Verlustanalyse inline‐diffundierter Solarzellen mit selektivem Emitter

Es wurden Solarzellen mit selektivem Inline‐Emitter modelliert. Dazu wurde ein Teil der im Selektive‐

Emitter‐Kapitel durchgeführten Versuche nachmodelliert, wobei die mittels ECV gemessenen Profile  zum Einsatz kamen. Mit dieser Methode lässt sich eine Verluststromanalyse spezifisch für den  Emitterbereich  durchführen,  sowie  die  simulierten  Ergebnisse  mit  den  tatsächlich  erreichten  Solarzelldaten vergleichen. 

Von vorrangigem Interesse ist in diesem Fall die Veränderung der Sättigungsstromdichte und des  Verluststromes im Emitter bei leichterer Dotierung und Reduktion des „dead layers“. 

4.4.1 Simulationsparameter

Wie in den Experimenten zuvor wurde eine Einheitszelle mit 2,4 mm Fingerabstand und eine Dicke  der Solarzelle von 180 µm gewählt. Der Basiswiderstand wurde auf 3 Ωcm und die SRH‐Lebensdauer  auf 300 µs festgesetzt. Es wurden jeweils zwei Diffusionsprofile eingelesen, eines direkt unter dem  Finger mit einer Justagetoleranz von 300 µm, ein weiteres auf dem übrigen Bereich der Frontseite. 

Passiviert  wurden  diese  jeweils  von  einer  75 nm  dicken  SiN_x:H‐Schicht,  welche  eine  Flächenladungsdichte  von  10¹² cm^‐2  und  eine  Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit  von  50.000 cm/s auf der stark phosphordotierten Oberfläche zugewiesen bekam. 

Tabelle XXX: Übersicht über die Simulationen von Solarzellen mit selektivem Emitter. 

  R_sh Justage 

[Ω/sq.] 

R_sh rückgeätzt  [Ω/sq.] 

Tiefe τ‐Map  [nm] 

FCA‐Faktor   

Homogen  48 WD  48 WD  60  ‐1,0% 

SE 53  32 WD  53 RÄ  30  ‐0,9% 

SE 88  32 WD  88 RÄ  10  ‐0,5% 

SE 120  32 WD  120 RÄ  0  ‐0,3% 

Die verwendeten Emitterprofile für die Simulationen, aufgeteilt in „wie diffundiert“ (WD) und 

„rückgeätzt“ (RÄ) hatten den in Tabelle XXX angegebenen Schichtwiderstand. Die Lebensdauerrampe  wurde für den rückgeätzten Bereich abhängig von ihrer Rückätztiefe angepasst und die verwendete  Korrektur der Generation in Hinblick auf FCA im Emitter ist angegeben. 

4.4.2 Simulierte Solarzellergebnisse und Verluststromanalyse

Folgende IV‐Ergebnisse wurden bei der Simulation der Solarzellen mit selektivem Emitter ermittelt: 

Homogen  36,1  623  78,2  17,6 

SE 53  36,7  632  78,6  18,25 

SE 88  37,1  634  77,4  18,2 

SE 120  37,2  634  77,0  18,15 

Diese  Resultate  decken  sich  mit  den  zuvor  in  Kapitel  2  vorgestellten  Ergebnissen an realen  Solarzellen, was Strom‐ und Spannungsgewinn angeht. Lediglich die homogenen Referenzen lassen in 

der Simulation  um  0,9%abs höhere Effizienzen erwarten  als  auf den  tatsächlichen Solarzellen  gemessen wurde. Diese Differenz lässt sich mit einem viel stärkeren Einfluss des „dead layers“ 

innerhalb der ersten Nanometer der Zelle erklären, welcher einen Einfluss auf die Passivierbarkeit  des Emitters hat. Diese wurde in der Simulation als konstant angenommen. 

Abbildung 85: Verluststromdichte unter jSC‐Bedingungen und Sättigungsstromdichte bei VOC‐ Bedingungen, aufgetrennt nach den Gebieten der Solarzelle. Der Emitteranteil ist numerisch 

dargestellt. 

Der Ursprung des höheren j_SC lässt sich neben der Reduktion der FCA auf die jeweils geringere  Verluststromdichte  im  Emitter  zurückführen.  Selbiges  gilt  für  V_OC,  welches  mit  der  Sättigungsstromdichte gekoppelt ist. Bemerkenswert hier ist der geringe Unterschied zwischen dem  88 Ω/sq. Emitter und dem 120 Ω/sq. Emitter. Hier ist SRH‐Rekombination im Emittervolumen nicht  mehr die dominante Größe, und auch der Unterschied in der Auger‐Rekombination aufgrund der  unterschiedlich starken Dotierung trägt lediglich zu 0,02 mA/cm² bei. Die Limitierung stellen hier die  in der Simulation fix gewählten Rekombinationsparameter an der SiN_x:H‐passivierten Oberfläche dar,  welche eine mögliche weitere Steigerung von V_OC und j_SC durch einen noch leichter dotierten Emitter  nicht berücksichtigt. 

Abbildung 86: Serienwiderstand der Solarzellen nach der Double Light Method am MPP  ausgewertet. 

Der Füllfaktor der simulierten Solarzellen korreliert mit  dem Serienwiderstand, welcher durch  Anwenden der Double Light Method [84] am MPP ermittelt wurde. In dieser Solarzellenkonfiguration  dominiert der Emitterschichtwiderstand den gesamten Widerstand der Solarzelle. Bemerkenswert  hier ist der deutliche Effekt der starken Ausgangsdiffusion um den Kontaktbereich, durch den im  Betrieb der Solarzelle die größte Stromdichte fließt: Hierbei bewirkt die 150 µm breite 32 Ω/sq. 

Schicht neben dem 53 Ω/sq. Emitter ein Absinken des Gesamtwiderstandes der Solarzelle um  50 mΩcm² verglichen  mit dem  homogenen  48 Ω/sq. Emitter, was  in einem  0,4% höheren  FF  resultiert. Der im Selektive‐Emitter‐Kapitel diskutierte zusätzliche positive Effekt eines niedrigeren  Kontaktwiderstandes  zu  stärker  dotierteren  Emittern  wurde  hier  außer  Acht  gelassen,  der  Kontaktwiderstand zur Vorderseitenmetallisierung wurde als konstant definiert. 

4.5 Kapitelzusammenfassung

Im  vorliegenden  Kapitel  wurde  die  Anwendung  der  Finite‐Elemente‐Methode  mit  dem  Halbleitersimulationsprogramm Synopsys Sentaurus auf die Solarzellkonzepte mit selektivem Emitter  sowie mit dielektrisch passivierter Rückseite diskutiert. Mit Simulationen eröffnet sich eine Methode,  die Füllfaktoren von iPERC‐Solarzellen, welche sich aufgrund der komplexeren Geometrie nicht  vollständig analytisch beschreiben lassen, numerisch zu berechnen. Es wurde ein überproportionaler  Abfall des Füllfaktors mit steigendem lateralen Widerstand innerhalb  der Basis der Solarzelle  festgestellt. Der simulierte Abfall der Füllfaktorkurve wurde in einem Solarzellexperiment qualitativ  bestätigt. 

Die Simulation wurde ebenfalls dazu verwendet, experimentell nicht zugängliche Parameter wie die  Aufteilung  der  Rekombination  und der  Verluststromdichte  nach den  einzelnen  Regionen  der  Solarzelle  für die  einzelnen Solarzellenkonzepte  zu  ermitteln.  Es  wurde  festgestellt, dass  bei  Solarzellen mit  im Rohrofen diffundiertem Emitter die Rekombination im BSF und  bei inline‐

diffundierten Solarzellen die Rekombination im Emitter die dominanten Verlustquellen sind. Diese  können durch Anwendung einer dielektrisch passivierten Rückseite beziehungsweise eines selektiven  Emitters deutlich minimiert werden, so dass sie für die Effizienz der Solarzelle nicht mehr die  wesentlichen begrenzenden Faktoren darstellen. 

Ein Optimierungskalkül für iPERC‐Solarzellen wurde vorgestellt, welches die FEM‐Simulation in  Abhängigkeit  der  gewünschten  Optimierungsparameter  beinhaltet.  Es  wurde  für  den  Basiswiderstand  und  den  Rückkontaktabstand  durchgeführt.  Das  mit  konservativen  Eingabeparametern abgeschätzte obere Limit für die Zelleffizienz von iPERC‐Solarzellen beträgt  20,5%, welches sich auf 0,7 Ωcm Wafern mit einem Kontaktabstand von 1,2 mm erreichen lässt. 

Berücksichtigt  man  jedoch  die  bei  monokristallinen  Cz‐Si‐Wafern  auftretende  lichtinduzierte  Degradation,  so  sinkt die  maximal  erreichbare  Zelleffizienz  nach  Degradation  auf 19,3%. Die  Optimierung auf Zelleffizienz nach Degradation erfordert eine Verschiebung des Optimums hin zu  einer Basisdotierung von 3 Ωcm und eine Reduktion des Rückkontaktabstandes auf 600 µm. Für  diesen  Fall wurde  nachgewiesen, dass  die  Rekombination  in  der Basis nun  den dominanten  Verlustmechanismus darstellt, welcher die Zelleffizienz begrenzt. 

Auf  eine  Methode,  die  lichtinduzierte  Degradation  zu  umgehen,  wird  im  folgenden  Kapitel  eingegangen.