DURCHLAUFDIFFUSION FÜR DIE PHOTOVOLTAIK

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1 DURCHLAUFDIFFUSION FÜR DIE PHOTOVOLTAIK Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Fakultät für Angewandte Wissenschaften der Albert-Ludwigs Universität Freiburg im Breisgau vorgelegt von Diplom-Physiker Daniel Biró aus Karlsruhe Oktober 2003 Freiburg im Breisgau

2 Dekan: Prof. Dr. Th. Ottmann Hauptreferent: Prof. Dr.-Ing. J. Wilde Korreferent: PD. Dr. G. Willeke Datum der Prüfung:

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Grundlagen der Solarzellentechnologie Einleitung Prinzip der Siliziumsolarzelle mit pn-übergang Strom-Spannungs-Kennlinie Verlustmechanismen Klassifizierung der Verlustmechanismen Optische Verluste: Reflexion, Absorption und Transmission Rekombinationsmechanismen im Volumen Oberflächenrekombination Effektive Lebensdauer Standardherstellungsprozess und Solarzellenkonzepte Siebdruck Back Surface Field Solarzelle - Standardherstellungsprozess Erweiterungsmöglichkeiten des Standardkonzeptes Grabenkontaktsolarzelle Rückseitenkontaktsolarzellen Grundlagen der Diffusion für die Solarzellenherstellung Einleitung Thermodynamische Beschreibung der Diffusion Diffusion aus unerschöpflicher Dotierstoffquelle Diffusion aus erschöpflicher Dotierstoffquelle Grundlagen zur Phosphordiffusion Phosphordiffusion in Silizium Löslichkeit von Phosphor in Silizium Metallische Verunreinigungen Metallische Verunreinigungen in der Solarzellentechnologie Diffusion von Metallen in Silizium Beeinflussung der Solarzellenleistung durch Kontamination Gettern: Wirkungsweise und Verfahren Phosphordotiersysteme - Stand der Technik Einleitung Methoden zur Phosphordotierung Ionenimplantation Siliziumepitaxie Diffusionssysteme batch und in-line Unterscheidungsmerkmale von batch und in-line Prozessierung batch-diffusionssysteme In-line Systeme Phosphordotierstoffe in der Solarzellentechnologie Phosphoroxychlorid - POCl Orthophosphorsäure - H3PO4...41

4 4.6.3 Besondere Dotierstoffe Technologien für die Formation selektiver Emitter Einführung und Klassifizierung der Prozesse Einstufige Prozesse Zweistufige Prozesse Entwicklung einer kontaminationsarmen Transportvorrichtung Einleitung Zielsetzung und Vorgehensweise Beschreibung der bewerteten Systeme Umlaufendes Metallkettenband Umlaufende Drähte oder Schnüre Umlaufende keramische Ketten Luftfördersysteme Hubbalkentransport Hubschnurtransport Bewertung der Transportsysteme Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse Diffusionsanlagen mit Hubschnurtransportsystem Einleitung Aufbau der Hubschnur-Prototypanlage Temperaturmessung in Durchlauföfen Grundlegende Überlegungen zur Temperaturmessung in Durchlauföfen Temperaturprofile für den Durchlaufkettenbandofen Temperaturprofile für den Hubschnurprototyp Homogenitätsuntersuchungen Vergleich einer konventionellen Durchlaufanlage mit dem Hubschnursystem Zielsetzung für die Untersuchung Versuchsbeschreibung Ergebnisse der Lebensdauermessungen Zugbelastungsuntersuchungen für Keramikschläuche Belastungsanalyse Durchführung und Interpretation der Belastungstests Hubschnur-Diffusionsanlagen für den industriellen Einsatz Allgemeine Überlegungen zur Skalierung Dimensionierung der Anlage Weiterentwicklungen gegenüber den Prototypanlagen Anlagenautomatisierung Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse Homogene Emitterdiffusion im Durchlaufverfahren Einleitung Solarzellenprozess für den Labormaßstab Dotierung aus der Siebdruckpaste...96

5 7.3.1 Einfluss von Diffusionszeit und Pastenkonzentration auf die Diffusion Einfluss der Pastenkonzentration auf das Dotierprofil Diffusion nach Gasphasendeposition und Barrierenwirkung des Dotierstoffes Prozessentwicklung für den Hubschnurprototyp Schichtwiderstandsuntersuchungen Solarzellen aus monokristallinem Cz-Silizium Untersuchungen auf multikristallinem Silizium Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse Selektive Emitterdiffusion im Durchlaufverfahren Einleitung Ortsaufgelöste Lebensdauer- und Dotierprofilbestimmungen Charakterisierung von selektiven Emitterstrukturen Herstellung der Teststrukturscheiben Interpretation von Lebensdauertopographien selektiver Emitter Korrelation von Lebensdauertopographien mit SIMS-Messungen Solarzellen mit selektivem Emittern Herstellung der Solarzellen Mikroskopische Untersuchung des Phosphorsilikatglases Einfluss von Fingerdicke und Plateautemperatur Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse Zusammenfassung Veröffentlichungen Patente Danksagung Lebenslauf...161

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7 1 Einleitung In den letzten sechs Jahren erfreute sich der weltweite Markt für photovoltaische Energiegewinnung hoher Wachstumsraten im Bereich von % (s. Abbildung 1.1). MW p Abbildung 1.1 Leistung der weltweit jährlich installierten Photovoltaik Anlagen. Es sind jeweils die oberen und unteren Schätzwerte angegeben (aus [1]). Der überwiegende Teil der photovoltaischen Module, die in den Installationen zum Einsatz kommen, wird bislang aus kristallinen Solarzellen aufgebaut. Für die ökonomische Herstellung von Solarzellen im industriellen Maßstab, müssen diese kostengünstig mit hohem Anlagendurchsatz produziert werden können. Neben der Minimierung der Kosten für die Solarzellenherstellung muss auf der anderen Seite die Maximierung des Solarzellenwirkungsgrades erfolgen. In den Produktionsstätten, die in den letzen Jahren eingerichtet wurden, wird angestrebt, Solarzellen mit einem Durchsatz von über 1000 Scheiben/Stunde bei Wirkungsgraden über 15 % herzustellen. In Produktion und Forschung erfolgt eine ständige Verbesserung der verwendeten Prozesstechnik und der implementierten Solarzellenstrukturen, um diese Ziele zu erreichen. Seitens der Anlagentechnik werden hohe Ansprüche an die Robustheit der Technologien, die bei hohem Automatisierungsgrad sehr reproduzierbar das angestrebte Prozessergebnis gewährleisten müssen, gestellt. Bezüglich der Solarzellenstrukturen besteht die Zielsetzung, Strukturen umzusetzen, die bei minimalen Kosten höchstmögliche Wirkungsgrade erlauben. Bei dieser Entwicklung geht die Technologiebereitstellung mit den Konzeptionen der hergestellten Solarzellen einher. Die Kontinuität des Materialflusses in einer Produktionsstätte hängt entscheidend von den eingesetzten Produktionsverfahren ab. In der Solarzellenfertigungstechnologie werden diesbezüglich im wesentlichen zwei Ansätze unterschieden. Es existieren das sogenannte in-line- und das batch-prinzip, die sich in ihrer Reinform darin unterscheiden, dass im batch-betrieb stets Gruppen von Scheiben in Trägern gemeinsam prozessiert werden, während im in-line-betrieb die Scheiben einzeln zumeist liegend die Prozessstationen passieren.

8 8 1 Einleitung Durch die dichte Anordnung der Scheiben im batch-betrieb können hohe Durchsatzraten erreicht werden, allerdings ist der logistische Aufwand gegenüber der Prozessierung in-line sehr hoch. Handhabungsautomaten für die Be- und Entladung der Stationen müssen in der Lage sein, die Scheiben mit hoher Präzision in die Träger einzuordnen und zu entnehmen. Dadurch dass im batch-betrieb stets Gruppen von Scheiben gemeinsam an fester Stelle in den Anlagen prozessiert werden, müssen die Anlagen die Prozesszyklen wiederholen, wodurch Diskontinuitäten im Materialfluss entstehen. Der zeitliche Ablauf bei der in-line Prozessierung ist durch die Position der Scheiben in der Prozesslinie gegeben. Somit können die Anlagen auf stabile Parametersätze, die den entsprechenden Prozess charakterisieren, eingeregelt werden und verbleiben in diesem Zustand. Da im in-line Prozess die Scheiben zumeist liegend auf Fördersystemen durch die Prozessstationen transportiert werden, erfolgt eine minimale Belastung der Kanten der Scheiben so dass die Bruchwahrscheinlichkeit als gering eingestuft wird. Besonders bei dünnen Scheiben, die aus Kostengründen vorteilhaft sind, wird erwartet, dass durch in-line Technologie die Bruchrate sinkt und dass der kontinuierliche Materialfluss eine hochgradig automatisierte Linie hoher Produktivität ermöglicht. Durch die Hochtemperaturbedingungen bei der Diffusion des pn-übergangs der Solarzelle, existierte zu Beginn der vorliegenden Arbeit keine befriedigende Lösung für den Scheibentransport durch die Diffusionszonen der Öfen, in denen 900 C deutlich überschritten werden können. Die verwendeten Kettenbänder aus hochwarmfesten Nickel/Chrom-Legierungen führen zu Kontamination der Scheiben und weisen Standzeiten auf, die abhängig vom Prozess, bei etwa ein bis zwei Jahren liegen. Darüber hinaus besitzen die Transportgurte eine hohe Wärmekapazität, die bewirkt, dass sehr viel Energie beim Aufheizen und Abkühlen des Gurtes verschwendet wird. Es wurde in dieser Arbeit das Ziel verfolgt, ein neuartiges Transportsystem für Durchlaufdiffusionsanlagen zu entwickeln, um die in-line Technologie auch bei diesem Prozess vorteilhaft anwendbar zu machen. Es soll im wesentlichen folgende Haupteigenschaften erfüllen: Es soll kontaminationsfrei sein, eine niedrige thermische Masse haben, um energieeffizient einsetzbar zu sein und durch eine hohe Standzeit niedrige Wartungskosten nach sich ziehen. Die Vorgehensweise zur Erreichung des Zieles ist in vier Hauptschritte untergliedert. Zunächst werden Alternativverfahren identifiziert und soweit möglich und notwendig in Testaufbauten geprüft. Dieser Phase schließt sich eine Bewertung der geprüften Systeme an. Es wird auf Basis dieser Bewertung das vorteilhafteste System ausgewählt und in Diffusionsanlagen integriert und eingehend charakterisiert. Abschließend erfolgt der Nachweis der Einsatzfähigkeit anhand von Solarzellen, die mit dieser Anlage in einem industrienahen Prozess hergestellt und charakterisiert werden. Die Arbeit ist wie folgt gegliedert: In Kapitel 2 werden die Grundlagen der Solarzellenphysik und technologie dargestellt. Anhand des Zwei-Dioden-Modells, welches für die Beschreibung der Solarzellen üblicherweise herangezogen wird, werden alle wichtigen Parameter der Solarzellen definiert und mittels Simulationsrechnungen in ihrer Auswirkung auf die Leistung der Solarzelle untersucht. Die elektrischen und optischen Verlustmechanismen werden beschrieben und den jeweils zu Grunde liegenden Prozessen zugeordnet. Der in der Industrie vorwiegend hergestellte Solarzellentyp

9 wird gemeinsam mit dem dazugehörigen Herstellungsprozess beschrieben. Ein ähnlicher Herstellungsprozess wurde auch in dieser Arbeit entwickelt, um einen späteren Technologieübertrag aus dem Labormaßstab in eine industrielle Fertigungslinie zu erleichtern. In Kapitel 3 erfolgt eine Darlegung der Grundlagen der Diffusion von Phosphor in Silizium, wodurch der für die Funktionserfüllung notwendige pn-übergang der Solarzelle erzeugt wird. Die Diffusionseigenschaften metallischer Verunreinigungen, die auf Solarzellen nachteilhafte Wirkungen haben und deren Leistung reduzieren, werden ebenfalls rekapituliert. Eine Beschreibung von Getterprozessen, mit denen Teile von Verunreinigungen aus den Solarzellen entfernt werden können, schließt das Kapitel. Kapitel 4 gibt einen Überblick über die Möglichkeiten der Bildung eines pn-übergangs für Siliziumsolarzellen mit Fokus auf die Phosphordiffusion, da diese bei allen kommerziell hergestellten Solarzellen aus kristallinem Silizium appliziert wird. Da die Wahl der Dotierstoffquelle für die eingesetzte Technologie von großer Bedeutung ist, werden die in der Photovoltaik gängigen Dotierstoffquellen beschrieben. Das Kapitel schließt mit der Beschreibung der Technologien, die zur Formation von selektiven Emittern gegenwärtig in der Forschung geprüft werden. In Kapitel 5 wird die Analyse und Bewertung alternativer Transportverfahren beschrieben. Anhand eines hierfür definierten Anforderungskataloges werden sechs verschiedene Systemtypen anhand von Prototypen und Modellrechnungen evaluiert. Dabei wird jedes System zunächst vorgestellt und die Ergebnisse, die mit den Prototypanlagen gewonnen wurden, werden präsentiert. Eine abschließende Bewertung aller in Betracht gezogener Systeme führt zur Auswahl des in dieser Arbeit entwickelten Hubschnursystems, welches für weiterführende Untersuchungen in einem Durchlaufofen realisiert wurde und alle aufgestellten Kriterien erfüllt. Die Beschreibung der Charakterisierung dieses Systems, sowie dessen Aufbau, sind in Kapitel 6 zusammengestellt. Mit Homogenitätsuntersuchungen werden die Einflüsse des Transportsystems auf die Temperaturverteilung auf den zu prozessierenden Scheiben quantifiziert. Über die Durchführung eines Kriechexperiments werden grundlegende Aussagen zur Mindestbetriebsdauer des Systems gewonnen. Dabei wurde die Längung der für das Transportsystem verwendeten keramischen Schläuche unter verschiedenen Temperatur- und Zugbelastungen über einen Zeitraum von annähernd zwei Monaten beobachtet. Mittels ortsaufgelösten Lebensdaueruntersuchungen wird die Kontaminationsfreiheit des Hubschnursystems im Vergleich zu einem Kettenbandofen nachgewiesen. Überlegungen zur Skalierung geben Aufschluss über die Anlagendimensionierung für einen industriellen Einsatz. Auf der Basis der Erfahrungen, die an dem Prototyp gesammelt wurden, wurde die Konzeption einer Demonstrationsanlage vorgenommen, die bereits weitgehend industriellen Maßstäben genügt. Diese vierspurige vollautomatisierte Anlage wurde noch im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut und wird am Schluss von Kapitel 6 beschrieben. Es wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Solarzellenherstellungsprozess entwickelt, der im Labormaßstab die industrielle Solarzellenfertigungsvorgang weitgehend abbildet, um die Applikabilität des Hubschnursystems für die Solarzellenherstellung nachzuweisen. Dieser Prozess, sowie die Untersuchungen an Solarzellen, die im Rahmen dieser Arbeit hergestellt wurden, sind in Kapitel 7 beschrieben. Es werden Ergebnisse an monokristallinem Material mit und ohne Texturierung sowie an multikristallinem Silizium präsentiert. Der Einsatz von selektiven Emittern in der Solarzellenfertigung stellt eine konzeptionelle Weiterentwicklung der Standardsolarzellenfertigung dar. In Kombination mit dem neu 9

10 10 1 Einleitung entwickelten Hubschnursystem wird Kapitel 8 bestimmt, inwieweit mit der Implementation von selektiven Emittern eine Steigerung des Wirkungsgrades gegenüber Solarzellen mit homogenem Emitter erreicht werden kann. Eingangs wird hierzu anhand von Lebensdaueruntersuchungen die Passivierbarkeit der im Durchlaufverfahren hergestellten selektiven Emitter nachgewiesen. Diese ist eine wesentliche Grundvoraussetzung für die Entfaltung des Potentials des Konzeptes. Anhand von gefertigten Solarzellen, die einen direkten Vergleich mit den Solarzellen aus dem vorigen Kapitel erlauben, wird der Nutzen der Verwendung von selektiven Emittern in eingeschätzt. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der wichtigsten gewonnenen Ergebnisse und einem Ausblick auf mögliche weiterführende Arbeiten.

11 2 Grundlagen der Solarzellentechnologie 2.1 Einleitung In diesem Kapitel werden zunächst die allgemeinen Parameter, mit denen eine Solarzelle bereits weitgehend charakterisiert ist, anhand des Zwei-Dioden-Modells eingeführt. In dieser Arbeit durchgeführte Simulationsrechnungen zeigen, wie Veränderungen dieser Parameter sich auf die Leistungsfähigkeit der Solarzelle auswirken. Die allgemein bei Solarzellen auftretenden Verlustmechanismen, die sich in optische und elektrische Verluste durch Rekombination gliedern lassen, werden rekapituliert. Ein Solarzellentyp, welcher bereits einige dieser Verlustmechanismen unterdrückt und in industriellem Maßstab hergestellt wird, ist die Siebdruck-back-surface-field-Solarzelle. Für diesen Solarzellentyp wird ein industrieller Herstellungsprozess beschrieben. Dessen Ablauf dient als Bezugspunkt für die Prozesse die in dieser Arbeit etabliert wurden. Das Kapitel schließt mit der Beschreibung weiterer Solarzellenkonzepte, deren Relevanz für eine industrielle Herstellung bereits gezeigt wurde oder noch in der Bewertungsphase ist. 2.2 Prinzip der Siliziumsolarzelle mit pn-übergang Die einfachste Ausführung einer Solarzelle vom Typ n + p ist in Abbildung 2.1 schematisch dargestellt. Sie ist im wesentlichen eine großflächige Diode mit einem üblicherweise etwa 0,2 bis 2 µm tiefen n-leitendem Emitter und einer p-leitenden Basis der Dicke µm. Der Emitter ist an der dem Licht zugewandten Seite angeordnet und wird, um Abschattungsverluste zu minimieren, über schmale Kontaktfinger kontaktiert. Auf der Rückseite kann ein ganzflächiger Kontakt erfolgen. Treffen Photonen auf den Halbleiter, können beim Absorptionsprozess Ladungsträgerpaare generiert werden. Wenn die Minoritätsladungsträger durch die Raumladungszone in den jeweils gegenüberliegenden Bereich hinübertreten, sinkt ihre Rekombinationswahrscheinlichkeit um mehrere Größenordnungen und sie können zum Ladungsträgerstrom beitragen. Vorderseitenkontakt Antireflexschicht Emitter Raumladungszone Basis Rückseitenkontakt Abbildung 2.1 Schematische Darstellung einer Solarzelle mit pn-übergang. Durch die Raumladungszone hinweg erfolgt die Trennung der erzeugten Ladungsträger. In diesem Beispiel ist die Basis p- und der Emitter n-dotiert.

12 12 2 Grundlagen der Solarzellentechnologie Die Antireflexschicht ist für die Funktion der Solarzelle nicht wesentlich aber in der Praxis sehr bedeutsam, da mit ihr die Einkopplung des einfallenden Lichtes und damit die Effizienz der Solarzelle gesteigert werden kann. Die Oberflächen der Solarzellen können texturiert werden, um die Einfangwahrscheinlichkeit für eintreffendes Licht weiter zu erhöhen (zur allgemeinen Solarzellentheorie siehe [2-5]). 2.3 Strom-Spannungs-Kennlinie Alle grundlegenden Parameter einer Solarzelle können aus ihrer Strom-Spannungskennlinie, die im beleuchteten (Hellkennlinie) und unbeleuchteten Zustand (Dunkelkennlinie) gemessen werden kann, entnommen werden. Basierend auf den folgenden Annahmen [3] kann aus den Transportgleichungen der Halbleiterphysik das sogenannte Ein-Dioden Modell (siehe Gleichung (2.1)) abgeleitet werden: Der relativ große Abstand der Fermienergie von Valenz- und Leitungsband erlaubt die Fermi-Dirac-Statistik durch Boltzmann-Statistik anzunähern, um die Besetzungsdichte der entsprechenden Bänder zu beschreiben. Der Halbleiter kann in eine Raumladungszone und quasineutrale Bereiche unterteilt werden. In der Raumladungszone ist bei der Betrachtung der elektrischen Feldverteilungen nur der Betrag der ionisierten ortsfesten Dotieratome von Bedeutung. Im quasineutralen Bereich herrscht keine Raumladung. In der Raumladungszone ist der aus der Differenz von Diffusionsstrom und Driftstrom resultierende Ladungsstrom klein gegenüber diesen Strömen. In allen Bereichen wird angenommen, dass die Minoritätsladungsträgerdichte klein gegenüber der Dichte der Majoritäten ist. Die Stromdichte j ist abhängig von der an der Solarzelle anliegenden Spannung V und kann durch folgende Gleichung beschrieben werden: V V ( e ) jl th j( V ) = j0 1, (2.1) wobei j L die durch die Beleuchtung erzeugte Photostromdichte und j 0 die Sättigungsstromdichte der Solarzelle ist. V th wird aus der Boltzmannkonstante k und der Temperatur der Solarzelle berechnet und wird als thermische Spannung bezeichnet: k T V th =. (2.2) q Dieses Modell ist allerdings noch zu erweitern, um eine reale Solarzelle befriedigend beschreiben zu können. Die Abweichungen von dem nicht-idealen Verhalten können im wesentlichen mit fünf zusätzlichen Parametern erfasst werden. Serien- und Parallelwiderstand R s beziehungsweise R p der Solarzelle. Störstellenrekombination in der Raumladungszone. Diese wird erfasst, indem in der Beschreibung der Solarzelle der ersten eine zweite Diode mit einer Sättigungsstromdichte j 02 und einem Idealitätsfaktor n 2 parallelgeschaltet wird. Nichtideales Verhalten in den quasineutralen Bereichen kann über einen Idealitätsfaktor n 1, der in den Exponentialterm der ursprünglichen Diode integriert wird, berücksichtigt werden. In der Praxis ist dies allerdings meist nicht notwendig und es gilt n 1 =1.

13 2.3 Strom-Spannungs-Kennlinie 13 Die Beträge der Verlustmechanismen werden im Ersatzschaltbild für die Solarzelle verdeutlicht: j L j 01 j 02 R S Licht R P V,j Abbildung 2.2 Ersatzschaltbild für eine Solarzelle nach dem Zwei-Dioden-Modell (nach [5]). Gemäß der Ersatzschaltung in Abbildung 2.2 ergibt sich für die Kennlinie der Solarzelle nach dem Zwei-Dioden-Modell folgender Ausdruck [5]: j V ) = ( V R n V V R n V S ( ) ( ) j V j R S ) 1 th ( e j e j S ) th jl j01. (2.3) R ( 2 Numerische Anpassungen gemessener Kennlinien an dieses Modell sind von größter Bedeutung bei der Charakterisierung von Solarzellen. Der letztendlich bedeutsamste Parameter einer Solarzelle ist ihr Wirkungsgrad η. Dieser wird aus der Strom Spannungs-Kennlinie der Solarzelle im beleuchteten Fall am Punkt maximaler Leistung ermittelt. Er ist durch den Quotienten der maximal entnehmbaren Leistung P mpp und der eingestrahlten Leistung P STC definiert (s. Gleichung (2.4)). Gemäß den vereinheitlichten Bestimmungsbedingungen wird P STC für terrestrische Anwendungen mittels einer dem Normspektrum AM1.5g weitgehend entsprechenden Lichtquelle erzeugt. Abweichungen von diesem Spektrum werden durch Intensitätsanpassungen mittels einer kalibrierten Eichsolarzelle in ihren Auswirkungen auf die Messung reduziert. Für den Wirkungsgrad η gilt nun: P I V I V FF mpp mpp mpp sc oc η = = =, (2.4) PSTC PSTC PSTC wobei I mpp und V mpp Strom und Spannung am Punkt maximaler Leistung der Solarzelle mit der Fläche A sind (mpp steht für maximum power point). Sehr wichtige Parameter sind weiter der Kurzschlussstrom I sc beziehungsweise die auf die Fläche A der Solarzelle bezogene Kurzschlussstromdichte j sc, die Leerlaufspannung V oc sowie der Füllfaktor FF der Solarzelle mit I mpp Vmpp FF =. (2.5) I sc Voc Für die Vorgehensweisen, wie aus den gemessenen Kennlinien die Solarzellenparameter gewonnen werden können, sei der Leser auf den Anhang A verwiesen. Für die in der vorliegenden Arbeit analysierten Solarzellen wurden numerisch die Beträge der einzelnen Werte zu Verlusten in FF und V oc berechnet. Grundlage war eine Solarzelle die sich mit dem Zwei-Dioden Modell beschreiben lässt. Sofern ein Parameter nicht variiert wurde, ist er P

14 14 2 Grundlagen der Solarzellentechnologie in dem folgenden Datensatz festgelegt: j 01 =10-12 A/cm², j 02 =10-8 A/cm², n 1 =1, n 2 =2, j L =32 ma/cm², R s =0 Ω cm², R p =10 5 Ω cm². Diese Werte entsprechen einer guten Industriesolarzelle. Zunächst wird von diesen Werten ausgehend der Serienwiderstand variiert und der Einfluss auf den Füllfaktor untersucht. FF [%] R s [Ωcm²] Abbildung 2.3 Füllfaktor FF einer Industriesolarzelle in Abhängigkeit vom Serienwiderstand R s. sonstige Parameter sind: n 1 =1, n 2 =2, j 01 =10-12 A/cm², j 02 =10-8 A/cm², R p =10 5 Ω cm² und j L =32 ma/cm². Für die Kurve in Abbildung 2.3 wurde in dem für die Solarzellen interessanten Bereich von 0 bis 4 Ω cm² eine lineare Anpassung durchgeführt. In guter Näherung kann für die Steigung ein Wert von dff/dr s =-4.5 %/Ω cm² verwendet werden, der allerdings leicht variiert, wenn die übrigen Solarzellenparameter nicht den hier in der Simulation verwendeten entsprechen. Durch diesen starken Einfluss auf den Füllfaktor und damit direkt auf den Wirkungsgrad der Solarzellen, kommt dem Serienwiderstand eine große Bedeutung zu. Besonders vor dem Hintergrund, dass man bemüht ist, sehr schmale Kontaktfinger zu fertigen, um Abschattung und Rekombination zu vermeiden, wird dieser Punkt sehr wichtig. Der Füllfaktor ist zunächst der einzige Parameter, der durch einen hohen Serienwiderstand beeinflusst wird. Erst ab Werten von R s deutlich über 10 Ω cm² sind signifikante Verluste in der Kurzschlussstromdichte j sc zu verzeichnen. Ein weiterer wichtiger Leistungsverlust tritt auf, wenn der Parallelwiderstand R p der betrachteten Zellen zu klein wird und sich ein sogenannter shunt ausbildet. In der folgenden Abbildung 2.4 ist für eine typische Industriesolarzelle der Parallelwiderstand variiert. Es wird deutlich, dass erst ab Werten oberhalb von 10 4 Ω cm² die Solarzelle durch den Parallelwiderstand keine nennenswerten Verluste erleidet. Darunter treten bis etwa 10 3 Ω cm² bereits Verluste von etwa 1.5 % absolut im Füllfaktor auf. Der dazugehörige Spannungsverlust fällt mit etwa 1 mv gering aus. Niedrige Parallelwiderstände können bei allen Herstellungskonzepten für industriell hergestellte Solarzellen auftreten. Die Ursache hiervon ist zum einen, dass die Emitterdiffusion ohne zusätzliche Maskierungsschritte nicht einseitig ausgeführt werden kann, da in der Gasphase vorhandener Dotierstoff sich unkontrolliert auf der Solarzellenrückseite niederschlagen kann und dort zu parasitärer Diffusion führt. Zum anderen werden in der Industrie verschiedene Siliziumnitride als Multifunktionsschichten eingesetzt, die über eingebaute positive Ladungen Inversionskanäle über den Rand der Solarzellen bis hin zu den Rückseitenkontakten induzieren können, die wie kleine Parallelwiderstände wirken (s. in diesem Zusammenhang auch [6]). Dies wurde auch in dieser Arbeit bei Solarzellen beobachtet, die nachträglich mit einer SiN-Schicht

15 2.3 Strom-Spannungs-Kennlinie 15 beschichtet wurden und danach kleine Parallelwiderstände aufwiesen, die durch Abschleifen der Kanten wieder beseitigt werden konnten. V OC [mv] R P [Ωcm²] 86 Abbildung 2.4 Füllfaktor FF und 84 Leerlaufspannung V oc einer Industriesolarzelle in Abhängigkeit vom Parallelwiderstand R p sonstige Parameter: n 1 =1, n 2 =2, j 01 =10-12 A/cm², j 02 =10-8 A/cm², FF [%] R s =0 Ω cm², und j L =32 ma/cm². Das Vorhandensein von sogenannten Rand-shunts macht es notwendig, an geeigneter Stelle nach der Diffusion des Emitters einen Kantenisolationsschritt durchzuführen, durch den die Kurzschlüsse beseitigt werden. Dieser Prozess, sowie das Feuern des Vorderseitenkontaktes oder auch Verunreinigungen können Störungen in der Raumladungszone bewirken. Dies führt zu einem erhöhten Dunkelsättigungsstrom j 02 aus der Raumladungszone. Wie dieser Parameter V oc und FF der Solarzelle beeinflusst, ist in Abbildung 2.5 dargestellt. Da in dieser Arbeit bei der Prozessierung von Solarzellen, die einen sehr kurz diffundierten Emitter aufwiesen, häufig Dunkelkennlinien aufgetreten sind, die nur durch Variation des Idealitätsfaktors n 2 angepasst werden konnten, wurde neben j 02 auch n 2 variiert a) FF [%] n x10-5 j 02 [A/cm²] b) V oc [mv] n x10-5 j 02 [A/cm²] Abbildung 2.5 Reduktion von a) Füllfaktor FF und b) Leerlaufspannung V oc für verschiedene Kombinationen von Raumladungsdunkelsperrstrom j 02 und dem Idealitätsfaktor n 2. (sonstige Parameter: n 1 =1, j 01 =10-12 A/cm², R s =0 Ω cm², R p =10 5 Ω cm², j L =32 ma/cm²).

16 16 2 Grundlagen der Solarzellentechnologie Ursachen für solche Nichtidealitäten werden beispielsweise in [7] und [8] aufgeführt und reichen vom Einfluss von Parallelwiderständen und Randeffekten bis hin zu störstellenunterstützten Tunneleffekten, die durch Verunreinigungen in der Raumladungszone der Solarzelle zustande kommen. Als Grundtendenz kann man den Graphen entnehmen, dass die Verluste in FF und V oc dann besonders groß sind, wenn j 02 groß und n 2 klein sind. Für die in den übrigen Simulationsrechnungen zugrundegelegten Werte für j 02 von 10-8 A/cm² und n 2 =2 sind Verluste im Füllfaktor von etwa 0,5 % absolut und in V oc von etwa 1,5 mv gegenüber verschwindender Raumladungszonenrekombination zu verzeichnen. 2.4 Verlustmechanismen Klassifizierung der Verlustmechanismen Die Verlustmechanismen, die den Wirkungsgrad einer Solarzelle begrenzen, gliedern sich in optische und elektrische Verluste. Die optischen Verluste lassen sich in Verluste durch Reflexion des einfallenden Lichts, Verluste durch Transmission und durch Absorption in Schichten, in denen keine Ladungsträger generiert werden, zerlegen. Die elektrischen Verluste gliedern sich in Widerstands- und Rekombinationsverluste. Die Auswirkungen von Widerstandsverlusten wurden bereits im vorherigen Abschnitt besprochen. Zu den Rekombinationsmechanismen sollen nur die grundlegenden Mechanismen erläutert werden. Detaillierte Beschreibungen finden sich in [3,9-12]. Auf diesen Quellen basiert auch die unten folgende Zusammenstellung der Rekombinationsmechanismen Optische Verluste: Reflexion, Absorption und Transmission Für die Effizienz der Solarzelle ist es von großer Bedeutung, dass das einfallende Licht zu einem möglichst großen Anteil in Ladungsträgerpaare umgewandelt wird. Es können sogenannte Antireflexschichten auf das Silizium aufgebracht werden, um das einfallende Licht in das Bauelement zu führen. Diese bestanden bei industriellen Anwendungen bis vor wenigen Jahren aus Titandioxid. In den letzen Jahren hat sich Siliziumnitrid als Multifunktionsschicht weitgehend durchgesetzt, da es neben der Antireflexwirkung auch sehr gute Passivierungseigenschaften für das Volumen wie auch für die Oberfläche des Siliziums aufweist [11-14]. Eine ausführliche Optimierung für Siliziumnitridschichtdicken und Brechungsindices findet sich in der Dissertation von Doshi [15]. Ist das Licht in den Halbleiter eingedrungen, ist die Wahrscheinlichkeit der Absorption für die Generation der Ladungsträgerpaare entscheidend für die Funktionserfüllung. In Abbildung 2.6 sind der Absorptionskoeffizient und der Kehrwert hiervon, die Eindringtiefe von Licht in Silizium wellenlängenabhängig nach [16] dargestellt. Betrachtet man Abbildung 2.6, wird zunächst deutlich, dass Silizium für Energien über 3,4 ev (entspricht einer Wellenlänge von etwa 380 nm) sehr gut absorbiert. Bei dieser Energie ist auch der erste direkte Bandübergang von Silizium zu finden. Unterhalb dieser Energie sinkt die Absorptionswahrscheinlichkeit schnell ab. In diesem Energiebereich wird das Licht über den indirekten Bandübergang bei 1,12 ev unter Zuhilfenahme von Phononen absorbiert. Es werden also auch hier Ladungsträgerpaare generiert, die potentiell von der Solarzelle genutzt werden können.

17 2.4 Verlustmechanismen Absorptionskoeffizient α [µm -1 ] Wellenlänge [nm] Eindringtiefe [µm] Abbildung 2.6 Absorptionskoeffizient und Eindringtiefe für Silizium bei 300 K (nach [16]). Unterhalb dieser Energieschwelle werden Photonen im wesentlichen durch freie Ladungsträger absorbiert. Da dieser Absorptionsprozess keine Ladungsträgerpaare erzeugt, ist er auch für die Solarzelle nicht gewinnbringend. Er kann allerdings für Charakterisierungszwecke vielseitig verwendet werden, da über die Absorption an freien Ladungsträgern Rückschlüsse auf die Ladungsträgerdichte gezogen werden können, ohne diese selbst zu beeinflussen [17,18]. Um die Reflexionsverluste an den Oberflächen reduzieren zu können, werden an diesen sogenannte Texturierungen angebracht, die entweder nass- oder plasmatechnisch realisierbar sind (siehe beispielsweise: [19] oder [20]). Werden diese nasschemisch hergestellt, bestehen sie häufig aus sogenannten random-pyramids, wenige Mikrometer kleinen zufällig verteilten aufrechten Pyramiden. Ihre Herstellung basiert auf der Eigenschaft alkalischer Ätzlösungen wie KOH oder NaOH, das Silizium anisotrop zu ätzen. Diese Pyramidenstrukturen reduzieren die Reflexion der Scheiben beträchtlich, da eintreffendes Licht an den Pyramiden einige mal reflektiert werden kann und so mehr Licht in den Halbleiter eindringt. Des weiteren wird auch Licht, welches von der Rückseite der Solarzellen reflektiert wird, mit größerer Wahrscheinlichkeit intern reflektiert, so dass auch eine Verlängerung der optischen Weglänge erreichbar ist. Die Verbesserungen der Lichteinkopplung führen zu einem höheren Kurzschlussstrom der Solarzellen, wie beispielsweise sehr gut an den texturierten Solarzellen zu sehen ist, die in Abschnitt vorgestellt werden Rekombinationsmechanismen im Volumen Gesamtwirkung der Rekombinationsmechanismen im Volumen Die Volumenlebensdauer τ bulk in Silizium ist begrenzt durch die Wirkung der intrinsischen und extrinsischen Rekombinationsmechanismen im Volumen, die in den folgenden Abschnitten beschrieben werden. Jeder dieser Mechanismen i hat eine entsprechende Rekombinationsrate U i und eine diesem Mechanismus zugeordnete Lebensdauer τ i mit n τ i =, (2.6) U i wobei n die Überschussladungsträgerkonzentration im Silizium ist. Da die einzelnen Rekombinationskanäle unabhängig voneinander wirken, ergibt sich die Gesamtrekombinations-

18 18 2 Grundlagen der Solarzellentechnologie rate U aus der Summe der Einzelrekombinationsraten. Daraus wiederum folgt für die Volumenlebensdauer unter Berücksichtigung aller Rekombinationsmechanismen: 1 1 =. (2.7) τ bulk τ i Im folgenden wird nun kurz auf die unterschiedlichen Formen der Rekombination im Volumen eingegangen Strahlende Band-Band Rekombination Dieser Rekombinationsprozeß stellt die direkte Umkehrung der Generation dar. Bei der Rekombination der Landungsträger wird die Energie des Elektron-Loch-Paares in Form eines Photons frei. Da Silizium ein indirekter Halbleiter ist, ist zur Erfüllung der Impulsbilanz für diesen Prozess noch ein Phonon notwendig, was diesen Prozess sehr unwahrscheinlich macht. Für die Lebensdauer von Elektron-Lochpaaren, die nur der strahlenden Rekombination ausgesetzt sind, gilt : 1 τ rad =. (2.8) B rad ( p0 + n0 + n) Hierbei ist B rad der Übergangskoeffizient der strahlenden Rekombination. p 0 und n 0 sind die Ladungsträgerdichten der Löcher und Elektronen im thermischen Gleichgewicht. Für B rad finden sich Werte im Bereich cm³/s in [3] und 3, cm³/s in [21] Band-Band Augerrekombination Die Augerrekombination ist wie die strahlende Rekombination ein intrinsischer Prozess. Bei diesem Prozess ist bei der Rekombination ein weiterer Ladungsträger zugegen, der die Energie des rekombinierenden Ladungsträgerpaares aufnimmt und anschließend in Form von Phononen an das Kristallgitter abgibt. Die entsprechende Niedriginjektionslebensdauer der Elektronen τ auger,n beträgt in p-dotiertem Material: und in n-dotiertem Material analog für die Löcher: = 1 τ auger, n 2 (2.9) gehh C p N A 1 τ auger, p =. 2 (2.10) geeh Cn N D N A und N D sind die Konzentrationen der Akzeptoren und Donatoren und C p beziehungsweise C n die Augerkoeffizienten für das jeweils beteiligte dritte Teilchen. Die Korrekturfaktoren g ehh und g eeh berücksichtigen Effekte der Coulombabschirmung und wurden in [22] theoretisch begründet. Diese Korrekturfaktoren verstärken die Augerrekombination bei hocheffizienten Solarzellen zu einem sehr wichtigen Rekombinationsmechanismus. Detaillierte Untersuchungen hierzu finden sich in [22,23] und [24] Rekombination an Störstellen Störungen im Siliziumkristall, die durch Verunreinigungen oder Gitterfehler auftreten, können besetzbare Energieniveaus zwischen Valenz- und Leitungsband aufweisen. Die dazugehörigen Rekombinationsprozesse können gut mit dem sogenannten Shockley-Read-Hall-Prozess (SRH)

19 2.4 Verlustmechanismen 19 modelliert werden ([25] und unabhängig davon [26]). Es ergibt sich die sogenannte SRH-Lebensdauer τ SRH : ( n + n ) + ( p + p ) τ p 1 τ n 1 τ SRH =, (2.11) n + p + n mit den Niedriginjektionslebensdauern für Elektronen τ n und Löcher τ p, 1 τ n = N σ v t n th und τ p = N σ v t p th (2.12) mit den Einfangquerschnitten σ n und σ p der Störstelle für Elektronen und Löcher, der Störstellenkonzentration N t, und der thermischen Geschwindigkeit v th, sowie mit Et Ei Ei Et n1 = ni exp und p1 = ni exp, (2.13) kt kt wobei E t das Energieniveau der Störstelle und E i das intrinsische Ferminiveau darstellen. n i ist die intrinsische Ladungsträgerkonzentration in Silizium. Besonders in kostengünstigem multikristallinem Siliziummaterial, welches für die industrielle Produktion verwendet wird, ist diese Form der Rekombination vorherrschend und begrenzt die Wirkungsgrade der Solarzellen [27-29] (siehe hierzu auch Abschnitt 3.4.3). Auch bei Czochralski Silizium findet mit steigender Konzentration von Bor und Sauerstoff eine erhöhte SRH-Rekombination statt, die Gegenstand intensiver Untersuchungen ist (siehe beispielsweise [30]) Oberflächenrekombination Neben den Rekombinationsverlusten im Volumen der Solarzelle stellt die Rekombination an den Oberflächen einen sehr wichtigen Verlustmechanismus dar. Die Störung der Kristallsymmetrie an den Oberflächen der Solarzelle führt zur Bildung von Störstellen an den Oberflächen, die Energieniveaus in der gesamten Bandlücke ausweisen können. Zur Beschreibung der Rekombinationsrate U s an der Oberfläche wird ein erweiterter SRH Mechanismus angewendet [9]. Dabei wird die Rekombinationsaktivität bei allen Energieniveaus zwischen Valenz- und Leitungsband integriert. Analog zur Volumenlebensdauer kann eine Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit (ORG) S definiert werden, die in der Praxis häufig als Maß für die Oberflächenqualität bezüglich der Rekombination benutzt wird: U s S = = n 2 ( n p n ) v Ec D ( E ) s s n i th it t Ev + ( n + n ) σ ( E ) + ( p p )/σ ( E ) s 1 / p t s 1 n t de t. (2.14) Dabei sind n s und p s die Oberflächenkonzentrationen von Elektronen und Löchern und D it die Oberflächenzustandsdichte der Störstellen. Ausführliche Abhandlungen über die Auswirkungen und die Bestimmung der ORG finden sich in [9,11,31,32]. Die Reduktion der ORG wird Oberflächenpassivierung genannt und wird technologisch hauptsächlich durch thermische Oxidation der Siliziumgrenzfläche oder durch die Abscheidung einer Siliziumnitridschicht erreicht (siehe hierzu jeweils [33-35] und [11,13,36,37]).

20 20 2 Grundlagen der Solarzellentechnologie Effektive Lebensdauer Die effektive Lebensdauer τ eff ist der Lebensdauerwert, der an einer Probe messtechnisch direkt zugänglich ist, und spiegelt alle Rekombinationsmechanismen und die Geometrie der Probe wider, da die Probendicke den Einfluss der Oberflächenrekombination bestimmt: 1 τ eff 1 1 = +. (2.15) τ τ s b Hierbei ist τ b die Volumenlebensdauer und τ s der Oberflächenrekombinationsterm. Dieser ist durch die ORG an der Vorderseite S f und an der Rückseite S b sowie durch die Probendicke W und die Diffusionskonstante der Elektronen D n ausdrückbar durch: 1 τ 2 = D n γ 1, (2.16) s wobei γ 1 den kleinsten Eigenwert der nachfolgenden transzendenten Gleichung darstellt [38]: tan ( W ) D γ ( S + S ) n m f b γ m =. 2 (2.17) ( Dγ m ) S f Sb Für die Sonderfälle bei denen S f =S b =S vorliegt, kann eine Näherungslösung vorgenommen werden, die mit 5%-iger Genauigkeit gilt [39]: W 1 W τ s +. (2.18) 2 S Dn π Für gut passivierte Oberflächen mit S<100 cm/s kann in den meisten Fällen der zweite Term vernachlässigt werden, so dass sich für die effektive Lebensdauer folgender Ausdruck ergibt: 1 τ eff b 2 2 S 1 = +. (2.19) W τ Es soll noch angemerkt werden, dass die gemessenen Lebensdauerwerte von der Überschussladungsträgerdichte n im Kristall abhängen. Diese Veränderung mit n bewirkt, dass die mit Lebensdauerabklingmessungen ermittelten differentiellen Messwerte mit der effektiven Lebensdauer nicht genau übereinstimmen müssen. Für sehr präzise Aussagen müssen aus diesem Grund Messungen bei verschiedenen n, was durch Einstellung der Beleuchtungsintensität bei der Messung erreicht werden kann, durchgeführt werden. Die so ermittelten Werte werden dann in einem iterativen Verfahren integriert, um τ eff zu erhalten [31,40,41]. 2.5 Standardherstellungsprozess und Solarzellenkonzepte Siebdruck Back Surface Field Solarzelle - Standardherstellungsprozess Die momentan auf dem Markt erhältlichen Solarzellen sind zum größten Teil aus multi- oder monokristallinem Silizium hergestellt. Der Herstellungsprozess für diese Solarzellen folgt in den meisten Prozesslinien recht ähnlichen Abläufen, obgleich vielerorts komponentenweise oder gar über die Implementierung eines neuen Solarzellenkonzeptes der gesamte Ablauf weiterentwickelt wird. Im folgenden soll der Standardherstellungsprozess, an den auch die in dieser Arbeit verwendete Prozesskette stark angelehnt ist, vorgestellt werden (für den in dieser Arbeit

21 2.5 Standardherstellungsprozess und Solarzellenkonzepte 21 entwickelten Prozess vgl. Abschnitt 7.2). Die Standardprozesskette ist vereinfacht in Abbildung 2.7 dargestellt. Als Ausgangsmaterial dienen quadratische bordotierte Siliziumscheiben der Kantenlängen 10, 12,5 oder 15 cm, die vom Hersteller üblicherweise aus Blöcken gesägt werden. Die Oberflächen der etwa 330 µm dicken Scheiben weisen einen 5-10 µm tiefen Sägeschaden auf, der bei dem Solarzellenhersteller im ersten Prozessschritt nach der Scheibenvereinzelung entfernt wird. Dies geschieht gewöhnlich mittels eines alkalischen Ätzschrittes in Kali- oder Natronlauge. Entweder bereits in diesem Schritt oder evtl. in einem nachfolgenden Ätzschritt kann durch angepasste Konzentrationen und Zugabe von organischen Komponenten wie Isopropylalkohol eine Oberflächentexturierung zur Verbesserung der optischen Eigenschaften durchgeführt werden [19]. Bislang ist allerdings nur die Texturierung monokristalliner Scheiben industriell in großem Maßstab etabliert. Die Texturierung für multikristallines Material ist insofern schwierig, als dass nicht von einem einheitlich orientierten Kristall ausgegangen werden kann, so dass alkalische Ätzlösungen wie KOH oder NaOH hier ungeeignet sind. Deren auf der Anisotropie der Ätzgeschwindigkeiten im Kristall beruhenden Texturierungsmechanismen würden nur an den Oberflächen weniger zufällig geeignet ausgerichteter Körner eine Textur hervorbringen. Texturierungen für multikristallines Material basieren aus diesem Grund häufig auf selbstmaskierenden Prozessen in denen unabhängig von der Kristallorientierung kleine Kuhlen in das Material geätzt werden [42-44]. Hauser et al. stellten kürzlich eine besondere Texturierungslösung vor, die außer Salpeter- und Flusssäure keine weitere Komponenten enthält [45]. Gegenüber untexturierten Scheiben, konnte so ein Gewinn von 1 % absolut im Wirkungsgrad erreicht werden. Ausgangsmaterial Silizium-Scheibe Sägeschadenentf. Texturierung Dotierstoffdeposition Emitterbildung H H H KOH oder NaOH Ätzbecken Rohrofen oder Durchlaufofen Kantenisolation Plasmaätzer H Phosphorglasentfernen Flusssäureätzbecken H Deposition der Antireflexschicht PECVD SiN x Abscheider H Deposition der Kontaktmaterialien Siebdrucker: Ag, Al und Ag/Al Paste H Kontaktbildung Durchlauffeuerofen H Charakterisierung Sonnensimulator bzw. Klassifizierer H Endprodukt Solarzelle Funktion Technologie Prozessschritt H Handhabung Abbildung 2.7 Standardprozesskette für die industrielle Solarzellenherstellung. Die nach der Sägeschadenentfernung beziehungsweise Textur nun etwa 300 µm dicken Scheiben erhalten anschließend eine Phosphordiffusion. Viele Hersteller verwenden den aus der Chipfabrikation bekannten Rohrofenprozess bei dem aus POCl 3 hergestellte phosphordotierte Siliziumdioxidgläser auf den Scheiben als Diffusionsquelle dienen. Etwa 200 Scheiben werden dazu in ein Quarzboot geladen und in das Diffusionsrohr hineingeschoben. Dort wird zunächst unter Sauerstoffzuführung aus verdampftem POCl 3 das Phosphorsilikatglas (PSG) auf den

22 22 2 Grundlagen der Solarzellentechnologie Scheibenoberflächen aufgewachsen, aus welchem dann Phosphoratome in die Scheibe diffundieren und so ein n-typ Gebiet, den Emitter der Solarzellen, bilden. Während dieses Prozesses wird die POCl 3 -Zufuhr gestoppt, wenn das Glas ausreichend dick ist. Nach einem Spülvorgang können die diffundierten Scheiben gefahrlos entnommen werden. Da nach der Diffusion das PSG auf der Scheibe verbleibt, folgt nun ein Ätzschritt in Flusssäure, bei dem dieses entfernt wird. Es muss entfernt werden, da es stark hygroskopisch ist und zu einem späteren Zeitpunkt das Modul schädigen könnte, da es bei Kontakt mit Wasser Phosphorsäure bildet. Da bei fast allen Rohrofendiffusionsprozessen, die Diffusion auch auf den Kanten und der Rückseite erfolgt, wenn nicht eine zusätzliche Maskierung auf der Rückseite aufgebracht wurde, muss an geeigneter Stelle im Herstellungsprozess ein Isolationsschritt durchgeführt werden, bei dem der Emitter von den Kanten der Solarzellen entfernt wird. So wird verhindert, dass der nachfolgend aufgebrachte Rückseitenkontakt zum Emitter kurzgeschlossen ist. Dieser Prozessschritt wird in den meisten Produktionsstätten mittels eines Stapelätzprozesses noch vor dem Entfernen des PSG durchgeführt. Dazu werden die Scheiben übereinander gelegt und zusammengepresst. Der nachfolgende Ätzschritt greift demzufolge nur die Kanten an und führt zum gewünschten Resultat. Nachteilhaft hierbei ist der große Aufwand bei der Be- und Entladung des Reaktors. Es können auch leicht Scheiben brechen oder oberflächlich beschädigt werden, da durch das Stapeln ungleichmäßiger Druck auftreten kann. Es wird derzeit daran gearbeitet Laserablationsprozesse, bei denen die Oberflächen der Scheiben in kleinem Abstand vom Rand (etwa 0,5 mm) mit einem Laserstrahl bearbeitet werden, zu etablieren, um diesen Prozess mit einer weniger bruch- und personalintensiven Technologie durchführen zu können. Dabei wird der Emitter entlang des Lasergrabens entfernt und so eine elektrische Isolation von der Rückseite erreicht [46,47]. Anschließend werden die Scheiben auf der Vorderseite mit einer Antireflexschicht versehen. Dies erfolgt durch eine Siliziumnitridbeschichtung üblicherweise in einem PECVD-Rohrabscheider. Aufgrund der großen Vorteile bei der Oberflächen- und Volumenpassivierung (s. zum Beispiel [48-51]) wurde durch diese Beschichtungen die Verwendung von Titandioxid fast vollständig verdrängt. Trotz der komplizierten Belegung finden sich seit den letzten Jahren auch hier vollautomatisierte Geräte auf dem Markt. Es wird auch an der Entwicklung von Durchlaufanlagen gearbeitet, um die Handhabung und den Scheibenbruch gering zu halten. Alternativ zu PECVD-Nitridschichten wird gegenwärtig die Eignung der Sputtertechnologie, die beispielsweise in der Glasbeschichtungsindustrie weit verbreitet ist und großflächig homogene Abscheidungen ermöglicht, geprüft [52,53]. Der nun folgende Schritt der Kontaktdeposition und der Kontaktausbildung nimmt in der Solarzellenfertigung eine Schlüsselposition ein. Bei der Herstellung kristalliner Solarzellen basiert dieser Prozessschritt bei fast allen Herstellern auf der Siebrucktechnologie. Für die Vorderseite werden silberhaltige Pasten verwendet, die in feinen Linien von etwa µm Breite im Abstand von wenigen Millimetern auf die Siliziumnitridschicht aufgedruckt werden [54-56]. Diese sogenannten Finger werden noch durch zwei senkrecht dazu verlaufende etwa 2 mm breite Bahnen, den sogenannten bus-bars, verbunden, die im gleichen Druckprozess erzeugt werden. Diese bus-bars dienen als Kontaktbereiche für die anzulötenden Solarzellenverbinder. Alternativ zum Siebdruck werden Technologien wie Tampon- oder Schablonendruck untersucht, die feinere und höhere Finger hervorbringen sollen (siehe hierzu [56,57] beziehungsweise [58-60]).

23 2.5 Standardherstellungsprozess und Solarzellenkonzepte 23 Nach dem Trocknen des Vorderseitenkontaktes wird die Rückseite bedruckt. Dies erfolgt in zwei Schritten bei denen zunächst eine Silber/Aluminiumpaste verwendet wird, um Bereiche zu erzeugen, an die später die Zellverbinder angelötet werden können. Der verbleibende Solarzellenbereich auf der Rückseite wird mit einer Aluminiumpaste bedruckt. Es erfolgt danach wieder ein Trockenschritt, der meist direkt in den sogenannten Feuerschritt übergeht. Dieser Prozess wird in einem Durchlaufofen durchgeführt, in dem die Scheiben im wesentlichen nach einem kurzen Ausbrennschritt, bei dem organische Bestandteile verbrannt werden, für wenige Sekunden auf etwa C in einem schnellen Prozess hochgeheizt werden, um anschließend nach einer Abkühlphase den Ofen zu verlassen. Der gesamte Feuerprozess dauert etwa 2 Minuten. Zum einen bildet sich dabei der elektrische Kontakt zum Emitter aus. Dies geschieht, indem Bestandteile des Kontaktfingers die Siliziumnitridschicht angreifen und auflösen, so dass ein direkter Kontakt zum Emitter stattfinden kann. Die Natur dieses Kontaktes und seiner Bildung ist sehr komplex und Gegenstand aktueller Untersuchungen [61,62]. Gleichzeitig erhöht sich auch die Leitfähigkeit der Finger selbst stark, weil der Kontaktfinger sich verdichtet. Auf der Rückseite bildet sich der Kontakt der Silber/Aluminiumpaste zum Silizium der Basis und der Aluminiumpaste zum Silizium aus. Letzterer ist ein komplizierter Legierungsprozess, bei dem eine p + -Dotierung der Rückseite, was für kleine Rekombinationsverluste an dieser vorteilhaft ist, ausgebildet wird. Auch hier nimmt die Querleitfähigkeit der Pasten nach dem Feuern hohe Werte an. Während dieses Schrittes, kann bei geeigneter Schichtzusammensetzung Wasserstoff aus dem Siliziumnitrid auf der Vorderseite an die Silizium/Siliziumnitrid Grenzfläche transportiert werden. Von dort diffundiert er in das Volumen des Kristalls und sorgt dort wie auch an der Grenzfläche für die Passivierung von Defekten. Die fertige Solarzelle kann nach einem Charakterisierungsschritt in der eine Klassifizierung in verschiedene Leistungsklassen erfolgt der Modulverschaltung zur Verfügung gestellt werden, die in diesem Rahmen nicht weiter beschrieben werden soll. Für weitere Details in den Herstellungsprozessen für Solarzellen sei auf [53,63,64] verweisen. Berichte über Ergebnisse in Massenproduktionen solcher oder ähnlicher Solarzellen finden sich in [44,65-73]. Es sei noch erwähnt, dass um die Materialkosten zu reduzieren, viele Forschungsgruppen und Solarzellenhersteller an der Produktion und Prozessierung von dünneren Scheiben interessiert sind und hier auch umfangreiche Arbeiten vorliegen [74-77] Erweiterungsmöglichkeiten des Standardkonzeptes Zwei wichtige Erweiterungen des Standardkonzeptes, an denen in den letzten Jahren viele Gruppen gearbeitet haben, sind die Ausbildung von selektiven Emittern auf der Vorderseite der Solarzelle und der Erarbeitung neuer Rückseitenkonzepte, die eine bessere Passivierungsqualität als die herkömmlich hergestellte Aluminiumrückseite aufweisen. Hier wird nur auf die Entwicklungen bei der Formation dielektrischer Rückseitenpassivierung eingegangen, da die Möglichkeiten selektive Emitter auszubilden ausführlich in Abschnitt 4.7 bei der Beschreibung der Dotiersysteme in der Photovoltaik beschrieben werden. Die Solarzellenkonzepte mit dielektrisch passivierten Rückseiten haben alle gemeinsam, dass der größte Teil der Oberfläche der Rückseite mit Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid passiviert ist und diese Schicht nur an wenigen Bereichen geöffnet wird, um eine Kontaktierung zu erlauben. Bei den besonders hoch effizienten Solarzellen wird darüber hinaus an den Stellen, wo später der Kontakt positioniert wird, eine p + -Diffusion mit Bor vorgesehen, damit ein kleiner Kontaktwiderstand und eine gute Oberflächenpassivierung auch an diesen Zellbereichen gewährleistet ist [4,78,79].