Rückkontaktzellkonzepte für großflächige, kristalline Siliziumsolarzellen

R¨ uckkontaktzellkonzepte f¨ ur großfl¨achige, kristalline Siliziumsolarzellen

Holger Knauss

R¨ uckkontaktzellkonzepte f¨ ur großfl¨ achige, kristalline

Siliziumsolarzellen

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades des Doktors der Naturwissenschaften

(Dr. rer. nat.)

an der Universit¨at Konstanz Fachbereich Physik

vorgelegt von Holger Knauss

Tag der m¨undlichen Pr¨ufung: 11.Juli 2007 Referent: Prof. Dr. Ernst Bucher

Referent: PD Dr. Giso Hahn

Konstanzer Online-Publikations-System (KOPS) URL: http://www.ub.uni-konstanz.de/kops/volltexte/2007/3886/

URN: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:352-opus-38865

Inhaltsverzeichnis

Einleitung 3

1 Grundlagen 7

1.1 Die konventionelle, kristalline Siliziumsolarzelle . . . 7

1.1.1 Aufbau einer konventionellen Solarzelle . . . 7

1.1.2 Herstellungsprozess mit Dickfilm-Metallisierung . . . 8

1.1.3 Herstellungsprozess mit stromloser Metallisierung . . . 11

1.2 I-V-Kennlinien . . . 14

1.2.1 Messen von I-V-Kennlinien . . . 14

1.2.2 Beschreibung vonI-V-Kennlinien mit Hilfe des Zwei-Dioden- Modells . . . 16

2 R¨uckkontaktsolarzellen 19 2.1 Motivation . . . 19

2.2 Zellkonzepte . . . 21

2.2.1 Interdigitated Back Contact . . . 21

2.2.2 Metallisation Wrap Around . . . 23

2.2.3 Metallisation Wrap Through . . . 26

2.2.4 Emitter Wrap Through . . . 27

2.3 Bewertung der verschiedenen Zellkonzepte . . . 29

2.4 Modulverschaltung mit R¨uckkontaktsolarzellen . . . 30

3 Prozessschritte f¨ur Siebdruck-MWT-Solarzellen 33 3.1 Erzeugung der L¨ocher . . . 33

3.1.1 Optische Untersuchung des laserinduzierten Kristallschadens 37 3.1.2 Untersuchung des laserinduzierten Kristallschadens mitµPCD Lebensdauermessungen . . . 42

3.2 Lochmetallisierung . . . 44

3.2.1 Angepasster Siebdruckprozess . . . 45

3.3 Paste f¨ur die Metallisierung der n-Typ Busbars . . . 49

3.3.1 Anpassung der Silberpaste f¨ur die Metallisierung der Busbars 51 3.4 Isolation des pn- ¨Ubergangs . . . 54

1

4.1.1 Elektrische Eigenschaften im Bereich ohne Busbars . . . . 58

4.1.2 Elektrische Eigenschaften der Busbarregion . . . 58

4.1.3 Parallelschaltung von Busbarregion und der restlichen Zelle 64 4.2 Experimentelle ¨Uberpr¨ufung des Modells . . . 67

4.3 Optimierung der Zellgeometrie . . . 69

4.3.1 Konventionelle Zelle . . . 70

4.3.2 MWT-Design mit verk¨urzten Busbars . . . 71

4.3.3 MWT-Design mit Busbar am Rand . . . 71

4.3.4 MWT-Zellen im PUM-Design . . . 72

4.3.5 Zusammenfassung . . . 74

5 Herstellung und Zellergebnisse 77 5.1 Herstellungsprozess f¨ur MWT-Zellen mit siebgedruckter Metalli- sierung . . . 77

5.2 Zellergebnisse . . . 79

5.3 Prozessvereinfachung . . . 81

5.4 Vergleich mit konventionellen Zellen . . . 85

5.5 Ausblick . . . 88

6 MWT-Zellen mit stromloser Metallisierung 89 6.1 Herstellungsprozess . . . 89

6.2 Zellergebnisse . . . 92

6.3 Zusammenfassung . . . 93

Zusammenfassung 95

Anhang 99

Literaturverzeichnis 101

Publikationen 109

Danksagung 111

Einleitung

Die Photovoltaikindustrie zeigte in den letzten f¨unf Jahren ein rasantes Wachs- tum mit Zuw¨achsen von ¨uber 40 % j¨ahrlich [1]. Die Weltjahresproduktion lag 2006 bei ¨uber 2.5 Gigawatt [2]. Dabei haben kristalline Siliziumsolarzellen mit mehr als 90 % Marktanteil eine dominierende Stellung. Fast alle diese Zellen werden mit einem seit langem verwendeten Prozess hergestellt, bei dem die Metallkon- takte mit Dickfilm-Technologie aufgetragen werden [3]. Das Hauptaugenmerk der gegenw¨artigen Photovoltaik-Forschung gilt der Optimierung dieses bestehenden Prozesses. Ziel dabei ist es, die Kosten f¨ur photovoltaisch erzeugten Strom zu senken.

Dies kann einerseits durch eine Steigerung des Wirkungsgrads bei moderat an- wachsenden Herstellungskosten geschehen. Ein Beispiel hierf¨ur ist die Texturie- rung der Zellvorderseite, die jetzt auch f¨ur multikristalline Solarzellen vermehrt eingesetzt wird.

Andererseits ist es m¨oglich die Herstellungskosten bei etwa gleichbleibendem Wir- kungsgrad zu senken. Dies war die Motivation f¨ur die auff¨alligsten Ver¨anderungen bei der Herstellung von Solarzellen in den letzten Jahren: Der Verwendung immer d¨unnerer und gr¨oßerer Substrate. Mit gr¨oßeren Wafern kann bei gleichem Pro- zessaufwand eine gr¨oßere Ausgangsleistung erzielt werden. Kommerziell werden heute Solarzellen mit bis zu 21 x 21cm² Zellfl¨ache produziert.

Durch die Verwendung d¨unnerer Wafer k¨onnen die Materialkosten reduziert wer- den. Der Trend zu d¨unneren Wafern wurde durch die Siliziumknappheit ab 2004 verst¨arkt. Die Dicke der Wafer nahm von 2002 bis heute von ca. 300 µm auf teilweise unter 200µm ab [1].

Sowohl durch die vergr¨oßerte Zellfl¨ache, als auch durch die reduzierte Dicke der Zellen entstehen neue Herausforderungen insbesondere bei der Verschaltung der Zellen zu Modulen, denen mit Hilfe von R¨uckkontaktsolarzellen¹ begegnet wer- den kann.

Bei sehr großen Zellen erlaubt ein R¨uckkontaktdesign, die Verbinder, mit denen die Zellen im Modul verschaltet werden, großz¨ugig zu dimensionieren, da diese auf der Zellr¨uckseite verlaufen und dort keine Abschattung der Zelle bewirken. Von

1Als R¨uckkontaktsolarzellen werden in dieser Arbeit Solarzellen bezeichnet, bei denen die externen Kontakte beider Polarit¨aten auf der R¨uckseite der Zelle angeordnet sind.

3

einer 21 x 21 cm² großen Solarzelle werden am Arbeitspunkt etwa 14 A Strom generiert. Diesen verlustarm von der Zelle abzuf¨uhren, ist mit der konventionellen Verschaltungstechnologie kaum mehr m¨oglich.

Sehr d¨unne und deshalb fragile Solarzellen k¨onnten mit Hilfe von alternativen Modulbautechnologien, die mit R¨uckkontaktsolarzellen m¨oglich werden, verschal- tet werden [4]. Beim konventionellen Modulbau werden die einzelnen Zellen zu sogenannten Strings aus etwa 8 Zellen verl¨otet, die einzelnen Strings m¨ussen ver- schaltet und verkapselt werden. Einerseits stellt die Handhabung der Stings aus d¨unnen, fragilen Zellen eine Herausforderung dar, andererseits f¨uhren thermische Spannungen, verursacht durch die relativ hohen Temperaturen beim L¨otvorgang, bei d¨unnen Solarzellen vermehrt zu Bruch. An R¨uckkontaktsolarzellen angepasste Modulbautechniken k¨onnten die Handhabungsschritte und die thermische Belas- tung der Zellen reduzieren, so dass insbesondere bei d¨unnen Zellen die Bruchrate reduziert werden k¨onnte.

F¨ur R¨uckkontaktsolarzellen angepasste Technologien in der Modulproduktion bieten auch f¨ur Solarzellen gew¨ohnlicher Dicke Potential f¨ur eine Kostenredukti- on bei der Modulherstellung [5].

Dar¨uber hinaus sind von R¨uckkontaktsolarzellen schon auf Zellebene h¨ohere Wir- kungsgrade zu erwarten, da die Abschattung der externen Kontakte auf der Zell- vorderseite entf¨allt und somit die aktive Zellfl¨ache zunimmt.

Ziel der Untersuchungen dieser Arbeit ist die Entwicklung eines R¨uckkontaktso- larzellenkonzepts und eines zugeh¨origen Herstellungsverfahrens, welches beson- ders f¨ur großfl¨achige (15.6× 15.6 cm², semi-square) monokristalline Substrate geeignet ist. Der verwendete Herstellungsprozess soll dabei zeitnah in die Indus- trie transferierbar sein.

Im ersten Kapitel wird der Aufbau einer konventionellen Solarzelle dargestellt und industriell eingesetzte Prozesse f¨ur deren Herstellung beschrieben. Zur grund- legenden Analyse einer Solarzelle werden deren Strom-Spannungs-Kennlinien auf- genommen. Deren Messung und Interpretation ist ebenfalls Gegenstand des ersten Kapitels.

Imzweiten Kapitel werden verschiedene Realisierungen von R¨uckkontaktsolarzel- len vorgestellt. Eine Abw¨agung der Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Kon- zepte f¨uhrt zu dem Schluss, dass ein zeitnaher Transfer einer großfl¨achigen R¨uck- kontaktsolarzelle in die Industrie mit dem Metallisation Wrap Through (MWT) Konzept am wahrscheinlichsten ist. MWT-Solarzellen sind in ihrem Aufbau kon- ventionellen Solarzellen sehr ¨ahnlich. Lediglich die Emitterbusbars der Zellen wer- den von der Vorder- auf die R¨uckseite der Zellen verlegt. Die elektrische Verbin- dung der Busbars zu den Kontaktfingern der Zelle, die auf der Zellvorderseite bleiben, wird durch L¨ocher in der Zellfl¨ache hergestellt.

Notwendige Anpassungen und Ver¨anderungen an den in der Industrie sehr ver- breiteten Herstellungsprozess mit Dickfilm-Technologie werden imvierten Kapitel diskutiert und untersucht.

EINLEITUNG 5 Im f¨unften Kapitel wird ein Modell zur Beschreibung der elektrischen Eigen- schaften von MWT-Solarzellen eingef¨uhrt. Dieses Modell wird anschließend dazu verwendet, die optimale Anordnung der Kontakte zu ermitteln. Das Design der MWT-Solarzelle soll eine Verschaltung mit der herk¨ommlichen, auf Verbindern beruhenden Technologie erm¨oglichen und gleichzeitig den Wirkungsgrad im Ver- gleich zu konventionell aufgebauten Solarzellen steigern.

Zellergebnisse von großfl¨achigen MWT-Solarzellen werden in Kapitel 6 vorge- stellt. Ferner wird hier auf m¨ogliche Prozessvereinfachungen und -optimierungen eingegangen.

Im siebten Kapitel wird ein alternativer, industienaher Herstellungsprozess f¨ur MWT-Solarzellen eingef¨uhrt, bei dem die Kontakte mit stromloser Metallisie- rung erzeugt werden. Anschließend werden Ergebnisse von MWT-Zellen, die mit diesem Prozess hergestellt wurden, diskutiert und Perspektiven f¨ur die Weiter- entwicklung des Prozesses erl¨autert.

Kapitel 1 Grundlagen

1.1 Die konventionelle, kristalline Siliziumsolar- zelle

Als konventionelle Solarzellen werden hier kristalline Siliziumsolarzellen mit her- k¨ommlichem Aufbau bezeichnet, die aus p-dotierten Substraten hergestellt wer- den.

Im folgenden wird zun¨achst der Aufbau einer konventionellen Solarzelle beschrie- ben. Anschließend werden zwei Prozesse vorgestellt, die industriell zu deren Her- stellung verwendet werden.

1.1.1 Aufbau einer konventionellen Solarzelle

Eine konventionelle Solarzelle besteht aus ca. 200-300 µm dickem, p-dotiertem kristallinem Silizium. Die Gr¨oße von kommerziell hergestellten Solarzellen reicht derzeit etwa von 10 x 10 cm² bis zu 21 x 21 cm². Auf der Vorderseite der Zelle befindet sich ein Emitter: eine d¨unne (d < 1 µm), n-dotierte Schicht. An der Stelle, an der die unterschiedlich dotierten Bereiche aneinander stoßen, entsteht ein pn- ¨Ubergang. Er erm¨oglicht die Umwandlung von Licht in elektrische Ener- gie. Da sich Elektronen im Emitter und L¨ocher in der Basis sammeln, stellt der Emitter den Minuspol der Zelle und die Basis den Pluspol dar.

Beide Pole m¨ussen gut leitend kontaktiert werden. Da auf der Zellvorderseite Licht in die Solarzelle eingekoppelt werden soll, werden hier die Kontakte in Form eines Gitters aus Metall realisiert. Eine große Zahl d¨unner Kontaktfinger wird durch wenige Busbars, die senkrecht zu den Fingern verlaufen, miteinander verbunden. Die Busbars werden dar¨uber hinaus als externe Kontakte der Solar- zelle genutzt. Die R¨uckseite der Zelle ist in der Regel ganzfl¨achig metallisiert.

Um Rekombination von photogenerierten Ladungstr¨agern an der Zellr¨uckseite zu unterdr¨ucken, wird dort ein Back Surface Field (BSF) gebildet. Es hemmt die Rekombination an der Zellr¨uckseite indem es die Konzentration der Mino-

7

Abbildung 1.1: Schematische Darstellung des Aufbaus einer konventionellen Solar- zelle. An der Zellvorderseite befindet sich ein d¨unner (d <1 µm), n-dotierter Emitter (gelb). Die Basis der Zelle ist p-dotiert. Der pn- ¨Ubergang an der Zellvorderseite dient dazu, photogenerierte Ladungstr¨ager zu trennen. Rekombination von Ladungstr¨agern an der Zellr¨uckseite wird durch ein Back Surface Field (rot) reduziert. An der Zell- vorderseite wird die Oberfl¨achenrekombination durch eine Beschichtung mit Silizium- nitrid herabgesetzt. Diese dient gleichzeitig als Antireflexionsbeschichtung und bewirkt die Blauf¨arbung der Solarzelle. Der Emitter auf der Zellvorderseite wird mit einem Me- tallgitter kontaktiert. Die R¨uckseite der Zelle ist meist ganzfl¨achig mit Metall bedeckt.

rit¨atsladungstr¨ager an der Oberfl¨ache reduziert. An der Zellvorderseite wird die unerw¨unschte Oberfl¨achenrekombination durch eine Passivierung mit Siliziumni- trid herabgesetzt.

Die Dicke des Siliziumnitrids wird so gew¨ahlt, dass es neben der Oberfl¨achenpas- sivierung gleichzeitig als Antireflexionsschicht genutzt werden kann.

1.1.2 Herstellungsprozess mit Dickfilm-Metallisierung

Ein typischer Herstellungsprozess f¨ur konventionelle Solarzellen mit Dickfilm- Metallisierung, der standardm¨aßig an der Photovoltaik-Abteilung der Universit¨at Konstanz verwendet wird, ist in Abbildung 1.2 dargestellt. Er ist detailliert in [6] beschrieben. Dieser einfache Prozess wird f¨ur die Produktion von ca. 85 % al- ler kommerziell hergestellten Solarzellen verwendet [3]. Als Ausgangsmaterial f¨ur den Prozess, der in wenige Schritte unterteilt werden kann, dient ein p-dotierter Siliziumwafer.

Entfernen des S¨ageschadens und Reinigung der Wafer Beim S¨agen der Siliziumwafer aus Bl¨ocken entsteht eine defektreiche Schicht an der Oberfl¨ache der Wafer. Diese Schicht wird nasschemisch durch ¨Atzen entfernt. Dazu wer- den alkalische ¨Atzl¨osungen wie NaOH oder KOH verwendet. Durch Zusatz von Isopropanol kann auf monokristallinen Wafern eine Textur der Oberfl¨ache, die

1.1. DIE KONVENTIONELLE, KRISTALLINE SILIZIUMSOLARZELLE 9 aus zuf¨allig verteilten Pyramiden besteht, erzeugt werden. Da die Herstellung der Textur auf dem anisotropen ¨Atzverhalten der L¨osungen beruht, sind diese L¨osungen nicht zur Texturierung multikristalliner Substrate geeignet. Multikris- talline Wafer k¨onnen jedoch mit sauren L¨osungen bestehend aus HF, HNO₃ und H₂O texturiert werden [7].

Auf die Entfernung des S¨ageschadens folgen nasschemische Reiniungsschritte in HCl, um metallische Verunreinigungen zu entfernen, und in HF, um d¨unnes SiO₂ von der Waferoberfl¨ache zu ¨atzen.

Emitterdiffusion Der Emitter wird erzeugt, indem eine d¨unne Schicht an der Oberfl¨ache des Ausgangssubstrats mit Phosphor dotiert wird. Die Diffusion findet in einem offenen Rohrofen statt. Als Phosphorquelle dient POCl₃, welches mit einem Tr¨agergas zu den Wafern gelangt. An den Siliziumoberfl¨achen der Wafer bildet sich ein Phosphor-Silikat-Glas, das als Diffusionsquelle fungiert. Nach der Diffusion wird das Glas mit HF von der Waferoberfl¨ache entfernt.

Alternativ werden industriell auch aufgedruckte oder -gespr¨uhte Phosphorquellen verwendet, wobei die Diffusion dann “in-line” in G¨urtel¨ofen stattfindet.

Bei geeignet gew¨ahlten Prozessparametern kann die Lebensdauer der Minorit¨ats- ladungstr¨ager durch sogenannte Getterprozesse, die w¨ahrend der Diffusion statt- finden, verbessert werden.

Niedrig dotierte Emitter versprechen eine bessere Effizienz der Zellen bei kurzwel- ligem Licht (λ <600 nm). Allerdings sind nur Emitter mit Schichtwiderst¨anden unter ca. 60 Ω/sqgut mit Dickfilm-Pasten kontaktierbar, so dass in der Regel ein Schichtwiderstand von ca. 50-60 Ω/sq gew¨ahlt wird.

Kantenisolation Bei den gebr¨auchlichen Herstellungssequenzen sind p- und n-Region am Ende des Prozesses miteinander kurzgeschlossen. Es ist deshalb notwendig, im Laufe des Prozesses die beiden Regionen voneinander elektrisch zu isolieren. Industriell kann dies beispielsweise durch Plasma¨atzen der Kanten nach der Emitterdiffusion geschehen. Alternativ kann der pn- ¨Ubergang durch gelaserte Isolationsschnitte [8] oder durch nasschemisches Entfernen des Emitters auf der Zellr¨uckseite [9] getrennt werden.

Abscheidung von Siliziumnitrid Die Siliziumnitridschicht wird mittels Plas- ma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) erzeugt. Neuerdings wer- den industriell dazu auch Sputteranlagen genutzt. Die Dicke der Schicht wird so gew¨ahlt, dass sie als Antireflexionsbeschichtung mit Reflexionsminimum bei λ≈600nmwirkt. Im Siliziumnitrid enthaltener Wasserstoff kann sp¨ater im Pro- zess beim Co-Feuern der Metallisierung in das Kristallvolumen diffundieren und dort Defekte passivieren.

Abbildung 1.2: Prozess zur Herstellung konventioneller Solarzellen mit Dickfilm- Metallisierung.

Metallisierung Im letzten Prozessschritt werden die Metallkontakte mit Dick- film-Pasten mittels Siebdruck auf den Wafer aufgetragen. Industriell werden je- doch auch alternative Techniken wie Spritzendruck [10] oder Decal [11] verwendet, um die Paste aufzutragen. Nach jedem Druckschritt m¨ussen die Pasten bei ca.

200^◦C f¨ur einige Minuten getrocknet werden. Dabei verdampfen die in den Pasten enthaltene L¨osungsmittel.

Der Emitterkontakt wird in Form eines Kontaktgitters mit Silberpaste gebildet.

Die R¨uckseite wird fast ganzfl¨achig mit Aluminiumpaste bedruckt. Einige kleine Fl¨achen bleiben dabei ausgespart. Diese werden mit AgAl-Paste bedruckt um l¨otbare externe Kontakte f¨ur die Solarzelle herzustellen.

Anschließend werden alle Pasten gleichzeitig in einem Infrarotg¨urtelofen bei et- wa 800^◦C f¨ur wenige Sekunden gefeuert. Dabei entsteht auf der Zellvorderseite ein elektrischer Kontakt zwischen Kontaktgitter und Emitter. Auf der Zellr¨uck- seite l¨ost sich w¨ahrend des Feuerns Silizium von der Waferoberfl¨ache in einem fl¨ussigen Aluminium-Silizium-Eutektikum. Dabei wird insbesondere die d¨unne Emitterschicht konsumiert. Beim Abk¨uhlen des Wafers w¨achst eine stark mit Aluminium dotierte Siliziumschicht (N_A >10¹⁸ [12]) an der Waferoberfl¨ache auf, die nur noch sehr wenig Phosphor enth¨alt [13]. Sie bildet das Back Surface Field (BSF). Eine metallische Schicht auf dem BSF kontaktiert auch den angrenzen- den, nicht bedruckten Emitter, so dass ein Kurzschluss entsteht. Deshalb ist ein Prozessschritt notwendig, in dem die p- und n-Region voneinander isoliert werden (siehe oben).

1.1. DIE KONVENTIONELLE, KRISTALLINE SILIZIUMSOLARZELLE 11

Abbildung 1.3: Schematische Darstellung des Aufbaus einer konventionellen Solar- zelle mit stromloser Metallisierung. Die Metallkontakte (grau) auf der Zellvorderseite werden stromlos in Gr¨aben abgeschieden, wodurch sie bei großem Querschnitt nur wenig zur Abschattung beitragen. Der Emitter zwischen den Kontaktfingern (gelb) ist niedrig dotiert, um eine gute spektrale Empfindlichkeit bei kurzen Wellenl¨angen zu erreichen.

Unter den Frontkontakten befindet sich ein hoch dotierter Emitter (gr¨un), der einen niedrigen Kontaktwiderstand zwischen Metall und Halbleiter gew¨ahrleistet. Die R¨uck- seite der Zelle ist mit einem Al-BSF (rot) passiviert, das ebenfalls stromlos metallisiert wird.

1.1.3 Herstellungsprozess mit stromloser Metallisierung

Die Herstellung des Frontkontakts mit Dickfilm-Technologie reduziert den Wir- kungsgrad einer Solarzelle in zweierlei Hinsicht:

• Die mit Dickfilm-Technologie hergestellten Kontaktfinger haben eine ung¨uns- tige Geometrie. Sie sind ca. 120 µm breit, jedoch nur etwa 10-15µmhoch.

Dieser ung¨unstige Fingerquerschnitt erh¨oht die Abschattung des Kontakt- gitters. Typischerweise betr¨agt die Abschattung eines siebgedruckten Front- kontakts 7-8 % der Zellfl¨ache.

• Mit den derzeit kommerziell erh¨altlichen Silberpasten k¨onnen nur Emit- ter mit Schichtwiderst¨anden unter ca. 60-65 Ω/sq gut kontaktiert werden.

Emitter mit niedrigerer Dotierung und damit h¨oheren Schichtwiderst¨anden w¨urden jedoch zu einer verbesserten Quantenausbeute bei kurzwelligem Licht (λ < 600 nm) f¨uhren und die offene Klemmenspannung der Zelle verbessern.

Solarzellen, deren Frontkontakt mit stromloser Metallisierung hergestellt wird, haben in beiden Punkten Vorteile gegen¨uber Zellen mit Dickfilm-Metallisierung.

Da die Kontakte durch stromlose Metallisierung in Gr¨aben gebildet werden, ha- ben die Kontaktfinger eine sehr viel g¨unstigere Geometrie, bei der wenig Abschat- tung mit einem großen Fingerquerschnitt kombiniert wird. Die Abschattung des Frontkontakts kann so auf unter 5 % reduziert werden. Dar¨uber hinaus haben Solarzellen mit stromlos hergestellten Kontakten eine selektive Emitterstruktur.

Das bedeutet, dass sich im Kontaktgraben ein leicht kontaktierbarer, hoch dotier- ter Emitter befindet, zwischen den Kontaktfingern dagegen ein schwach dotierter.

Abbildung 1.4: Prozess zur Herstellung konventioneller Solarzellen mit stromlos ab- geschiedenen Kontakten.

1.1. DIE KONVENTIONELLE, KRISTALLINE SILIZIUMSOLARZELLE 13 Solarzellen, deren Frontkontakt stromlos in Gr¨aben abschieden wird, haben da- her in der Regel deutlich h¨ohere Wirkungsgrade als Solarzellen mit Dickfilm- Kontakten.

Konventionelle Solarzellen mit stromloser Metallisierung werden an der Univer- sit¨at Konstanz seit geraumer Zeit untersucht. Eine detaillierte Beschreibung des hier verwendeten Herstellungsprozesses findet sich beispielsweise in [14].

Der Prozessfluss zur Herstellung konventioneller Solarzellen mit stromlos abge- schiedenen Kontakten ist in Abbildung 1.4 dargestellt. Der Prozess beginnt mit der Entfernung des S¨ageschadens und einer Reinigung des Wafers. Die technolo- gische Umsetzung entspricht der beim Siebdruckprozess verwendeten.

Die Prozesssequenz enth¨alt zwei Diffusionen, bei denen die unterschiedlich stark dotierten Emitterbreiche hergestellt werden. Beide werden im offenen Rohrofen mittels POCl₃-Diffusion hergestellt. Bei der ersten Diffusion wird ein 100-120 Ω/sq Emitter erzeugt. Die Glasschicht, die bei der Diffusion auf der Waferoberfl¨ache entsteht, wird in niedrig konzentrierter HF entfernt.

Anschließend wird eine ca. 110nm dicke Siliziumnitridschicht mittels Low Pres- sure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) abgeschieden. Da dieser Prozess nicht gerichtet stattfindet, werden die Wafer w¨ahrend der Abscheidung back-to-back geklammert. So gelangt nur wenig Prozessgas zwischen die Wafer, so dass dort nur wenig Siliziumnitrid am Waferrand abgeschieden wird.

Der n¨achste Prozessschritt ist die Herstellung von Kontaktgr¨aben auf der Zell- vorderseite. An der Universit¨at Konstanz werden diese normalerweise mit einer Chips¨age eingebracht.

Dabei entsteht in den Gr¨aben ein Kristallschaden, der in einem ¨Atzschritt ent- fernt wird. Das Siliziumnitrid wirkt dabei als ¨Atzmaske, so dass Emitter und Textur unter dem SiN_x erhalten bleiben.

Nach einer Reinigung (HCl und HF) wird ein 10 Ω/sq Emitter in die Kontakt- gr¨aben diffundiert. Dabei wirkt das Siliziumnitrid als Diffusionsbarriere, so dass der Emitter unter dem SiN_x gesch¨utzt ist. Durch die hohe Temperatur bei der Diffusion wird der Emitter unter dem SiNx jedoch weiter eingetrieben und ver- ringert dadurch seinen Schichtwiderstand um ca. 20 Ω/sq.

Im n¨achsten Schritt wird ein Aluminium-BSF mittels Siebdruck auf der Zellr¨uck- seite erzeugt. Die Siebdruckpaste wird anschließend in HCl entfernt. Alternativ kann Aluminium auf die R¨uckseite aufgedampft werden und entweder parallel zur zweiten Diffusion oder in einem weiteren Temperaturzyklus ein BSF gebildet werden.

Die Metallkontakte werden durch stromlose Abscheidung einer d¨unnen Schicht Nickel (d ≈ 100 nm) und dickeren Kupferschicht (d ≈ 7−10 µm) hergestellt.

Das Nickel dient dazu, den elektrischen Kontakt zum Silizium herzustellen, und es verhindert die Diffusion von Kupfer in das Kristallvolumen. Das Kupfer dient dem Ladungstransport in den Kontaktfingern. Die Abscheidung der Metalle er- folgt in kommerziell erh¨altlichen B¨adern. Metall scheidet sich dabei selektiv an katalytisch wirkenden Oberfl¨achen ab. Siliziumnitrid katalysiert im Gegensatz zu

Silizium und zu bereits abgeschiedenem Metall die Abscheidung nicht und mas- kiert die Zellvorderseite bei der Herstellung der Kontakte. Die Metallabscheidung findet also nur in den Kontaktgr¨aben auf der Zellvorderseite und auf der R¨uck- seite der Zelle statt.

Da bei der Metallabscheidung in der Regel ein Kurzschluss zwischen Emitter- und Basiskontakt entsteht, m¨ussen die Kontakte an der Zellkante von einander isoliert werden. Dies geschieht indem ein schmaler Bereich (ca. 1 mm) an der Kante mit einer Wafers¨age oder mit einem Laser abgetrennt wird.

Die Siliziumnitridschicht wird insbesondere bei der zweiten Diffusion angegriffen.

Am Ende des Prozesses ist sie noch ca. 75nmdick und wirkt als Antireflexschicht.

Dar¨uber hinaus passiviert sie die Zellvorderseite.

1.2 I -V -Kennlinien

1.2.1 Messen von I -V -Kennlinien

Zur grundlegenden Charakterisierung einer Solarzelle werden ihreI-V-Kennlinien aufgenommen. Aus der Messung der Kennlinie unter Beleuchtung kann der Wir- kungsgrad einer Solarzelle bestimmt werden. Weitere Kennlinien, wie die Dunkel- kennlinie oder eineJsc-Voc-Messung dienen der Analyse von Verlustmechanismen einer Zelle.

Hellkennlinie Anhand derI-V-Kennlinie einer beleuchteten Solarzelle werden die Leistungsdaten der Zelle bestimmt. Daher muss ihre Messung unter standar- disierten Bedingungen durchgef¨uhrt werden. Die Zelle wird mit einem AM 1.5- Spektrum mit einer Leistung von 100 mW/cm² beleuchtet. Die Beleuchtung ent- spricht etwa der maximalen Sonneneinstrahlung in mittleren Breitengraden. Die Temperatur der Zelle wird auf 25^◦C geregelt. Der an der Universit¨at Konstanz verwendete Sonnensimulator ist detailiert in [15] beschrieben.

Aus der Hellmessung wird als wichtigste Kenngr¨oße einer Solarzelle der Wir- kungsgrad η bestimmt. Er ist definiert als das Verh¨altnis der maximal gewonne- nen Leistung P_max einer Solarzelle zur Leistung des eingestrahlten Lichts unter Standardbedingungen:

η= P_max

P_in = F F ×J_sc×V_oc

φ (1.1)

Dabei ist φ die einfallende Leistung pro Fl¨ache, Jsc die Kurzschlussstromdichte und V_oc die offene Klemmenspannung. Der F¨ullfaktor FF ist als Verh¨altnis von P_max und dem Produkt aus J_sc×V_oc definiert.

Spezielle Kalibrierlabors, wie das ISE CalLab in Freiburg, geben den Wirkungs- grad einer Solarzelle mit einem Messfehler von ±3 % relativ an. Dies entspricht

1.2. I-V-KENNLINIEN 15 bei einer Solarzelle mit 16 % einem Fehler von ±0.5 % absolut. Allen in dieser Arbeit angegebenen Wirkungsgraden haftet ein Fehler dieser Gr¨oßenordnung an, auch wenn er nicht explizit angegeben wird.

Die Strom- bzw. Spannungsmessung bei der Aufnahme einer I-V-Kennlinie er- folgt mit der Vierpunktmethode. Bei der Messung liegen die Zellen auf einem Messtisch aus Messing, so dass alle Punkte der R¨uckseite sehr gut leitend mitein- ander verbunden sind. Die gesamte R¨uckseite der Zelle befindet sich also auf dem selben elektrischen Potential, das mit einer einzigen Spannungsspitze gemessen wird. Der Frontkontakt der Zelle wird an den Busbars abgegriffen. Dabei wird jeder Busbar mit einer Spannungsspitze und einer großen Zahl von Stromspitzen, die sehr gut leitend miteinander verbunden sind, kontaktiert. Dadurch wird ver- hindert, dass sich Potentialdifferenzen entlang der Busbars bilden.

Die Messung des Wirkungsgrads einer Solarzelle bei Standardbedingungen er- laubt einen Vergleich der Effizienz verschiedener Zellen, die an unterschiedlichen Messpl¨atzen gemessen wurden. Es ist jedoch in Erinnerung zu halten, dass die Standardbedingungen in aller Regel nicht den Bedingungen entsprechen, bei de- nen die Solarzellen tats¨achlich betrieben werden.

Im Modul kann die Betriebstemperatur der Zelle, abh¨angig von Umgebungstem- peratur und Lichtintensit¨at, ¨uber 70^◦C betragen, aber auch unter den standardi- sierten 25^◦C liegen [16]. Das Spektrum des Lichts, das die Zelle erreicht, ist durch die Verkapselung des Moduls ver¨andert. Dar¨uber hinaus kann auch die Lichtin- tensit¨at, der Einfallwinkel des Licht und dessen diffuser Anteil erheblich von den Standardbedingungen abweichen. In den Verbindern, die zur Verschaltung von Solarzellen in Modulen verwendet werden, entstehen Ohmsche Verluste, die bei der standardisierten Messung nicht vorhanden sind. Unter anderem deshalb er- reichen Solarmodule, auch wenn sie aus Zellen mit hohen F¨ullfaktoren von ¨uber 78 % gebaut werden, nur F¨ullfaktoren von ca. 75 % [17].

Dunkelkennlinie F¨ur kleine (V < 0.3 V) und negative Spannungen sind die gemessenen Hellkennlinien oft verrauscht. Deshalb wird meist die Dunkelkennlinie zur Auswertung der I-V-Charakteristik in diesem Spannungsbereich herangezo- gen. Die Messung erfolgt analog der Hellmessung im Dunkeln.

J_sc-V_oc-Messung Die J_sc-V_oc-Kennlinie ist unabh¨angig vom Serienwiderstand der Zelle, was die Analyse der Kennlinie erleichtert [18, 19]. Bei ihrer Messung werden Jsc-Voc-Wertepaare bei 25^◦C f¨ur verschiedene Beleuchtungsintensit¨aten ermittelt.

Abbildung 1.5: Ersatzschaltbild einer Solarzelle im Zwei-Dioden-Modell.

1.2.2 Beschreibung von I -V -Kennlinien mit Hilfe des Zwei- Dioden-Modells

Eine Solarzelle ist in erster N¨aherung eine fl¨achige Diode, in der durch Beleuch- tung Strom generiert wird. Solarzellen lassen sich daher als eine Parallelschal- tung aus einer Stromquelle und einer Diode auffassen. Um eine reale Solarzelle zu beschreiben, m¨ussen dem Ersatzschaltbild in Abbildung 1.5 jedoch mehrere Elemente hinzugef¨ugt werden.

In einer Solarzelle entstehen Ohmsche Verluste durch den Ladungstransport in der Zelle, beispielsweise im Kontaktgitter auf der Zellvorderseite. Sie werden durch den Serienwiderstand R_serie ber¨ucksichtigt.

Der Parallelwiderstand R_parallel fasst Kurzschl¨usse zusammen, die in realen So- larzellen oft am Zellrand, wo der pn- ¨Ubergang an die Oberfl¨ache st¨osst, oder bei multikristallinen Zellen an Korngrenzen auftreten.

In g¨unstigen Ausnahmef¨allen kann der pn- ¨Ubergang als eine ideale Diode (mit Idealit¨atsfaktorn₁ = 1) beschrieben werden. Zur Beschreibung derI-V-Kennlinien der meisten Solarzellen ist eine ideale Diode jedoch nicht geeignet. Eine M¨oglich- keit, eine Kennlinie dennoch zu beschreiben, besteht dann darin, den Idealit¨ats- faktor der Diode anzupassen. Alternativ kann eine zweite Diode mit n₂ = 2 ein- gef¨uhrt werden. Deren Existenz kann mit Rekombinationsstr¨omen in der Raumla- dungszone erkl¨art werden [20, 21]. Die Rekombinationsstr¨ome der zweiten Diode entstehen vorwiegend nicht in der Raumladungszone im Kristallvolumen, sondern in der unpassivierten, defektreichen Raumladungszone an den Zellkanten, wo der pn- ¨Ubergang an die Zelloberfl¨ache st¨osst [22]. Oft werden auch Idealit¨atsfaktoren n2 >2 beobachtet, f¨ur deren Erkl¨arung komplexere Rekombinationsmechanismen als die Shockley-Read-Hall Rekombination angenommen werden m¨ussen [23].

Die elektrischen Eigenschaften der meisten Solarzellen k¨onnen demnach mit Hilfe des Zwei-Dioden-Modells beschrieben werden. F¨ur die I-V-Kennlinie ergibt sich nach diesem Modell folgende Gleichung:

1.2. I-V-KENNLINIEN 17

J(V) = J₀₁

"

exp e(V −J R_serie) n₁kT

!

−1

#

+J₀₂

"

exp e(V −J R_serie) n₂kT

!

−1

#

+V −J Rserie

R_parallel −J_photo , (1.2)

mit e: Elementarladung, k: Boltzmann-Konstante,J_photo: durch Licht generierter Strom und T: Temperatur in Kelvin. Dabei kann meistn1 = 1 undn2 = 2 gesetzt werden.

Bei großfl¨achigen Solarzellen variieren die Parameter des Zwei-Dioden-Modells

¨uber die Zellfl¨ache. So ergibt sich beispielsweise bei multikristallinen Solarzellen durch unterschiedliche Lebensdauern in einzelnen K¨ornen und den Korngren- zen eine ortsabh¨angige S¨attigungsstromdichte J₀₁ der ersten Diode. Wie schon oben erw¨ahnt, entsteht auch der Strom in der zweiten Diode J02 uberwiegend¨ lokal im pn- ¨Ubergang an der Zellkante. Um die Kennlinie der gesamten Zelle zu ermitteln, m¨ussen dann die lokalen S¨attigungsstromdichten ¨uber die Zellfl¨ache integriert werden (z.B. I01 = ^R J01dA). Dabei ergibt sich eine zu Gleichung 1.2 analoge Gleichung, so dass die Kennlinie der gesamten Zelle ebenfalls mit dem Zwei-Dioden-Modell beschreibbar ist.

Die einfache Integration der Stromdichten ist jedoch nicht mehr m¨oglich, wenn die Spannung, die tats¨achlich ¨uber den pn- ¨Ubergang abf¨allt V_pn =V −J·R_serie erheblich ¨uber der Zellfl¨ache variiert. In diesem Fall ergeben sich ungew¨ohnlich geformte Kennlinien, deren Auswertung erheblich erschwert ist [24, 25], da sie nicht mehr mit dem einfachen Zwei-Dioden-Modell beschreibbar sind.

Solche ortsabh¨angigen Spannungen V_pn k¨onnen sich insbesondere dann ergeben, wenn Teile der Zelle nur sehr schlecht kontaktiert sind. Dies kann bei konventio- nellen Zellen mit siebgedruckter Metallisierung beispielsweise durch Fingerunter- brechungen oder durch ¨uberfeuerte Kontakte der Fall sein [26]. Bei R¨uckkontakt- solarzellen, die in dieser Arbeit beschrieben werden, k¨onnen Bereiche mit sehr hohen Serienwiderst¨anden aber auch durch den Aufbau der Zelle entstehen.

Auch siebgedruckte Solarzellen mit gleichrichtenden Kurzschl¨ussen, die durch Sil- berpaste verursacht werden, k¨onnen nicht mit dem Zwei-Dioden-Modell beschrie- ben werden. Die gleichrichtenden Kurzschl¨usse k¨onnen durch eine Serienschaltung einer Diode mit n = 2 und einem Ohmschen Serienwiderstand beschrieben wer- den [27], so dass nicht die gleichrichtende Eigenschaft dieser Kurzschl¨usse die Beschreibung der Solarzellen im Zwei-Dioden-Modell verhindert, sondern der in Serie geschaltete Widerstand.

Kapitel 2

R¨ uckkontaktsolarzellen

In diesem Kapitel soll dargestellt werden, warum R¨uckkontaktsolarzellen als at- traktive Alternative zu konventionellen Solarzellen angesehen werden. Hierf¨ur werden verschiedene Zellkonzepte eingef¨uhrt und ihre Vor- und Nachteile disku- tiert.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer kristallinen Siliziumr¨uckkontaktso- larzelle im Format 15.6 x 15.6 cm², die zeitnah in die industrielle Produktion transferiert werden kann. Unter dieser Voraussetzung ist es vielversprechend, das Metallisation Wrap Through Konzept genauer zu untersuchen.

Die Argumentation dieses Kapitels folgt dabei in weiten Teilen einem k¨urzlich ver¨offentlichten ¨Ubersichtspaper von Van Kerschaver [5].

2.1 Motivation

Das Hauptaugenmerk der gegenw¨artigen Forschung auf dem Gebiet der Photo- voltaik f¨ur terrestrische Anwendungen gilt der Reduktion der Kosten f¨ur den mit Solarzellen erzeugten Strom. Dies ist sowohl durch eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Zellen als auch durch eine Senkung der Produktionskosten erreichbar. Weltweit wurden 2005 ¨uber 85 % der Solarzellen mit dem in Kapi- tel 1 beschriebenen Herstellungsprozess mit Dickfilmmetallisierung hergestellt [3].

Die Ver¨anderungen der letzten Jahre an diesem seit langem bekannten Prozess beschr¨ankten sich, abgesehen von der nun verbreitet eingesetzten Texturierung der Zellen, im Wesentlichen auf Optimierungen des bestehenden Prozesses. Eine Kostenreduktion wurde bisher haupts¨achlich durch die Produktion gr¨oßerer Men- gen und der damit m¨oglich gewordenen hohen Automatisierung erreicht. Dar¨uber hinaus besteht ein starker Trend zur Nutzung immer gr¨oßerer und d¨unnerer Sub- strate. Die Modulhersteller mussten sich dieser Entwicklung anpassen, und trotz der hohen Komplexit¨at der Automatisierung bei der Verschaltung konventioneller Solarzellen schreitet diese auch hier fort [28]. Die herk¨ommliche Verschaltungs-

19

Abbildung 2.1: Serienschaltung bei konventionellen Solarzellen. Die Zellvorderseite muss mit der R¨uckseite einer benachbarten Zelle verbunden werden.

technologie, bei der gel¨otete, sehr gut leitende Verbinder¹ die Vorder- und R¨uck- seite benachbarter Zellen verbinden (siehe Abbildung 2.1), st¨osst dabei jedoch an ihre Grenzen [5]. Mit zunehmender Zellfl¨ache steigt auch der in den Zellen gewon- nene Strom an. Von einer 21×21cm² großen, multikristallinen Solarzelle werden am Arbeitspunkt etwa 14 A Strom generiert. Um diese hohen Str¨ome verlustarm abzuf¨uhren, muss bei großen Solarzellen der Querschnitt der Verbinder senkrecht zum Stromfluss erh¨oht werden. Dies k¨onnte prinzipiell durch dickere oder breitere Verbinder erreicht werden, wobei sich beide Ans¨atze als problematisch erweisen.

Die Dicke der Verbinder wird durch die mechanischen Spannungen limitiert, die sich in der L¨otverbindung durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs- koeffizienten des Verbinders und des Siliziums aufbauen [29]. Dieser Effekt spielt bei d¨unneren Zellen eine noch gr¨oßere Rolle. Der Spielraum, die Breite der Ver- binder zu erh¨ohen, ist ebenfalls sehr beschr¨ankt, da damit eine Erh¨ohung der Abschattungsverluste verbunden ist.

Breite Verbinder k¨onnten verwendet werden, falls sie ausschließlich auf der Zellr¨uckseite verlaufen, jedoch an bestimmten Stellen auf die Vorderseite der Zellen greifen und so eine Verbindung zum Frontkontakt hergestellt wird. Die Verbindung kann dabei entweder mit Hilfe einer Klammer um die Kante der Zel- le herum [30] oder durch L¨ocher, die in die Zellfl¨ache eingebracht werden, mit Stiften [31] bzw. Dr¨ahten [32] erfolgen.

Großz¨ugig dimensionierte Verbinder k¨onnen ebenfalls zur Verschaltung von R¨uck- kontaktsolarzellen verwendet werden. Als R¨uckkontaktzellen sollen hier Solarzel- len bezeichnet werden, bei denen sich die externen Kontakte (also ihre “Anschl¨us- se”) beider Polarit¨aten auf der R¨uckseite befinden.

Eine Verlagerung der Zellverschaltung auf die R¨uckseite erlaubt es, den Modul- wirkungsgrad nicht nur durch eine Reduzierung der elektrischen Verluste, sondern auch durch eine erh¨ohte Packungsdichte der Zellen zu steigern. Auch die R¨uck- kontaktsolarzellen selbst haben das Potential, durch die verringerte Abschattung, die sich durch die eingesparte Fl¨ache der Kontakte auf der Vorderseite ergibt, den Modulwirkungsgrad zu verbessern. Dar¨uber hinaus weisen solche Module ein ho- mogeneres Erscheinungsbild auf, was f¨ur Anwendungen, bei denen der optische Eindruck wichtig ist, vorteilhaft ist. Dazu geh¨ort insbesondere der schnell wach-

1Verbinder bestehen meist aus d¨unnen, verzinnten Kupferb¨andern.

2.2. ZELLKONZEPTE 21 sende Markt der geb¨audeintegrierten Photovoltaik.

2.2 Zellkonzepte

Im wesentlichen lassen sich zwei Arten von R¨uckkontaktsolarzellen unterscheiden:

• Solarzellen, bei denen die durch Lichtabsorption generierten Ladungstr¨ager ausschließlich auf der R¨uckseite eingesammelt und abgef¨uhrt werden. Die Vorderseite solcher Zellen wird also elektrisch nicht kontaktiert. Solarzel- len mit einem solchen Aufbau werden hier als Interdigitated Back Contact (IBC) Zellen bezeichnet. Sinnvolle Umsetzungen dieses Zellkonzepts greifen auf sehr hochwertige Ausgangssubstrate und teure Hoch-Effizienz-Prozesse zur¨uck.

• R¨uckkontaktsolarzellen, die einen einsammelnder Emitter auf der Vorder- seite haben, sind in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise den konven- tionellen Solarzellen sehr viel ¨ahnlicher als IBC-Zellen. Die Anforderungen an Materialqualit¨at, Zelldicke und Oberfl¨achenpassivierung gleichen denen konventioneller Zellen. Sie sind deshalb sehr viel geringer als bei Zellen, de- ren einsammelnder Emitter sich nur auf der Zellr¨uckseite befindet.

Der einsammelnde Emitter auf der Zellvorderseite muss elektrisch kontak- tiert werden. Im Vergleich zu konventionellen Solarzellen werden die Emit- terkontakte jedoch ganz (Emitter Wrap Through) oder teilweise (Metallisa- tion Wrap Through und Metallisation Wrap Around) auf die Zellr¨uckseite verlegt.

2.2.1 Interdigitated Back Contact

Prinzipiell kann der einsammelnde pn- ¨Ubergang einer Solarzelle zusammen mit seiner Kontaktierung auf deren R¨uckseite verlegt werden. Verbleibt die Basis- kontaktierung ebenfalls auf der Zellr¨uckseite, ergibt sich das Interdigitated Back Contact (IBC) Design [33]. Basis- und Emitterregion bilden hier zwei ineinander greifende kammartige Strukturen (siehe Abbildung 2.2).

Da die Vorderseite der Zelle nicht kontaktiert wird, existiert auf der Zellvorder- seite auch kein Kontaktgitter, so dass keine Abschattung entsteht. Der Emitter hat bei diesem Zelldesign ausschließlich die Funktion, Ladungstr¨ager zu trennen.

Im Gegensatz zum Emitter einer konventionellen Zelle findet in ihm keine laterale Leitung der Ladungstr¨ager zum Kontaktgitter hin statt, so dass ein Emitter mit einem optimierten Diodens¨attigungsstrom gew¨ahlt werden kann. Ferner erlaubt die Anordnung der Kontakte auf der Zellr¨uckseite, diese großz¨ugig zu dimensionie- ren, um so niedrige Serienwiderstandsverluste zu erreichen. Insgesamt verspricht also die IBC-Zellstruktur hohe Effizienzen durch hohe Kurzschlussstr¨ome, große offene Klemmenspannungen und gute F¨ullfaktoren.

Abbildung 2.2: Schematische Darstellung des Aufbaus einer Interdigitated Back Con- tact (IBC) Solarzelle. Rot: Basiskontakt, Gelb: Emitter. Bei diesem Zellkonzept werden die Ladungstr¨ager nur am pn- ¨Ubergang auf der Zellr¨uckseite eingesammelt. Oft wird jedoch ein frontseitiger Emitter, der allein der Passivierung der Zelloberfl¨ache dient, verwendet. Dieser wird jedoch elektrisch nicht kontaktiert.

Da die meisten Ladungstr¨agerpaar an der Zellvorderseite generierte werden, ist es naheliegend, dass dieser Zellaufbau eine effektive Diffusionsl¨ange L_{ef f} der Minorit¨aten erfordert, die groß im Vergleich zur Zelldicke D ist. Um ein gu- tes L_{ef f}/D-Verh¨altnis zu erreichen, m¨ussen IBC-Zellen entweder aus hochwerti- gem FZ-Silizium oder sehr d¨unnem Substrat hergestellt werden. Um eine gute Lichteinkopplung bei d¨unnen Substraten zu erreichen, ist es hier notwendig, die Vorderseite zu texturieren und die Reflexion an der Zellr¨uckseite zu erh¨ohen.

Da die meisten Ladungstr¨ager nahe der Zellvorderseite generiert werden, ist ihre Passivierung besonders wichtig. Eine Passivierung der R¨uckseite ist schwierig, da hier sowohl p-Typ als auch n-Typ Regionen existieren. Es k¨onnen also keine dielektrischen Schichten verwendet werden, deren passivierende Wirkung darauf beruht, dass Ladungen in ihnen ein Surface Field oder einen pn- ¨Ubergang indu- zieren. Die R¨uckseitenpassivierung reduziert ebenfalls Rekombination am langen pn- ¨Ubergang an der Oberfl¨ache, was sonst zu einem erh¨ohten S¨attigungsstrom der zweiten Diode J₀₂ und damit zu einem reduzierten F¨ullfaktor und einer ver- ringerten offenen Klemmenspannung V_oc f¨uhren w¨urde [34].

Die Breite der Basiskontakte muss hinreichend schmal gew¨ahlt werden, um eine hohe Wahrscheinlichkeit zu gew¨ahrleisten, dass in dieser Region generierte Mi- norit¨aten zum Emitter diffundieren und eingesammelt werden. Eine hohe Dichte der Basiskontakte ist erforderlich, damit die Serienwiderstandsverluste niedrig bleiben, die durch den Fluss der Majorit¨aten zu den Kontakten hin entstehen.

Die Kontaktdichte, die sich daraus ergibt, l¨asst sich kaum mehr mit Dickfilmtech- nologie erreichen. Die externen Kontakte der Zelle stellen breite Regionen eines Dotierungstyps dar, sind also schlechte Zellbereiche. Es ist deshalb nicht einfach m¨oglich, die Anzahl der externen Kontakte zu erh¨ohen. F¨ur große Substrate be- deutet das, dass die L¨ange der Kontaktfinger sehr gross wird. F¨ur große IBC Zellen ist es deshalb zunehmend schwierig, Finger mit ausreichender Leitf¨ahig-

2.2. ZELLKONZEPTE 23 keit herzustellen.

Eine weitere Herausforderung besteht in der Erzeugung der verschachtelten p- und n-Regionen auf der Zellr¨uckseite. Abrasive Verfahren (Laser, Wafers¨age) sch¨adigen den Kristall im Bereich der Raumladungszone. Dies erh¨oht den S¨atti- gungsstrom der zweiten Diode. Deshalb sind im Allgemeinen Maskierschritte zur Bildung der Regionen notwendig, damit beispielsweise eine Diffusion oder ein chemischer ¨Atzschritt selektiv in bestimmten Bereichen erfolgt.

Der Vorteil der IBC-Zellen liegt in ihrem hohen Wirkungsgradpotential. So wurde der derzeitige Rekordwirkungsgrad von 21.8 % f¨ur großfl¨achige Siliziumsolarzellen (A ≥ 100 cm²) mit einer IBC-Struktur erreicht [35]. Jedoch erfordert die Her- stellung einer IBC-Zelle einen sehr komplexen Prozess, der sich substanziell vom etablierten, f¨ur die Produktion von konventionellen Solarzellen verwendeten Pro- zess unterscheidet. Eine einfache Implementierung des Prozesses in bestehende Produktionsst¨atten ist daher ausgeschlossen. Trotz der technologischen Schwie- rigkeiten wird das Zellkonzept von der Firma Sunpower kommerziell umgesetzt.

Dabei wurden Wirkungsgrade von ¨uber 20 % in einer 1 MW/Jahr Pilotlinie er- reicht [36]. Ob das IBC-Zellkonzept tats¨achlich geeignet ist, den Massenmarkt der Photovoltaik (also f¨ur terrestrische 1 Sonnen Anwendungen) zu bedienen, muss sich noch erweisen.

2.2.2 Metallisation Wrap Around

Betrachtet man eine konventionelle Solarzelle, so ist es naheliegend zu versu- chen, deren Kurzschlussstrom zu steigern, indem man die abschattenden Busbars von der Zellvorderseite an die Kante der Zellr¨uckseite verlegt. Die elektrische Verbindung der Busbars zu den Kontaktfingern, die auf der Zellvorderseite ver- bleiben, wird erreicht, indem die Kante metallisiert wird (siehe Abbildung 2.3).

Eine solche Zellstruktur wird Metallisation Wrap Around (MWA) genannt. Das MWA-Konzept ist schon lange bekannt. Die erste Realisierung einer MWA-Zelle geht auf das Jahr 1965 zur¨uck [37]. Bei neueren Ver¨offentlichungen wird meist mit der Metallisierung ebenfalls der Emitter um die Kante gezogen und so ein Kurzschluss verhindert [38, 39]. Bei einigen ¨alteren Realisierungen wurde dieser Kurzschluss alternativ durch eine isolierende Schicht verhindert [40, 41].

Die Motivation, ein solches Zelldesign zu w¨ahlen, liegt im zu erwartetenden Anstieg des Kurzschlusstroms durch die verringerte Abschattung. Falls ein Zellde- sign gew¨ahlt wird, bei dem der Emitter um die Kante herum gezogen wird, kann dieser in der Busbarregion Elektronen auch auf der Zellr¨uckseite einsammeln. Dies kann zu einer weiteren Erh¨ohung des Kurzschlussstroms beitragen [38]. Wird nur eine Kante der Zelle metallisiert, k¨onnen die Zellen so in einem Modul verschaltet werden, dass die Widerstandsverluste in den Verbindern vernachl¨assigbar wer- den [42].

Durch die Platzierung der Busbars am Rand der Zelle entstehen jedoch sehr lange

Abbildung 2.3: Schematische Darstellung des Aufbaus einer Metallistation Wrap Around (MWA) Solarzelle. Bei diesem Zellkonzept befinden sich die Busbars an der Kante auf der R¨uckseite der Zelle. Die Verbindung zu den Kontaktfingern auf der Zell- vorderseite wird erreicht, indem die Kante der Zelle metallisiert wird. Gelb: Emitter, Rot: Basiskontakt

Kontaktfinger, die zu hohen Serienwiderst¨anden f¨uhren. Deshalb scheint dieses Zellkonzept f¨ur Wafergr¨oßen ¨uber 12.5× 12.5 cm² ungeeignet [43]. F¨ur Majo- rit¨aten existiert in der Busbarregion kein Kontakt, so dass sie lateral aus der Basisregion zum n¨achsten Basiskontakt fließen m¨ussen. Bei großz¨ugiger Dimen- sionierung der Busbarregionen und hohem spezifischem Widerstand des Substrats entstehen daher in der Busbarregion hohe Serienwiderst¨ande, die den Wirkungs- grad der Zelle herabsetzen [44].

MWA-Solarzellen mit Dickfilmmetallisierung Der Herstellungsprozess f¨ur MWA-Zellen folgt in weiten Teilen dem f¨ur konventionelle Zellen (siehe Ab- schnitt 1.1.2). Es ergeben sich jedoch zwei neue Herausforderungen: Einerseits muss die Kante der Zelle zuverl¨assig metallisiert werden, andererseits muss eine sehr gute Leitf¨ahigkeit der Finger erreicht werden. Da sich die L¨ange der Finger bei diesem Zellkonzept im Vergleich zum konventionellen Zelldesign verdoppelt, ist die Metallisierung der Kontaktfinger besonders wichtig, um niedrige Serienwi- derst¨ande erreichen zu k¨onnen.

Prinzipiell l¨asst sich eine Metallisierung der Kante im Labormassstab erreichen, indem man das Druckbild der Finger und des Busbars etwas gr¨oßer als die tats¨achliche Wafergr¨oße w¨ahlt [38]. Der Pastenauftrag im ¨uberstehenden Bereich des Druckbilds f¨uhrt zu einer Metallisierung der Kante. Eigene Erfahrung mit die- ser Drucktechnik lassen es jedoch zweifelhaft erscheinen, ob diese Metallisierung in einer industriellen Umgebung anwendbar w¨are. Variierende Wafergr¨oßen und -dicken w¨urden eine st¨andige Anpassung der Druckparameter erfordern, so dass wahrscheinlich ein separater Prozessschritt zur Metallisierung der Kante (z.B.

mittels Rollendruck) notwendig werden w¨urde.

Die beste ver¨offentlichte MWA-Zelle mit Siebdruckmetallisierung erreicht einen

2.2. ZELLKONZEPTE 25 Wirkungsgrad von 17 % (10×10 cm², Cz-Si), wobei dieser durch einen relativ niedrigen F¨ullfakor von 73.6 % limitiert ist. Ein direkter Vergleich konventioneller Referenzzellen mit MWA-Zellen zeigt, dass aufgrund des Anstiegs des Serienwi- derstands durch die verl¨angerten Finger und des damit verbundenen Abfalls des F¨ullfaktors bei einer Zellgr¨oße von 10×10 cm² kein Gewinn durch das MWA- Zellkonzept zu erwarten ist [38].

Da der Serienwiderstandsbeitrag der Finger quadratisch mit deren L¨ange an- steigt, scheint das MWA-Konzept mit Dickfilm-Metallisierung f¨ur großfl¨achige Solarzellen (A ≥ 10 ×10 cm²) ungeeignet, sofern nicht durch einen zus¨atzli- chen Prozessschritt die Fingerleitf¨ahigkeit verbessert wird (z.B. mehrfach Sieb- druck [45], Siebdruck in Gr¨aben [46] oder galvanisches Verdicken der Kontakte [47]).

Im Rahmen dieser Arbeit hergestellte MWA-Zellen mit Siebdruckmetallisierung wiesen h¨aufig Kurzschl¨usse im Bereich der metallisierten Kante auf, so dass ma- ximal ein Wirkungsgrad von 15.7 % (100 x 97 mm², Cz-Si) erreicht wurde.

M¨oglicherweise tragen Mikro-Risse im Bereich der Kante zur Bildung von Kurz- schl¨ussen bei. Einen deutlichen Hinweis darauf, dass die Zellkante ein f¨ur die Bildung von Kurzschl¨ussen kritischer Bereich ist, liefern auch Untersuchungen der pn-Isolation von konventionellen Zellen. Hier f¨uhrt das Trennen des pn- ¨Uber- gangs von der Zellvorderseite zu besseren Parallelwiderst¨anden als das Trennen von der R¨uckseite [48]. Dies kann nur durch die Existenz von Kurzschl¨ussen im Bereich der Kante erkl¨art werden.

MWA-Solarzellen mit stromlos abgeschiedenen Metallkontakten Auf den ersten Blick scheint die stromlose Metallisierung f¨ur das MWA-Zellkonzept sehr geeignet. Der Herstellungsprozess k¨onnte exakt dem f¨ur konventionelle Zel- len folgen (siehe Abschnitt 1.1.3), wenn sowohl die Kante der Zelle als auch ihre Busbarregionen frei von Siliziumnitrid w¨aren. In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall. Normalerweise wird beim Herstellungsprozess mit stromloser Metalli- sierung das SiN_x mittels Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) abgeschieden. Dieser Prozess ist nicht gerichtet. W¨ahrend der Abscheidung wer- den die Wafer R¨ucken an R¨ucken geklammert, so dass ihre R¨uckseite weitestge- hend frei von SiN_x bleibt, da nur wenig von den Prozessgasen zwischen die Wafer gelangt. Nichtsdestotrotz lagert sich stets im Randbereich und an der Zellkan- te etwas SiNx ab. Bei der Herstellung von MWA-Zellen w¨urde SiNx an diesen Stellen erst eine Diffusion und anschließend die Metallabscheidung an der Kante und an den Busbars maskieren. Das ¨ubersch¨ussige SiN_x mit einfachen, industriell einsetzbaren Mitteln wieder zu entfernen (z.B. durch Plasma¨atzen), ohne dabei das SiN_x auf der Zellvorderseite anzugreifen, ist nicht m¨oglich. Eine m¨ogliche, jedoch vergleichsweise aufw¨andige L¨osung stellt die Ablation des SiN_x mit einem kurzwelligen Laser dar.

Siliziumnitrid kann auch mittels Plasma Enhanced Chemical Vapor Depositon

(PECVD) hergestellt werden. Dies ist ein gerichteter Prozess, so dass dabei die Abscheidung fast ausschließlich auf der Vorderseite der Wafer erfolgt. Eine sehr d¨unne Schicht SiN_x, die trotzdem an der Kante und am Rand der R¨uckseite ent- steht, k¨onnte wahrscheinlich toleriert werden. Allerdings bleiben bei der PECVD meist mikroskopisch kleine Stellen (“Pin-holes”), insbesondere bei texturierten Wafern, unbeschichtet [49]. Bei der stromlosen Metallisierung lagert sich Metall in diesen Pin-holes ab, was die Abschattung erh¨oht. Die PECVD ist deshalb al- lenfalls bedingt f¨ur die Zellherstellung mit stromloser Metallisierung geeignet.

M¨oglicherweise k¨onnte eine dichte Siliziumnitridschicht selektiv auf der Vorder- seite der Wafer gesputtert werden. Diese Abscheidemethode sich jedoch in der Photovoltaik in der Entwicklungsphase und wird industriell erst seit kurzem ein- gesetzt [50].

Bei im Labormassstab hergestellten Zellen wurde meist die Randregion, in der sich SiN_x auf der Zellr¨uckseite abgeschieden hatte, abgetrennt. Industriell w¨urde dies jedoch zu einem inakzeptablen Verlust an Zellfl¨ache f¨uhren.

Mit stromlos metallisierten MWA-Zellen konnte experimentell bei kleinen Zell- fl¨achen (A = 25 cm²) ein h¨oherer Wirkungsgrad als mit konventionellen Zellen erreicht werden (17.5 % statt 16.9 %, Cz-Si) [39]. Bei gr¨oßeren Fl¨achen (A = 100 cm²) war dies jedoch nicht mehr der Fall.

Unabh¨anging von der Art der Metallisierung ist das MWA-Zellkonzept nur f¨ur relativ kleine Zellfl¨achen (A ≤ 100 cm²) geeignet. Um das Design sinnvoll f¨ur gr¨oßere Zellen verwenden zu k¨onnen, w¨are es notwendig, die Leitf¨ahigkeit der Finger zu verbessern. Der vermeintliche Vorteil des Konzepts besteht darin, dass die Prozessierung der MWA-Zellen auf den ersten Blick keinen Mehraufwand im Vergleich zur Herstellung konventioneller Zellen mit sich bringt. Im Detail w¨aren jedoch, zumindest f¨ur eine industrielle Umsetzung, zus¨atzliche Prozessschritte notwendig, um eine zuverl¨assige Metallisierung zu erreichen.

Auff¨allig ist ebenfalls, dass, obwohl das Zellkonzept seit langem bekannt und sehr naheliegend ist, (dem Autor) noch keine Bem¨uhungen bekannt sind, es industriell f¨ur den Massenmarkt einzusetzen.

2.2.3 Metallisation Wrap Through

Metallisation Wrap Through (MWT) Solarzellen [51] sind in ihrem Aufbau den Metallisation Wrap Around (MWA) Zellen sehr ¨ahnlich, jedoch wird die Verbin- dung zwischen Kontaktfingern auf der Zellvorderseite und den Busbars auf der R¨uckseite durch L¨ocher in der Zellfl¨ache hergestellt (siehe Abbildung 2.4). Indem die Anzahl der Verbindungsl¨ocher der Zellgr¨oße angepasst wird, ist es m¨oglich, die L¨ange der Kontaktfinger auch bei großer Zellfl¨ache gering zu halten. Der prin- zipielle Nachteil der MWA-Zellen wird also vermieden.

Auf die Herausforderungen, die sich bei einer Realisierung des Zellkonzepts mit

2.2. ZELLKONZEPTE 27

Abbildung 2.4: Schematische Darstellung des Aufbaus einer Metallistation Wrap Through (MWT) Solarzelle. Die Kontaktfinger auf der Zellvorderseite werden durch L¨ocher mit den Busbars auf der Zellr¨uckseite verbunden. Gelb: Emitter, Rot: Basis- kontakt

Dickfilm bzw. mit stromloser Metallisierung ergeben, wird ausf¨uhrlich in Kapitel 3 bzw. 6 eingegangen. Unabh¨angig von der Metallisierung sind zur Herstellung von MWT-Zellen nur geringf¨ugige Anpassungen im Prozess f¨ur konventionelle Solarzellen erforderlich. Die Metallisierung der L¨ocher erfolgt bei beiden Techno- logien erstaunlich einfach und zuverl¨assig.

Mit großfl¨achigen multikristallinen Zellen (A = 225 cm²) wurden mit einem auf Siebdruck beruhenden Hoch-Effizienz-Prozess mit dem MWT-Konzept Wir- kungsgrade von bis zu 16.7 % erreicht [52]. Mit einem normalen Siebdruckprozess wurden bis zu 16.2 % (mc-Si, A = 225 cm²) erzielt. Dar¨uber hinaus konnte ge- zeigt werden, dass bei Modulen aus MWT-Zellen ein um etwa 0.7 % h¨oherer Wirkungsgrad zu erwarten ist als bei Modulen aus konventionellen Zellen [53].

Dabei wurde zur Herstellung des R¨uckkontaktmoduls ein angepasster Prozess verwendet, w¨ahrend f¨ur das Referenzmodul auf die herk¨ommliche Technologie zur¨uckgegriffen wurde.

2.2.4 Emitter Wrap Through

Emitter Wrap Through Solarzellen haben einen einsammelnden Emitter an der Zellvorderseite und auf Teilen ihrer R¨uckseite. Die beiden Emitter sind durch eine Vielzahl kleiner Verbindungen miteinander parallel geschaltet. Da auch die Basis auf der Zellr¨uckseite kontaktiert wird, ergibt sich ein Kontaktdesign mit zwei ineinandergreifenden Kontaktgittern, ¨ahnlich dem der IBC-Zellen.

Prinzipiell k¨onnen die Verbindungsl¨ocher zwischen Zellvorder- und R¨uckseite durch photolithographisches Maskieren und anschließendes isotropes ¨Atzen her- gestellt werden [54, 55]. Ein einfacherer Ansatz, der auch die Verwendung von multikristallinem Silizium erlaubt, ist es, die L¨ocher mit Hilfe eines Lasers zu bohren [56]. Um die Serienwiderstandsverluste im Emitter auf der Zellvorderseite

Abbildung 2.5: Schematische Darstellung des Aufbaus einer Emitter Wrap Through (EWT) Solarzelle. Gelb: Emitter, Rot: Basiskontakt. Der einsammelnde Emitter auf der Zellvorderseite ist mit einer großen Zahl von L¨ochern mit den Kontaktfingern auf der Zellr¨uckseite verbunden. Die Kontaktfinger auf der Zellvorderseite entfallen. Basis- und Emitterkontakt befinden sich in Form von zwei ineinandergreifenden Kammstruk- turen auf der Zellr¨uckseite.

gering zu halten, sind sehr hohe Lochdichten (gr¨oßer 50/cm²) notwendig. Diese schnell genug f¨ur eine industrielle Anwendung herzustellen, ist auch f¨ur moderne Lasersysteme eine Herausforderung. Eine elegante Art, eine große Anzahl von L¨ochern herzustellen, ist mit der mechanischen Strukturierung gegeben. Werden Gr¨aben auf Vorder- und R¨uckseite des Wafers eingebracht, die senkrecht zu ein- ander verlaufen und die gen¨ugend tief sind, so bilden sich an ihren Schnittpunk- ten L¨ocher [57, 58]. Durch die Struktur mit beidseitigem, parallel geschaltetem Emitter ist das Zellkonzept sehr tolerant bez¨uglich dem Verh¨altnis von L_{ef f}/D [59, 60]. Es ist also m¨oglich, EWT-Zellen aus verschiedenen Ausgangssubstraten mit ¨ahnlichen Wirkungsgraden herzustellen. Gleichzeitig sind die Anforderungen an die Passivierung der Oberfl¨achen etwas niedriger als beim IBC-Konzept.

Die R¨uckseite einer EWT-Zelle gleicht der einer IBC-Zelle, so dass sich hier

¨

ahnliche Anforderungen an Kontaktdesign und Passivierung ergeben. Da Mino- rit¨aten jedoch auch am pn- ¨Ubergang auf der Zellvorderseite eingesammelt werden k¨onnen, d¨urfen die Basiskontakte etwas breiter gew¨ahlt werden. Allerdings soll- te auch hier ihr Abstand m¨oglichst klein sein, um den Serienwiderstand gering zu halten. Eine Metallisierung mittels Siebdruck ist m¨oglich [61], auch wenn die Pr¨azision des Siebdrucks bei der theoretisch optimalen Kontaktdichte an ihre Grenzen st¨osst [62]. Die stromlose Metallisierung scheint sich f¨ur die Herstellung von EWT-Zellen besonders zu eignen, da die L¨ocher in einem gemeinsamen La- serschritt mit den ¨Offnungen f¨ur die Kontaktgitter hergestellt werden k¨onnen, so dass eine stimmige Position der Kontaktgitter und der L¨ocher gew¨ahrleistet ist.

Eine Passivierung der Zellr¨uckseite w¨are w¨unschenswert, um niedrige S¨attigungs- str¨ome der ersten und zweiten Diode zu erhalten. Allerdings ergibt sich auch hier das Problem, dass das industriell oft zur Oberfl¨achenpassivierung eingesetzte Si- liziumnitrid (aufgrund der eingebauten Ladungen) hierf¨ur nicht geeignet ist [63].

2.3. BEWERTUNG DER VERSCHIEDENEN ZELLKONZEPTE 29 Der h¨ochste mit diesem Zellkonzept erzielte Wirkungsgrad betr¨agt 21.4 % auf 6 cm² Zellfl¨ache [64]. Mit einem Zellprozess, bei dem durch Laserprozessierung vollst¨andig auf Maskierschritte und damit insbesondere auf Photolithographie verzichtet werden konnte, wurde auf 100 cm² Zellfl¨ache ein Wirkungsgrad von 20 % erreicht [65]. Industriell werden seit kurzem EWT-Zellen von Advent So- lar aus multikristallinem Silizium mit einem auf Siebdruck basierenden Prozess hergestellt. Dabei wurden Zellen mit Wirkungsgraden von bis zu 16.0 % produ- ziert [66].

EWT-Solarzellen mit einem auf Siebdruck basierenden Prozess Im Rahmen dieser Arbeit wurde der von A. Kress eingef¨uhrte Herstellungsprozess [67]

weiter entwickelt. Dabei wurde insbesondere eine neue siebdruckbare Diffusions- barrierenpaste verwendet, die sich durch niedrigere Feuertemperaturen auszeich- net. Die beste Zelle erreichte einen Wirkungsgrad von 16.8±0.2 % ² (100 cm², Cz-Si). Dieser wird sowohl von einem niedrigen F¨ullfaktor (F F = 73 %) als auch von einer relativ niedrigen offenen Klemmenspannung (V_oc= 601 mV) limitiert.

Eine Verbesserung der Spannung w¨urde eine bessere Passivierung der Zellr¨ucksei- te erfordern, welche aber in den bestehenden Prozess nicht integrierbar ist. Eine Verbesserung des F¨ullfaktors k¨onnte durch einen verbesserten Metallisierungs- prozess erreicht werden.

In Anbetracht der Tatsache, dass industriell hergestellte konventionelle Solarzel- len Wirkungsgrade von ¨uber 17 % erreichen, sind mit diesem Prozess hergestellte EWT-Solarzellen nur f¨ur Nischenanwendungen attraktiv.

2.3 Bewertung der verschiedenen Zellkonzepte

Der technologische Aufwand, um hohe Wirkungsgrade mit dem Interdigitated Back Contact und mit dem Emitter Wrap Through Konzept zu erreichen, ist

¨ahnlich hoch. Auch die mit Hoch-Effizienz-Prozessen erreichten maximalen Wir- kungsgrade der Zellkonzepte unterscheiden sich nur wenig. Wird bei der Zell- herstellung auf Hoch-Effizienz-Technologie zur¨uckgegriffen, beschr¨ankt sich der Vorteil des EWT-Konzepts auf die niedrigeren Anforderungen an das Ausgangs- substrat. Die gr¨oßere Freiheit bei der Auswahl des Ausgangsmaterials erfordert jedoch die Herstellung einer sehr großen Zahl von Verbindungsl¨ochern.

2Zur Einstellung der Lichtintensit¨at bei der Messung der Hellkennlinie stand keine Kali- brierzelle mit passender EQE und Zellfl¨ache zur Verf¨ugung. Die Lichtintensit¨at wurde daher mit verschiedenen, nicht exakt passenden Kalibierzellen eingestellt. Alle so ermittelten Wir- kungsgrade lagen zwischen 16.6 % und 17.0 %. Aufgrund der Eigenschaften der verwendeten Kalibierzellen ist anzunehmen, dass der tats¨achliche Wirkungsgrad im oberen Bereich des an- gegebenen Intervalls liegt.

Die Zelle wurde in Zusammenarbeit mit SCHOTT Solar GmbH hergestellt, wo einzelne Pro- zessschritte durchgef¨uhrt wurden.

Industrienahe Realisierungen, die allenfalls beim EWT-Konzept sinnvoll erschei- nen, erreichen nicht die selben Wirkungsgrade wie konventionelle Zellen. Da das EWT-Zelldesign die Zellherstellung jedoch nicht vereinfacht, erscheint eine solche Low-cost Umsetzung des Konzepts f¨ur den Massenmarkt unattraktiv.

F¨ur eine schnelle industrielle Umsetzung ist sowohl das MWA- als auch das MWT- Konzept geeignet. Mit geringem Mehraufwand sind beide Konzepte in bereits bestehenden Produktionslinien realisierbar (sowohl mit Siebdrucktechnologie als auch mit stromloser Metallisierung). Eine zuverl¨assige Metallisierung der Kante beim MWA-Konzept, die frei von Kurzschl¨ussen ist, ist nach eigener Erfahrung jedoch schwierig herzustellen. Im Gegensatz dazu stellt sich die Metallisierung durch L¨ocher bei MWT-Solarzellen als erstaunlich einfach heraus. W¨ahrend das MWT-Konzept besonders gut f¨ur großfl¨achige Solarzellen geeignet ist, beschr¨ankt sich der sinnvolle Einsatz des MWA-Konzepts auf kleine Zellen. Da beide Zellkon- zepte in ihrem Aufbau dem einer konventionellen Zelle sehr ¨ahnlich sind, k¨onnen sie wahrscheinlich von auch zuk¨unftigen Entwicklungen der konventionellen So- larzellen profitieren.

Ziel dieser Arbeit ist es, großfl¨achige (semi-square 15.6×15.6cm²) R¨uckkontakt- solarzellen aus monokristallinem Silizium herzustellen. Dabei soll der verwendete Herstellungsprozess industrienah, d.h. einfach in bestehende Produktionsst¨atten integrierbar sein. In Anbetracht der Vor- und Nachteile der aufgef¨uhrten R¨uck- kontaktgeometrien, wurde der Schwerpunkt der Arbeit auf die Entwicklung einer MWT-Solarzelle mit siebgedruckter Metallisierung gelegt.

2.4 Modulverschaltung mit R¨ uckkontaktsolar- zellen

Die derzeit f¨ur die Verschaltung von konventionellen Solarzellen verwendete Tech- nologie ist ¨uber 30 Jahre alt. Sie setzt sich aus mehreren Einzelschritten zusam- men. Zuerst werden an die einzelnen Zellen Verbinder gel¨otet. Anschließend wer- den die Zellen nacheinander zu sogenannten Strings verbunden und diese mitein- ander verschaltet. Schließlich wird das Modul fertig gestellt, indem die verschalte- ten Zellen wetterfest verkapselt werden. Die Automatisierung dieses Prozesses ist relativ schwierig und kostenintensiv. Ferner ist die Packungsdichte der Zellen in den Modulen dadurch begrenzt, dass die Zellvorderseite mit der R¨uckseite einer benachbarten Zelle verbunden werden muss.

Die monolithische Herstellung von Modulen [4] ist eine an R¨uckkontaktsolarzellen angepasste Methode, Module zusammenzusetzen. Die Verschaltung der Zellen er- folgt hier, indem die Zellen auf einem vorgefertigten Schaltkreis verbunden werden (siehe Abbildung 2.6). Die Best¨uckung der Leiterbahn mit Solarzellen kann mit Pick-and-Place Technologie einfach automatisiert werden. Eine weitere Vereinfa-

2.4. MODULVERSCHALTUNG MIT R ¨UCKKONTAKTSOLARZELLEN 31

Abbildung 2.6: Monolithische Modulherstellung [4]. R¨uckkontaktsolarzellen werden hier mit einer vorgefertigten Leiterbahn verbunden und so in Serie geschaltet. Die Mo- dulverschaltung und -verkapselung kann dann in einem kombinierten W¨arme-Druck- Zyklus erfolgen.

chung ist m¨oglich, wenn Verkapselung und Verschaltung in einem gemeinsamen Druck-W¨arme-Zyklus realisiert werden k¨onnen. Diese Art des Modulbaus scheint besonders f¨ur d¨unne Solarzellen geeignet. Im konventionellen Modulbau m¨ussen Strings aus den fragilen, d¨unnen Zellen gehandhabt werden. Bei der monolithi- schen Herstellung kann die Best¨uckung im Laminator erfolgen, in dem das Modul verkapselt wird.

F¨ur eine monolithische Verschaltung w¨are es w¨unschenswert, die Solarzellen mit Hilfe von leitf¨ahigen Klebstoffen elektrisch verschalten zu k¨onnen. Prinzipiell ste- hen diese zur Verf¨ugung und erf¨ullen die notwendigen Stabilit¨atstests [68, 69]. Ers- te Module aus R¨uckkontaktsolarzellen wurden im Labormassstab monolithisch mit leitf¨ahigen Klebstoffen hergestellt [11, 62, 70, 71].

Bei der herk¨ommlichen Modulproduktion entsteht etwa ein Drittel der Kosten eines Moduls bei der Verschaltung und Verkapselung der Zellen [1]. Man geht davon aus, dass mit der monolithischen Modulverschaltung etwa 10-20 % dieser Kosten eingespart werden k¨onnten [5]. Industriell wird jedoch die monolithische Modulverschaltung noch nicht eingesetzt.

Doch auch ohne die monolithische Modulverschaltung bieten R¨uckkontaktsolar- zellen bei der Verschaltung zu Modulen Vorteile. Da sich bei R¨uckkontaktso- larzellen beide externen Kontakte auf einer Seite der Zelle befinden, kann ihre Packungsdichte sehr hoch gew¨ahlt werden. Dies vermindert einerseits den Mate-

Abbildung 2.7: Modul aus MWA-Zellen. Das Modul besteht aus 72 MWA-Solarzellen (Zellgr¨oße: 50 x 98mm²), die mit stromloser Metallisierung im Rahmen dieser Doktor- arbeit in Zusammenarbeit mit BP-Solar hergestellt wurden. Die Zellen wurden mit Hilfe von leitf¨ahigem Klebstoff elektrisch miteinander verbunden. Verschaltung und Verkap- seln, also das Aush¨arten des Klebstoffs und des EVAs, wurde in einem kombinierten Druck-W¨arme-Zyklus realisiert. Die Messung der Leistung des Moduls ergab 53.8 Wp.

rialaufwand bei der Modulherstellung und erh¨oht andererseits den Wirkungsgrad des Moduls.

Ferner k¨onnen bei mit R¨uckkontaktsolarzellen hergestellten Modulen die Zellen mit sehr breiten Verbindern mit niedrigem Widerstand verschaltet werden, da diese nicht zur Abschattung beitragen. Module, die aus konventionellen kristalli- nen Siliziumsolarzellen hergestellt werden, weisen typischerweise F¨ullfaktoren im Bereich von 70-73 % auf, auch wenn die verschalteten Solarzellen F¨ullfaktoren im Bereich von 76-77 % haben [17]. Ein Großteil des F¨ullfakorverlusts entsteht durch Serienstandsverluste in den Verbindern, die durch die hohen Str¨ome, die in Solarzellen gewonnen werden, entstehen. Da der generierte Strom einer Solarzelle ann¨ahernd linar mit ihrer Zellfl¨ache ansteigt, hat sich dieses Problem mit der Verwendung gr¨oßerer Ausgangssubstrate versch¨arft. Daher erscheinen R¨uckkon- taktdesigns, insbesondere f¨ur großfl¨achige Solarzellen, die als R¨uckkontaktzellen mit großz¨ugig dimensionierten Verbindern verschaltet werden k¨onnten, als eine attraktive Alternative zum konventionellen Zellaufbau.

Kapitel 3

Untersuchung der Prozessschritte f¨ ur die Herstellung von

MWT-Solarzellen mit Dickfilm-Metallisierung

Um MWT-Solarzellen herzustellen, muss die Prozesssequenz im Vergleich zu der f¨ur konventionelle Zellen angepasst werden. Im Wesentlichen muss die Herstellung in den folgenden vier Punkten ver¨andert werden:

• Erzeugung der L¨ocher: Um die Metallisierung durch die Wafer f¨uhren zu k¨onnen, m¨ussen Verbindungsl¨ocher in die Wafer eingebracht werden.

• Lochmetallisierung: Durch die L¨ocher wird die Metallisierung gef¨uhrt, was einen angepassten Siebdruckprozess erfordert.

• Paste f¨ur die Metallisierung der Emitterbusbars: Die Metallisie- rung der Emitterbusbars erfordert eine geeignete Paste, die sich von den herk¨ommlichen Pasten zur Kontaktierung eines Emitters auf der Zellvor- derseite unterscheidet.

• Isolation des pn- ¨Ubergangs: Auf der Zellr¨uckseite befinden sich so- wohl Emitter- als auch Basisbereiche. Es ist notwendig, die beiden Bereiche w¨ahrend des Prozesses elektrisch voneinander zu isolieren.

3.1 Erzeugung der L¨ ocher

Der offensichtliche Unterschied von MWT-Solarzellen zu konventionellen Zellen ist, dass sie L¨ocher ben¨otigen, um die Kontaktierung der Vorderseite auf die R¨uck- seite zu f¨uhren. Diese L¨ocher werden mit Hilfe von Lasern in die Siliziumwafer gebohrt. In der Regel werden dazu leistungsstarke Infrarotlaser verwendet. Die

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