Verluste durch unbedruckten Solarzellenrand

Wie bereits erwähnt, besitzen n-Typ-Solarzellen mit siebgedruckter Rückseitenmetallisie-rung einen unbedruckten Rand von in diesem Fall etwa 1 mm an den Kanten der So-larzellenrückseite und somit weniger Emitterfläche wie auf p-Typ-Silizium (siehe Abbil-dung 3.23rechts). In Kapitel 1.3.3 wurde kurz angeschnitten, dass sich durch Entfernen des unbedruckten Bereichs mittels einer Säge ein Gewinn in j_sc von etwa 0,8 - 1 mA/cm² erreichen lässt (vergleiche beispielsweise [Schmiga10] oder [Mey10]). Auch bei den im Rahmen dieser Diplomarbeit erstellten Solarzellen wird dieser Effekt untersucht. Die im

unbedruckten Bereich generierten Minoritätsladungsträger müssen zum Emitter diffundie-ren. Die effektive Diffusionslänge ist kurz, da die Rückseite unpassiviert ist. Außerdem führt die Diffusion von Ladungsträgern, die oberhalb des Emitters generiert werden, hin zur unpassivierten Rückseite zu Verlusten in der Quantenausbeute nahe der Emitterkante.

0 , 0 0 , 5 1 , 0 1 , 5

WaferkanteI sc [a.u.]

x [ m m ]

Zellkante / gesägt

M ik r o s k o p b ild

Al-Emitter

Z e llk a n t e g e s ä g t u n g e s t ä g t

1mm

siebgedruckte Aluminium-Paste

Abbildung 3.23:Links: Mikroskopaufnahme und Linienscan einer LBIC-Messung an einer unbedruckten Kante der Solarzelle [Book11b]; Rechts: schematische Rückseitenansicht einer siebgedruckten Solarzelle mit rückseitigem Al-Emitter.

Beide Effekte können mit einer Laser Beam Induced Current (LBIC)-Messung untersucht werden. Diese Messmethode ermöglicht eine ortsaufgelöste Messung des Kurzschluss-stroms, um den Bereich der Kante näher zu betrachten. Für die Messung wird ein 833 nm Laser benutzt. Der Linienscan zeigt deutlich, wie im Bereich des unbedruckten Rands der Kurzschlussstrom gegen Null geht. Bis circa 0,5 mm Entfernung von der Waferkante ist noch ein Beitrag zum Kurzschlussstrom zu beobachten. Durch Diffusion von Ladungs-trägern aus der Basis zum Emitter ist die Kurve „aufgeweicht“. Wird der Bereich ohne Emitter mit einer Trennsäge entfernt, ist der Abfall der externen Quantenausbeute in Richtung der Solarzellenkante steiler, da die unpassivierte Kante nun vertikal verläuft. Dies führt zu einem Verlust im Gesamtstrom I_sc (rot schraffierter Bereich), verbessert jedoch die Stromdichte j_sc.

Auf den Solarzellen aus Abschnitt 3.1.1 und 3.1.2 lässt sich so im Mittel ein Gewinn in j_sc von etwa 0,6 mA/cm² erreichen. Die Mittelwerte sind in Tabelle 3.6 dargestellt.

Substrat F F [%] V_oc [mV] j_sc [mA/cm²] η [%abs]

A,C Gewinn -0,16 0,06 0,62 0,28

B Gewinn -0,84 0,00 0,61 0,12

beste Solarzelle, C 79,8 647 37,6 19,4^∗

Tabelle 3.6: Einfluss des Entfernens des unbedruckten Bereichs auf die I-V-Parameter (gemittelt) der hergestellten Solarzellen und Resultat der besten Solarzelle, ^∗: gemessen vom Fraunhofer ISE CalLab.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden zunächst die zum Verständnis von Solarzellen nötigen wesentlichen Grundlagen eingeführt. Es folgte eine Erklärung der verschiedenen Verlustmechanismen durch Rekombination und eine Darstellung des industriellen Standard-Siebdruck-Solarzellenprozesses für p-Typ-Silizium. Das „PhosTop“-Solarzellenkonzept, nach welchem die n-Typ-Solarzellen im Rahmen dieser Diplomarbeit hergestellt wurden, und der nasschemische Prozess zur Bildung eines selektiven Front Surface Fields wurden vorge-stellt. Des Weiteren wurden die Vorgänge zur Bildung des rückseitigen Aluminium-Emitters beschrieben und bisherige Forschungsanstrengungen des n⁺np⁺-Zellkonzeptes in einem Überblick dargestellt. Das Kapitel endete mit einer Erklärung und Beschreibung der wich-tigsten Charakterisierungsmethoden mittels Photoconductance Decay und Spectral Re-sponse.

Im zweiten Kapitel wurden Simulationen mit PC1D zu Solarzellen aus n-Typ-Silizium erstellt, um den Einfluss verschiedenster Parameter und das Potential des „PhosTop“-Zellkonzeptes zu untersuchen und besser zu verstehen. Dabei wurde die optimale Solarzel-lendicke in Abhängigkeit der Vorderseitenpassivierqualität durch die Oberflächenrekombi-nationsgeschwindigkeit zu etwa 180-200 µm ermittelt. Des Weiteren wurde die Shockley-Read-Hall-Lebensdauer und der Widerstand der Basis betrachtet. Die PC1D-Simulation der I-V-Parameter ergab eine Basislebensdauer von 4-5 ms, die für die Herstellung effizienter Solarzellen ausreicht. Eine Erhöhung der Basislebensdauer verbessert die interne Quanten-ausbeute (IQE) von n-Typ-Solarzellen über den gesamten Wellenlängenbereich, während bei p-Typ-Solarzellen sich dies nur bei Wellenlängen bemerkbar macht, die Ladungsträ-ger auf der Rückseite generieren. Eine Verbesserung der Vorderseitenpassivierung und eine angepasste Oberflächenkonzentration des Front Surface Field machen einen breiten Ba-siswiderstandsbereich für die Prozessierung von Solarzellen nutzbar. Eine abschließende Simulation des Verhaltens des effektiven Schichtwiderstands unter Beleuchtung machte deutlich, dass dieser vom Injektionsniveau abhängig ist. Außerdem wurde gezeigt, wie die generierten Elektronen den effektiven Basiswiderstand unter Beleuchtung deutlich verrin-gern.

Das dritte Kapitel dieser Arbeit präsentierte die durchgeführten Experimente und Messun-gen. In verschiedenen Voruntersuchungen wurdenj0E-, ECV-,Rsheet,Rbaseund Lebensdauer-Proben hergestellt, um die optimalen Parameter für die Herstellung von n-Typ-Solarzellen zu ermitteln. Zahlreiche Messungen an Proben und Solarzellen dienten der Charakterisie-rung und erfolgten durch unterschiedliche Messmethoden.

Im Zuge dessen konnte bei n-Typ-Solarzellen mit einem selektiven Front Surface Field eine Verbesserung in der Stromdichtej_sc um 1,1 mA/cm² und eine Steigerung der offenen KlemmspannungV_oc um 9 mV im Vergleich zu Referenz-Solarzellen mit homogenem FSF erzielt werden. Nach Untersuchungen zur verschiedenen Oberflächenpassivierungen und

deren Qualität wurden Solarzellen mit SiO²/SiN^x:H-Vorderseitenpassivierung prozessiert.

Damit ließ sich ein zusätzlicher maximaler Gewinn in der Stromdichtej_sc von 0,66 mA/cm² und ein maximaler Zuwachs bei der offenen Klemmspannung V_oc um 8,7 mV im Vergleich zu einer Standard-Siliziumnitrid-Passivierung erreichen. Der Wirkungsgrad steigerte sich dabei um fast 0,6%^abs.

Für die n-Typ-Basis wurde ihr Beitrag zur Querleitfähigkeit untersucht und es stellte sich heraus, dass dieser geringer ist als erwartet. Bei den Untersuchungen zum Einfluss der Hochtemperaturprozessschritte auf Basiswiderstand und Basislebensdauer konnte gefol-gert werden, dass die Diffusion den größten Effekt hat, indem sie beide stark ansteigen lässt, was bei der Herstellung von Solarzellen beachtet werden muss. Dagegen führt die Siliziumnitrid-Abscheidung und die Oxidation zu keiner signifikanten Änderung der Lebens-dauer und des Widerstands der Basis.

Abschließend wurde der rückseitige Aluminium-Emitter untersucht. Zuerst wurde bei j_0E -Proben mit verschiedenen kommerziellen Aluminium-Siebdruckpasten die optimalen Feuer-parameter bestimmt und auf den Kofeuerschritt bei der Solarzellenprozessierung übertra-gen. Am unbedruckten Rand auf der Solarzellen-Rückseite wurden die Stromverluste und die Gewinne in der Stromdichte nach Entfernen des Bereichs ohne Emitter quantifiziert.

Bei den hergestellten Solarzellen ließ sich j_sc somit um 0,6 mA/cm² und der Wirkungsgrad im besten Fall um 0,28%abs verbessern.

Für zukünftige Arbeiten auf diesem Zellkonzept ergeben sich verschiedene weiterführen-de Iweiterführen-deen. Für die Frontseite weiterführen-der Solarzelle wurweiterführen-de zum Einen die Untersuchung zu hoch-brechendem Silizium-Nitrid als alternative Passivierung noch nicht vollständig untersucht.

Zum Anderen wurde in Abschnitt 2.5 gefolgert, dass für niederohmiges Basismaterial ein nur lokales Front Surface Field denkbar wäre, um die Phosphoroberflächenkonzentration zu reduzieren.

Auch bei der Gestaltung der Rückseite bleiben noch einige Fragen offen. Bisher blieb der rückseitige Aluminium-Emitter unpassiviert. Eine Passivierung des Emitters birgt noch Potential in der Verbesserung des Zellkonzepts, in dem die Rekombination im rückseitigen Bereich der Solarzelle minimiert wird. Zusätzlich wäre es möglich, das Zellkonzept durch einen lokalen Emitter mit einer dielektrischen Passivierung der Basis zu erweitern.

Nicht zuletzt wäre es interessant aus den Solarzellen ein Modul zu fertigen, um das Po-tential des Zellkonzeptes auf dieser Ebene zu untersuchen. Zur Verschaltung im Modul und dem dabei auftretenden Kontaktierungsproblem der Rückseite gibt es noch wenige Ansätze. Es können auf n-Typ-Solarzellen mit vollflächigem, siebgedrucktem Aluminium-Emitter keine Silberpads gedruckt werden. Die verbleibende Aluminium-Paste müsste erst lokal entfernt werden, um den Kontakt zum Emitter herzustellen.

Ein Verfahren zum mechanischen Entfernen der Paste findet sich in [Halm09]. Eine mögli-che Kontaktierungslösung bietet das Konzept von Day4™, indem die herkömmlimögli-che Kontak-tierung mittels Vorderseiten-Silber-Busbars und Rückseiten Silber/Aluminiumpads durch ein Kupferdrahtnetz ersetzt wird, die sogenannte Day4™Elektrode [Schnei06].

Zusammenfassend wurde im Rahmen dieser Arbeit der selektive Rückätzprozess, der ur-sprünglich zur Bildung eines selektiven Emitters auf p-Typ-Solarzellen entwickelt wurde, er-folgreich auf n-Typ-Silizium übertragen, womit ein Wirkungsgrad von 18,9 % erzielt werden konnte. Durch eine verbesserte Vorderseitenpassivierung mittels eines SiO2/SiNx :H-Stack-Systems wurde schließlich ein bestätigter Rekordwirkungsgrad von 19,4 % für eine sieb-gedruckte n-Typ-Solarzelle mit drei Busbar-Design und zu 100% mit Aluminium-Emitter bedeckter Rückseite erzielt.