Zukünftige Entwicklung der Bor-BSF-Solarzelle

In diesem Kapitel wurde gezeigt, wie die Entwicklung der Bor-BSF Solarzelle weitergehen kann. Die Ergebnisse auf neuen Materialien wie das Solarsilizium sind viel versprechend. Bei den in dieser Arbeit prozessierten Solarzellen konnte keine Verbiegung der Wafer (es wurden bis zu 150 µm dünne Wafer prozessiert) festgestellt werden. Die Verwendung noch dünnerer Wafer ist der nächste logische Schritt, sobald diese in ausreichender Qualität von der Industrie zur Verfügung gestellt werden können. Die ersten Ergebnisse (ohne Prozessoptimierung) in Kapitel 4.2.4 auf Cz-Silizium motivieren, den Bor-BSF-Prozess auch auf monokristallinem Material weiterzuentwickeln.

Um den Prozess weiter zu vereinfachen, ist die Verwendung von Dotierstoffen in aufgesprühte Lösungen sinnvoll. Durch die Co-Diffusion lässt sich ein Hochtemperaturschritt einsparen. Durch ein präzises Aufsprühen der Dotierstofflösungen müsste sich das Problem der Diffusion um die Kanten der Wafer, wie es bei der BBr3-Diffusion auftrat, vermeiden lassen. Auch lässt sich mit der Sprühdiffusion einfacher eine große Anzahl an Wafer prozessieren.

Die thermische Oxidation zur Passivierung der Rückseite erfordert eine aufwändige und gründliche Reinigung der Wafer. Um auch diesen Prozesschritt zu vereinfachen und einen hohen Durchsatz an Wafern zu erreichen scheint SiCx momentan der aussichtreichste Kandidat für die Passivierung der Rückseite zu sein. Auch würde sich Siliziumcarbid in einer Durchlauf-PECVD-Anlage abscheiden lassen, was den Prozessablauf weiter vereinfacht.

Die Kontaktierung der Rückseite erfolgte bislang mit einer aluminiumhaltigen Silberpaste wie sie zum Drucken von Kontaktpads verwendet wird. Hier wären die Hersteller von Siebdruckpasten gefordert, eine Paste zu entwickeln, die einerseits das p-dotierte Bor-BSF kontaktiert und andererseits eine gute Leitfähigkeit besitzt. Eine Optimierung der Kontaktierung kann dabei zusammen mit der Optimierung

der Verschaltung der Solarzellen im Modul erfolgen, zum Beispiel mit der in Kapitel 4.5 vorgestellten Technologie der Firma Day4Energy.

Ein weiters großes Potential zur Steigerung der Ausgangsleistung fertiger Solaranlagen ist die Anordnung der Solarzellen im Modul bzw. Aufstellung der Module. Werden die Solarzellen mit einem Abstand im Modul angeordnet, kann mehr Licht hinter dem Modul wieder auf die Rückseite zurückreflektiert werden. Anordnungen mit Reflektoren würden die Einstrahlung auf der Rückseite und damit die Ausgangsleistung der Module erhöhen. Auch sind einfache Konzentratoranlagen mit verspiegelten Modulrückseiten denkbar.

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde die heutige Industriesolarzelle mit Dickfilmmetallisierung untersucht und Wege und Möglichkeiten aufgezeigt, diese weiter zu entwickeln und zu optimieren.

Im ersten Teil der Arbeit wurden Solarzellen aus Solarsilizium hergestellt und untersucht.

Solarsilizium, das direkt aus metallurgischen Silizium hergestellt wird, hat den Vorteil, dass es mit weniger Energieaufwand wesentlich kostengünstiger herzustellen ist als das bisher verwendete Electronic Grade (EG) Silizium (Herstellung/Reinigung über Destillationsverfahren). Dabei wurden Solarzellen aus unterschiedlichen Positionen (von unten nach oben) eines Blocks Solarsilizium miteinander verglichen. Für schlechtere Bereiche des Blocks wurde eine optimierte Diffusion entwickelt, die durch zusätzliches Gettern die Leistung der Zellen verbessert. So lassen sich insgesamt bessere Solarzellen mit einer engeren Verteilung der Wirkungsgrade über den gesamten Block herstellen. Es konnte gezeigt werden, dass die Solarzellen aus reinen SoG-Wafern konkurrenzfähig zu den bisher verwendeten EG-Silizium Wafern sind. Die besten Solarzellen erzielten Wirkungsgrade über 16% (125x125 mm² Wafer, 230 µm dick, normale Dickfilmmetallisierung mit Siebdruck). Um auf größeren Wafer (156x156 mm²) Leistungseinbußen durch schlechte Füllfaktoren zu verhindern, wurden Möglichkeiten untersucht, die Metallisierung auf der Vorderseite zu optimieren.

Durch einfache Änderungen in der Geometrie des Frontkontakts (3 Busbars, Trapezförmige Finger) konnte die Leistung gesteigert werden, ohne den Siebdruckprozess dabei wesentlich zu ändern. Mit einer zusätzlichen Platierung von Silber konnte ein Wirkungsgrad von 15,9% (156x156 mm² mc-SoG-Si Wafer) erreicht werden.

Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Diffusion im Gürtelofen mit aufgesprühten Dotierstoffen untersucht. Dies hat den Vorteil, dass auch die Emitterdiffusion als Durchlaufprozess (Inline) erfolgen kann und ein aufwändiges Waferhandling vermieden wird. Zudem ermöglicht die Diffusion im Gürtelofen kürzere Prozesszeiten und ist vorteilhaft für dünnere Wafer. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Anlage zum automatischem Aufsprühen von Dotierstoffen aufgebaut, was erst die Prozessierung sehr großer Wafer bis 200x200 mm² am Lehrstuhl ermöglichte. Ein beidseitiges Besprühen der Wafer führte durch ein verbessertes Phosphorgettern während der Diffusion zu höheren Wirkungsgraden. Es konnte gezeigt werden, dass sich mit der Sprühdiffusion Solarzellen mit vergleichbaren Wirkungsgraden wie bei der Diffusion aus der Gasphase (POCl3) herstellen lassen. Mit der Sprüh-diffusion wurden Wirkungsgrade bis 15,5% erreicht (mc-Silizium, normale Dickfilmmetallisierung mit Siebdruck).

Im Hauptteil der Arbeit wurde ein Konzept für bifaciale Solarzellen auf dünnen Wafern entwickelt.

Charakteristisch für dieses Konzept ist die im Vergleich zur Industriesolarzelle veränderte Rückseite mit einem Bor-BSF. Die Bor-Diffusion wurde bei einer moderaten Temperatur von 935°C durchgeführt, um eine thermische Degradation der Lebensdauer im Silizium zu verhindern, was ein BSF mit einem Schichtwiderstand von ungefähr 60 Ω/Sq ergab. Zur Passivierung der p⁺-dotierten Oberfläche des Bor-BSFs wurde ein etwa 20 nm dickes Siliziumoxid aufgewachsen. Im Anschluss wurde ein Siliziumnitrid als Antireflexions- und Schutzschicht abgeschieden. Der offene Rückkontakt wurde mit

einer aluminiumhaltigen Silber-Paste im Siebdruckverfahren hergestellt. Optisch sieht die so entstandene Solarzelle von beiden Seiten gleich aus. Eine Durchbiegung der Wafer beim Kontaktsintern (im Vergleich zur herkömmlichen ganzflächigen Metallisierung der Rückseite mit Aluminium) konnte selbst bei bis zu 150 µm dünnen Wafer nicht beobachtet werden, womit das Konzept für dünne Wafer geeignet ist. Bei einseitiger Beleuchtung konnten Wirkungsgrade von 16,1%

auf Wafern aus 75% Solarsilizium erreicht werden. Damit konnte gezeigt werden, dass sich Wirkungsgrade vergleichbar mit einem Aluminium-BSF erzielen lassen. Als zusätzlichen Bonus kann eine bifaciale Solarzelle auch das Licht auf der Rückseite einsammeln. Bei voller Beleuchtung von der Rückseite erreichen die Solarzellen noch etwa 60% - 80% ihrer normalen Leistung. Bei rückseitiger Beleuchtung haben die Bor-BSF-Solarzellen die Charakteristik einer Rückkontaktsolarzelle.

Mit einem leicht modifizierten Solarzellenprozess konnte gezeigt werden, dass das Bor-BSF Konzept auch für monokristallines Silizium interessant ist. Die ersten Ergebnisse auf Cz-Silizium sind viel versprechend und motivieren zu einer weiteren Anpassung und Optimierung des Prozesses an das monokristalline Silizium.

Anhand von Simulationen mit dem Programm PC1D wurden die Solarzellen weiter analysiert. Damit konnte zunächst die Ausgangsleistung der Solarzellen bei bifacialer Beleuchtung abgeschätzt werden.

Mit der Simulation konnte gezeigt werden, dass man mit einer Installation der Solarzellen mit möglichst voller Einstrahlung von der Vorderseite die maximale Ausgangsleistung erreicht. Der Gewinn durch das zusätzliche Einsammeln des Streulichts auf der Rückseite konnte mit den Simulationen abgeschätzt werden. Des Weiteren zeigte sich dass sich die Ausgangsleistung bei Verwendung dünnerer Solarzellen (bis zu 80-100µm) weiter steigern lässt.

Messungen mit einem Modul, bestehend aus nur einer Solarzelle unter realen Bedingungen zeigten einen Leistungsgewinn von durchschnittlich 20% im Verlauf eines Tages durch die bifaciale Eigenschaft des Moduls im Vergleich zu einem monofacialen Modul. Dabei wurde eine konventionelle Aufstellung des Solarmoduls gewählt, die keine zusätzlichen Installationskosten erfordert, ähnlich zu vielen bestehenden Solaranlagen. Bei einem monofacialen Industriemodul mit einem typischen Wirkungsgrad von 15%, müsste man, um eine Steigerung der Ausgangleistung von 20% zu erreichen, den Wirkungsgrad der Solarzellen von ~15% auf ~18% erhöhen!

In Zusammenarbeit mit der kanadischen Firma Day4Energy wurde aus den hier entwickelten Cz-Solarzellen ein bifaciales Modul mit der neuartigen Kontaktierungsmethode dieser Firma hergestellt.

Hierbei werden die siebgedruckten Finger direkt über Drähte und nicht über die Busbars kontaktiert.

Dies ermöglicht die Herstellung von Modulen mit besseren Füllfaktoren im Vergleich zur herkömmlichen Modulherstellung. Des Weiteren konnte die gleichzeitige Verwendung von p-und n-Typ Solarzellen in einem Modul demonstriert werden.

Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass bifaciale Solarzellenkonzepte ein großes Potential zur Steigerung der Ausgangsleistung auch von terrestrischen Solaranlagen haben und sich auch auf multikristallinen Siliziumwafer realisieren lassen. Mit industrienahen Herstellungsmethoden konnte ein Solarzellenprozess realisiert werden, der für Solarsilizium geeignet ist und die Prozessierung dünner Wafer erlaubt.

Anhang