrahlaufdampfen entstandener  Schaden an der Passivierung durch harte Röntgenstrahlung wieder ausgeheilt wurde [160]. 

Diese Art der Kontaktierung führte dennoch lediglich zu Füllfaktoren bis zu 73%, was die Eignung für  einen leicht zu implementierenden Solarzellenprozess in Frage stellt. Bemerkenswert bei diesen 

Solarzellen ist die große Schwankung in den erreichten offenen Klemmenspannungen, welche im  besten Fall 652 mV erreicht haben. Diese Schwankungen lassen sich auch zwischen benachbarten  Kontakten auf einer Solarzelle in Form von stark unterschiedlicher Kontaktpassivierung feststellen. 

       

Abbildung 63: Relative EQE bei 980 nm von Solarzellen mit Rückkontaktdesign C. 

Die Existenz von mit 96% sehr gut passivierten Kontakten neben Kontakten, die lediglich 90% des  langwelligen LBIC‐Signals des Passivierungshintergrundes aufweisen, deutet darauf hin, dass eine  ausreichende Si‐Sättigung der Punktkontakte nicht gleichmäßig gewährleistet ist. Diese ist sehr  sensibel  gegenüber  leichten  Öffnungsgrößenvariationen  auf  der  Solarzelle  sowie  geringen  Unterschieden in der beim Siebdruck lokal aufgetragenen Pastenmenge. Im Experiment wurde selbst  beim Übergang von einer Kontaktbreite von 180 µm  zu 160 µm ein wesentlicher qualitativer  Unterschied im  Aufschmelzen  und  epitaktischem  Abscheiden  von  Silizium  festgestellt,  wie  in  Abbildung 64 zu sehen ist. 

        

Abbildung 64: Zwei punktuell überdruckte Punktkontakte nach Entfernen der Al‐Paste: Der 180 µm  breite Kontakt (links) zeigt unvollständiges Legierungsverhalten, der 160 µm breite Kontakt (rechts) 

zeigt jedoch auf der ganzen Fläche Epitaxiespuren 

Es ist anzunehmen, dass auch hier der Grad der Überdeckung und die Ausrichtung des Druckschrittes  eine ähnliche Rolle spielt, wie in [60] beschrieben wurde. 

Design D: Punktkontakte auf ungeöffnetem Dielektrikum

Die  Verwendung  von  Punkten  frittenhaltiger  Paste  auf  unstrukturiertem  Al2O3  führt  zu  schwerwiegenden Problemen beim zuverlässigen Kontaktieren der Basis. Auch wenn die Fritte der  Paste die Schicht nachweislich durchdringen kann, führt der Durchfeuerprozess zu einem verspäteten  Einlegieren, welches außerdem nur punktuell geschieht, wie man in Abbildung 65 und Abbildung 66  erkennen kann. 

 

Abbildung 65: Lichtmikroskopische Aufsicht einer Kontaktfläche nach Entfernen der Al‐Paste. 

Hervorgehoben ist die Ausdehnung des ursprünglichen Metallkontaktes und eine Stelle, an der sich  ein tatsächlicher Kontakt einlegiert hat.  

Startet der  Legierungsprozess erst während der Abkühlrampe, so  sättigt sich die Paste nicht  hinreichend mit Si und eine den metallisierten Bereich vollständig umschließende BSF‐Schicht lässt  sich nicht beobachten.  

 

Abbildung 66: Querschnitt eines Punktkontaktes D nach Entfernen der Al‐Paste. 

Die Haftung der Paste stellte sich als kritisch dar, da die Fritte die Schicht, auf welcher sie haften soll,  auflöst und die Kontakte daher leicht von der Schicht abfallen. Die sehr kleine effektive Kontaktfläche  (weiß  in  Abbildung  65  markiert)  und  die  mangelnde  Haftung  führten  zu  stark  erhöhten  Kontaktwiderständen, die sich in den niedrigen Füllfaktoren niederschlagen. 

Tabelle XXI: IV‐Daten der Zellen mit Kontaktmuster D. 

  V_OC [mV]  j_SC [mA/cm²]  FF [%]  η [%] 

Al‐BSF Referenzen  636,4  35,9  78,6  17,9  Durchfeuerkontakte  638,7  36,6  51,1  11,9 

 

Die nicht vorhandene Passivierung der Kontakte lässt sich in diesem Falle besonders deutlich an dem  zugehörigen LBIC‐Bild in Abbildung 67 ablesen, die Kurzschlussstromdichte fällt um 14% und mehr  ab, wenn der Laser die Ladungsträger über einem Kontakt generiert.  

 

Abbildung 67: Relative EQE der durchgefeuerten Punktkontakte, Muster D. 

Grundsätzlich ist ein direkter Durchfeueransatz jedoch nicht unmöglich [161], [162], sofern man die  Siebdruckpaste nach  den  neuen  Anforderungen wählt.  Diese sind schnelles  und vollständiges  Durchfeuern, gleichmäßige Legierung und Kontaktbildung und Haftung auf der eigenen Legierung. 

Dabei ist dennoch ein flacheres lokales BSF in Kauf zu nehmen [162]. 

Auswahl einer geeigneten Geometrie

Als Fazit aus dieser Untersuchung treten lediglich die Kontaktgeometrien A und B mit vollflächig  gedruckter Rückseitenelektrode als praktikabel hervor. Von diesen erweist sich die Methode B mit  den Linien als die Zuverlässigste in Hinblick auf Erzeugung eines gleichmäßigen, tiefen lokalen BSF bei  einer  Bandbreite  von  Feuerparametern.  So  ließen  sich  mit  Linienkontakten  auch  bei  Standardfeuergeschwindigkeiten  relative  EQE‐Werte  von  96%  erreichen,  während  bei  Punktkontakten  lediglich  95%  unter  Verwendung  angepasster  Bandgeschwindigkeiten  erreicht  wurden. Linienkontakte resultierten in der besten Effizienz von 18,9% im direkten Vergleich und  wurden für die weitere Fertigung von Solarzellen ausschließlich verwendet. 

Speziell  für  Linienkontakte  wird  daher  in  Kapitel  0  ein  analytisches  Modell  der  BSF‐Bildung  entwickelt. Auch liegt den in Kapitel 3.7.5 und den Kapiteln 0 sowie 0 vorgestellten Simulationen von  iPERC‐Zellen alle die Liniengeometrie der Rückkontakte zugrunde. 

 

Im Dokument Integration von Hocheffizienzmerkmalen auf im Siebdruckverfahren metallisierte Solarzellen mittels funktioneller Strukturierung (Seite 97-105)