Zusammenfassung und Ausblick

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den physikalischen Eigenschaften von Solarzellen-strukturen, die speziell geeignet sind, um die photovoltaische Generation in Silicium-Material geringer Diffusionslänge (≤300 µm) effizient auszunutzen. Kommerziell erhältliche Solarzellen schöpfen das Wirkungsgradpotential nur zu einem geringen Teil aus, da bei Zelldicken um 300µm und einer Verteilung der elektrischen Kontakte auf Vorder- und Rückseite erhebliche Rekombi-nationsverluste der generierten Minoritätsladungsträger entstehen, die das ausgedehnte Volumen der Zelle durchqueren müssen. In dieser Arbeit wurden zwei Wege vorgeschlagen, den Anforderun-gen industrieller elektronischer Materialqualität zu begegnen: Einerseits kann die Waferdicke soweit reduziert werden, dass die Diffusionslänge im Verhältnis zur Zelldicke groß wird und damit die Minoritätsladungsträger wesentlich verlustärmer zu den Kontakten gelangen können.

Auf der anderen Seite kann mit deremitter-wrap-through-Solarzelleein Zellkonzept verwen-det werden, dass auf Vorder- und Rückseite sammelnde pn-Übergänge aufweist und dadurch die Stromsammelwahrscheinlichkeit erhöht wird.

In beiden Bereichen wurden durch umfangreiche Optimierungen im Labor Solarzellen und Teststrukturen hergestellt und charakterisiert. Dabei konnten sehr hohe Wirkungsgrade er-reicht werden: Eine 37µm dünne, flexible Solarzelle wurde mit 20.7% Wirkungsgrad vermessen, dies ist der höchste dem Autor bekannte Wirkungsgrad für eine derart dünne Solarzelle. Zudem wurde mit 20.2% erstmals ein Wirkungsgrad oberhalb 20% für eine echte emitter-wrap-through-Solarzelle demonstriert.

Die Herstellung von zahlreichen Solarzellen auf der Basis von flexiblen Wafern mit Dicken un-terhalb 100µm war eine technologische Herausforderung, da die Standard-Prozesse im Reinraum erhöhte Bruchraten bei dünneren Wafern zeigten. Daher wurden die mechanischen Eigen-schaften flexibler Wafer im Solarzellenprozess eingehend studiert: Einerseits durch Bruch-testsan Wafern verschiedener Oberflächenqualität und Dicke, andererseits durch Bruchstati-stiken von Solarzellenchargen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals umfangreiche Daten über die Bruchkraft und den minimalen Biegeradius von monokristallinen Wafern mit Dicken zwischen 50 und 500µm aufgenommen. Durch die Anpassung von Potenzfunktionen an die ge-messenen Daten wurden die Dickenabhängigkeiten der mechanischen Parameter beschrieben. Es konnten ausschließlich monotone Abhängigkeiten im Bezug auf die Dicke festgestellt werden und damit die Hypothese eine kritischen Dicke widerlegt werden. Es war vermutet worden, dass ein ca. 100µm dünner Wafer mit eingeschränkter Flexibilität im Solarzellenprozess leichter bricht als ein folienartiger 40 µm-Wafer. Dies ist nach den experimentellen Ergebnissen dieser Arbeit auszuschließen. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die kristallographische Qua-lität der Waferkanten der entscheidende Parameter für die Bruchkraft ist: Proben mit trockenpolierten Oberflächen, die durch den hohen Druck des Polierpads viel Chipping an

131

den Rändern erlitten, zeigten die geringsten Bruchkräfte. Durch einen naßchemischen Texturätz-Schritt, der die Oberfläche mit wenigen µm großen Pyramiden texturierte, konnte dagegen trotz der starken Vergrößerung der Oberfläche eine deutliche Erhöhung der Bruchkraft erreicht wer-den. Durch diesen Schritt konnten offensichtlich Bruchkeime beseitigt werden, die die Bruchkraft von direkt dünn gesägten Wafern stark limitieren. Für die verschiedenen Oberflächenqualitäten wurden in erster Näherung beiHalbierung der Waferdicke eine Abnahme der Bruchkraft um ca. 70% und des minimalen Biegeradius um ca. 40% festgestellt. Eine Korrelation der gemessenen Abhängigkeiten mit den mechanischen Materialparametern von Silicium, z.B.

über FEM-Simulationen, ist eine logische Fortsetzung dieser Untersuchungen und sollte das phy-sikalische Verständnis der Silicium-Bruchmechanik weiter vertiefen.

Für Silicium als indirektem Halbleiter mit einer Bandlücke von 1.12 eV sind die Eindringtie-fen elektromagnetischer Strahlung des langwelligen Sonnenspektrums sehr groß. Um die Verluste durch direkte Reflexion an der Vorderseite und Wiederauskoppeln nichtabsorbierter Photonen zu reduzieren, sind vorallem bei dünnen Zellen entsprechende Maßnahmen zur Reflexionsmin-derung und zum Lichteinfang notwendig. In dieser Arbeit wurde das für hocheffiziente Solarzel-len übliche System aus invertierten Pyramiden mit SiO₂-Passivierung und SiO₂ -Al-Rückseite in verschiedenen Variationen untersucht. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Beschreibung des Strahlenganges in der Zelle durch statistisch definierte Reflexionswerte in eindimensionalen Modellen gelegt. Es wurde untersucht, inwiefern die Photogeneration in ei-ner ultradünnen Solarzelle noch durch einfache eindimensionale Modelle mit wellenlängen- und winkelunabhängigen Reflexionsparametern beschrieben werden können. Zum Vergleich wurden 3-dimensionale Strahlverfolgungssimulationen (mit dem Programm RAYN [Schu94]) durchge-führt, die die Rückseitenreflexion nach demPhong-Modell[FVF⁺90] berechneten. Als wichtigster Parameter für effizienten Lichteinfang wurde besonders die Rückseitenreflexion R_b mit ver-schiedenen Methoden untersucht. Zunächst wurden Optikproben mit unterschiedlicher Rück-seitentopographie und gleicher Vorderseitentextur hergestellt. Die gemessenen Reflexionskurven wurden dann mittels RAYNangepasst und R_b extrahiert. Weiterhin wurde durch die erweiter-te IQE-Analyse von Basore [Bas93] Wererweiter-te für R_b anhand von IQE-Messungen an hergestellten Solarzellen bestimmt. Es wurde bei beiden Verfahren eine deutliche Zunahme von Rb für ab-nehmende Zelldicke festgestellt. Dieses neue Phänomen wurde statistisch durch die erhöhte Anzahl interne Reflexionen bei dünnen Zellen erklärt: Durch häufigere Reflexion wird die resul-tierende Strahlung immer diffuser, d.h. der mittlere Auftreffwinkel auf die Rückseite wird größer und strebt bei völlig diffuser Strahlung gegen 60°.

Die von Green [Gre98a] berechneten R_b-Werte in Abhängigkeit der Rückseitenoxid-dicke und des Auftreffwinkels konnten qualitativ bestätigt werden. Die Tatsache, dass für Auf-treffwinkel oberhalb dem kritische Totalreflexionswinkel von 24.7° für den Si-SiO₂-ÜbergangR_b -Werte kleiner als 100% bestimmt wurden, konnte durch die physikalischen Vorgänge bei der Totalreflexion beim Übergang zwischen Silicium und Siliciumdioxid an der Rückseite der So-larzelle erklärt werden: Auch unter Totalreflexionsbedingungen dringt ein Evaneszenzfeld einige Wellenlängen tief in das SiO₂ ein. Da die Oxiddicke mit wenigen 100 nm klein gegen die infraro-ten Wellenlängen ist, trifft dieses auf das Rückseiinfraro-tenmetall und erleidet Verluste, dieR_b auf unter 100% reduzieren. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass durch Erhöhung der Oxiddicke auf der Rückseite zunächstRb gesteigert werden kann, jedoch auch – wie von Green berechnet – Interferenzeffekte auftreten und R_b bei weiterer Steigerung der Oxiddicke abnimmt.

7.4. ZUSAMMENFASSUNG 133 Zur weiteren Steigerung der Rückseitenreflexion wurden Rückseitenmetallisierung mit Al und Ag untersucht. Durch die geringere Absorption von Ag im Vergleich zu Al konnte R_b weiter gesteigert werden. Für 60 µm dünne Zellen konnten durch die Verwendung von Ag als Rück-seitenmetall Rb-Werte von 99% mittels RAYN angepasst und damit eine nahezu perfekter Rückseitenspiegel hergestellt werden.

Die verschiedenen Oberflächentopographien der Rückseite (geschliffen, poliert, sägerauh + nachgeätzt sowie mit invertierten Pyramiden texturiert) wurden untersucht und der Einfluss auf den Phong-Exponenten w bestimmt, der den diffusen Charakter der Rückseitenreflexion quantifiziert. Es konnten die erwarteten Ergebnisse erhalten werden, dass eine polierte bzw.

geschliffenen Oberfläche vorallem direkt reflektiert, wohingegen eine Rückseitentextur durch eine sehr diffuse Reflexion beschrieben werden konnte. Die vielfältigeerfolgreiche Anwendbarkeit des StrahlverfolgungsprogrammsRAYN konnte demonstriert werden, die erweiterte IQE-Auswertung nach Basore hingegen konnte lediglich qualitativ richtige Ergebnisse liefern.

Schließlich wurde durch Simulationen der direkte Einfluss von R_b auf den Kurzschlussstrom einer Solarzelle berechnet und abgeschätzt, welche Stromgewinne durch Optimierung von Rb

in Abhängigkeit der Zelldicke möglich sind. Dabei stellt sich heraus, dass die Sensitivität einer 50µm dünnen Solarzelle bzgl. R_b in etwa doppelt so groß ist wie bei einer 250 µm dicken Zelle.

Zur Bewertung der R_b-Bestimmung mittels RAYN wurde die Absorption an freien La-dungsträgern (free carrier absorption, FCA) intensiv untersucht. Durch eindimensio-nale Simulationen wurde das zunächst überraschende Ergebnis erhalten, dass der Einfluss der FCA auf dünne Zellen geringer ist, als für dicke Zellen. Zunächst wurde vermutet, dass bei dünnen Zellen die größere Anzahl der interne Reflexionen und damit auch der häufigere Durch-gang der hochdotierten Emitterregion zu größeren FCA-Verluste führen sollte. Der umgekehrte Effekt konnte jedoch dadurch erklärt werden, dass die Verluste durch Vorder- und Rückseitenre-flexionen bedeutend größer sind als die FCA-Verluste. Der Absorptionskanal der FCA führt zu verkürzten Absorptionslängen im Silicium und dadurch auch zu weniger Oberflächenreflexionen bis zur ”vollständigen” Absorption. Da bei dicken Zellen dann die relative Verringerung der An-zahl der Zelldurchgänge größer ist als bei dünnen Zellen, wird ihre Absorption stärker von der FCA beeinflusst als die von dünneren Zellen. Dieses Zusammenspiel ähnelt dem von Oberflächen-und Volumenrekombination bei den elektrischen Verlusten.

Es konnte durch prinzipielle Abschätzungen sowie durch Messungen an identisch prozessierten Solarzellen mit stark unterschiedlicher Basisdotierung ein nicht vernachlässigbarer Einfluss der FCA auf die Reflexion im langwelligen Bereichoberhalb 1100 nm nachgewiesen wer-den. Die von RAYN nicht berücksichtigte FCA spiegelt sich in geringeren R_b-Werten wider, da die FCA-Verluste der Rückseite zugeschlagen werden. Um in der eindimensionalen PC1D-Halbleitersimulation [CB97a] korrekte optische Generationsprofile zu erhalten, muss daher bei Verwendung derRb-Werte vonRAYNdie FCA abgeschaltet werden. Unter diesen Bedingungen konnten alle optischen Parameter bestimmt werden, um Solarzellen mit Dicken bis unter 40 µm erfolgreich eindimensional optisch simulieren zu können. Dies wurde auch für verschiedene Dich-ten der RückseiDich-tenkontaktpunkte (die durch das LFC-Verfahren [Schn04] eingebracht wurden) erfolgreich durchgeführt. Damit konnte der Nachweis erbracht werden, dass trotz der ausgepräg-ten 3-Dimensionalität einer Solarzelle mit z.B. 40 µm Dicke, einer Pyramiden-Textur-Tiefe von 14µm und einem Kontaktpunktabstand von 1000µm eine eindimensionale optische Beschreibung mit ausreichender Genauigkeit möglichist.

Die LFC-Kontaktierung wurde optisch untersucht und dabei das Ergebnis erhalten, dass keine lineare Zumischung von kontaktierten Bereichen zu einer vollständig unkontaktierten Rückseite die gemessenen Reflexionskurven wiedergeben konnte. Dadurch wurde der Nachweis erbracht, dass die LFC-Kontaktpunkte eine komplexe dreidimensionale Struktur darstellen, die die optischen Eigenschaften der Rückseite beeinflussen können.

Im Folgenden wurde dieses Ergebnis auf die elektrischen Eigenschaften ausgedehnt. Zunächst wurde der Einfluss der für den pn-Übergang notwendigen Emitterregion bei Material unter-schiedlicher Diffusionslänge untersucht. Es stellte sich durch Simulation und Experiment heraus, dass bei Material sehr hoher Diffusionslänge die Emitterrekombination deutlich höher ist als die Rekombination in der Basis. Für Material industrieller Qualität kehrte sich das Bild um, der verwendete 120 Ω/-Emitter limitierte den Wirkungsgrad der Zellen kaum.

Um den Einfluss des Basismaterials und der Rückseitenrekombination zu untersuchen, wur-den Solarzellen auf mehreren Materialqualitäten hergestellt und vermessen. Zudem wurde der Abstand der Rückseiten-LFC-Punktkontakte variiert. Nach unabhängiger Messung der Diffu-sionslängen der Materialien wurde das Fischer-Modell [Fis03] für die effektive Oberflächen-rekombinationsgeschwindigkeit (ORG) der punktkontaktierte SolarzellenrückseiteS_ban die Messda-ten angepasst. Durch Vergleich mit direkMessda-ten Messungen vonS_bkonnte dasFischer-Modell an-hand einer sehr breiten Datenbasis validiertwerden. Weiterhin war es erstmals möglich, in Kombination mit hochauflösenden LBIC-Aufnahmen denKontaktradius eines LFC-Punktes zu 46µm zu bestimmen. Unter Annahme dieses Wertes und unter Verwendung der unabhängig gemessenen ORG der unkontaktierten Bereiche der Rückseite, konnten mit dem Fischer-Modell alle Solarzellenergebnisse mit Dicken zwischen 36 und 290 µm, Basisdotierung zwischen 0.1 und 0.8Ω cmund LFC-Punktabstand zwischen 500 und 1000 µm reproduziert werden.

Als Ergebnis dieser Untersuchung konnten einerseits dieMetallisierungsanteile der LFC-Rückseite mit 500, 750 und 1000 µm Punktabstand erstmals zu 0.7, 1.2 und 2.8%

bestimmt werden. DieORG der LFC-kontaktierten Rückseite konnte über einen wei-ten Dotierungsbereich bestimmtwerden und über eine Funktion der Form

S_{ef f} =S₀· N_A

Nonset

α

beschrieben werden. Die Parameter S₀,Nonsetundαkonnten für alle 3 Punktabstände bestimmt werden. Die hervorragende Passivierungsqualität der SiO₂-Al-LFC-Rückseite konnte mit Werten unter 4.3 cm/s für 100 Ωcm FZ und 1000µm Punktabstand demonstriert werden.

Das LFC-Verfahren wurde mit der Standard-PERC-Rückseite verglichen, die durch pho-tolithographische Öffnung der Rückseitenpunkte realisiert wird. Die Passivierungsqualität der PERC-Rückseite ist durch den direkten Si-Al-Kontakt praktisch unabhängig von der Basisdo-tierung. Die ORG der LFC-Rückseite hingegen profitiert von dem durch den Laserbeschuss er-zeugten Al-LBSF, wodurch diese im gesamten untersuchten Dotierungsbereich, vorallem aber niedrigdotiertem Material, deutlich unter den PERC-Werten liegt. Die zusätzliche, von Glunz et al. [GGH⁺03] belegte Schädigungszone im LFC-Kontakt erhöht S_b erst bei höheren Basisdo-tierungen leicht über die PERC-Werte. Das LFC-Verfahren kann als sehr leistungsfähiges und einfach industriell realisierbares Verfahren zur Herstellung einer hervorragend dielektrisch passi-vierten punktkontaktierten Rückseite bestätigt werden.

Zur eindimensionalen Beschreibung der hergestellten Solarzellen wurden weiterhin Messun-gen zum Serienwiderstand Rs benötigt. Dieser wurde in Anlehnung an das von Aberle et

7.4. ZUSAMMENFASSUNG 135 al. [AWG93] vorgeschlagene Verfahren durch Vergleich der Dunkel- und Hellkennlinie der So-larzellen bestimmt. Unter der Annahme, dass im Dunkelfall kaum Strom fließt und daher auch kaum eine Spannung an den Serienwiderständen abfällt, kann durch Vergleich der Spannungen bei j =jmpp von Dunkel- und der um den Kurzschlussstrom verschobene Hellkennlinie der Se-rienwiderstand am MPP bestimmt werden. Dies wurde für die verschiedenen Basismaterialien und für einige Zelldicken durchgeführt und die erhaltenen Werte linear interpoliert. Dabei konnte derEinfluss der Quer- und Vertikalleitung in Abhängigkeit der Zelldicke herausge-arbeitet werden: Ist die Basisleitfähigkeit groß (z.B.ρ_b= 0.1 Ω cm), so sinkt R_s bei geringerer Zelldicke, da die Vertikalleitung die größere Rolle spielt. In diesem Fall ist auch kaum ein Einfluss des LFC-Punktabstandes zu verzeichnen. Ist dagegen die Basis geringer dotiert (z.B. ρ_b ≥ 0.5 Ωcm), dominiert die Querleitung undR_s steigt bei sinkender Dicke. Nun ist auch eine deutliche Senkung vonR_s durch Verringerung der LFC-Punktabstandes möglich.

Durch die konsequente Bestimmung aller optischer und elektrischer Parameter konnten voll-ständige eindimensionale Simulationen der hergestellten Solarzellen mittels PC1D durchgeführt werden. Es konnten für alle Basismaterialien, Dicken und LFC-Punktabstände sehr gute Übereinstimmungen zwischen Simulation und Messung erreicht werden. Die notwendigen Simulationsparameter deckten sich auch sehr gut mit den unabhängig bestimmten Messwerten an Teststrukturen. Damit konnte nachgewiesen werden, dass selbst die starke 3-Dimensionalität der untersuchten ultradünnen Solarzellen kein Hindernis für eine erfolgreiche eindimensionale Simulation ist.

Mit dem Simulationsmodell wurde eine Verlustanalyse durchgeführt, um die Hauptverlu-ste für Material hoher und geringer Qualität zu bestimmen. Dabei konnte gezeigt werden, wie für industrielles Material der Wirkungsgradverlust durch die hohe Basisrekombination effektiv mittels Dickenreduktion minimiert werden kann. Für das hochqualitative Material wurde die Emitterdiffusion als naheliegender Optimierungsbereich (z.B. durch Verwendung eines selektiven Emitters) identifiziert.

Der zweite Teil der Arbeit ist derUntersuchung von emitter-wrap-through-Solarzellen (EWT) gewidmet, deren beide elektrischen Kontakte sich auf der Rückseite befinden. Bei die-sem Zellkonzept wird einer geringen Diffusionslänge durch zwei sammelnde pn-Übergänge auf Vorder- und Rückseite begegnet, die durch emitterdiffundierte Löcher im Wafer elektrisch ver-bunden sind. Gerade diese Löcher fehlen beim Konkurrenzkonzept der Rückseitenkontaktzelle (RSK). Dadurch ergibt sich eine sehr starke Abhängigkeit von der Basisdiffusionslänge, da die an der Vorderseite generierten Elektronen das gesamte Zellvolumen als Minoritäten durchqueren müssen, bevor sie die Kontakte erreichen. Bei EWT-Zellen können sie dagegen aus dem Vor-derseitenemitter über die Emitterbereiche in den Löchern verlustarm die Rückseite erreichen.

Der Schichtwiderstand in den Löchern konnte dabei als entscheidender Parameter für die EWT-Leistungsfähigkeit herausgestellt werden, wohingegen die Passivierung der Lochinnenwände eine untergeordnete Rolle spielt.

Zur Demonstration des EWT-Effektes, d.h. der deutlichen Erhöhung von j_sc im Vergleich zur RSK auf Material mit geringer Diffusionslänge, wurden Solarzellen nach verschiedenen Kon-zepten hergestellt. Mittels demhigh-eta-Konzept konnten auf degradiertem Cz(B)-Material eine Steigerung vonj_sc um fast 10 mA/cm² im Vergleich zwischen EWT und RSK gemes-sen werden. Der Wirkungsgrad der EWT-Zelle lag dabei um 3.8%abshöher als der der RSK. Diese Überlegenheit wurde auch durch Messungen der internen und externen Quanteneffizienz

unter-mauert, es konnten Absolut-Unterschiede zwischen EWT und RSK von ca. 25% im gesamten kurzwelligen Bereich gemessen werden.

Durch Prozessierung von EWT- und RSK-Zellen auf dem gleichen Wafer ergab sich bei Ver-wendung von degradierendem Cz(B)-Material eine elegante Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit der Zellkonzepte über einen breiten Diffusionslängenbereich zu untersuchen. Dafür wurden die Zellen nach Ausheilen des metastabilen Defektes [Rei04] unter den Sonnensimulator gelegt und nach verschiedenen Zeitabständen gemessen. Durch unabhängige Charakterisierung des Mate-rials konnte die Beleuchtungsdauer seit Ausheilen des Defektes direkt mit der entsprechenden Diffusionslänge korreliert werden. Dadurch wurde die Auftragung von jsc über der Dif-fusionslänge möglich und das verwendete 2D-DESSIS-Modell [Dic03] konnte validiert werden.

Schließlich wurde die Leistungsfähigkeit derZellkonzepte EWT, RSK und PERCauf 250 µm dicken, degradierten Cz(B)-Wafernverglichen. DieÜberlegenheit des EWT-Konzeptes konnte mit absolut 3.8 bzw. 0.5% höheren Wirkungsgradwerten im Vergleich zu RSK und PERC klar gezeigt werden. In Verbindung mit dünneren Wafern würde diese Überlegenheit noch wei-ter anwachsen, da dann die EWT-Zelle einerseits von ihrer fehlenden Vorderseitenabschattung, andererseits durch die sinkenden Serienwiderstandsverluste durch die Löcherleitung profitieren sollte.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die Verwendung von hocheffizien-ten Zellkonzephocheffizien-ten auf dünnen Wafer und/oder die EWT-Solarzelle wirkungsvolle Methoden zur optimalen photovoltaischen Ausnutzung von Silicium-Material geringer Diffu-sionslänge existieren. Bei der Untersuchung dieser Konzepte ergeben sich interessante physi-kalische Fragestellungen, die im Rahmen dieser Arbeit bearbeitet wurden. Zur Reduktion der Energiegestehungskosten von Solarzellen sind beide Konzepte geeignet, jedoch sind die direk-ten Realisierungschancen des hocheffiziendirek-ten LFC-Konzeptes auf dünnen Wafern höher als die der EWT-Zelle, da dieses weniger Prozessänderungen für die existierenden Produktionslinien benötigt.

Vom wissenschaftlichen Standpunkt gesehen wäre eine Verbindung beider Ansätze, d.h. eine ultradünne EWT-Zelle, die optimale Wahl für die Prozessierung von Material industrieller Qua-lität. Die Realisierung einer solchen Solarzelle ist jedoch mit großen Schwierigkeiten verbunden, da die Einbringung von Tausenden Löchern in flexible Silicium-Wafer sehr wahrscheinlich die Bruchrate erheblich erhöhen würde.

Anhang A