Neuartige, höchsteffiziente, rückseitenkontaktierte Solarzellen mit beidseitiger Lichtempfindlichkeit

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1 Neuartige, höchsteffiziente, rückseitenkontaktierte Solarzellen mit beidseitiger Lichtempfindlichkeit Vom Fachbereich Physik der Universität Hannover zur Erlangung des Grades Doktor der Naturwissenschaften Dr. rer. nat. genehmigte Dissertation von Dipl.-Phys. Jörg W. Müller geboren am , in Nagold 2005 Institut für Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal (ISFH)

2 Referent: Koreferent: Prof. Dr. R. Hezel Prof. Dr. H. Pfnür Tag der Promotion: 07. Juli 2005

3 Berichte aus der Physik Jörg Müller Neuartige, höchsteffiziente, rückseitenkontaktierte Solarzellen mit beidseitiger Lichtempfindlichkeit Shaker Verlag Aachen 2005

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Hannover, Univ., Diss., 2005 Copyright Shaker Verlag 2005 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Kurzzusammenfassung Ziel dieser Arbeit war es, durch geschickte Ausnutzung geeigneter physikalischer Prinzipien eine einfach herzustellende höchsteffiziente kristalline Siliziumsolarzelle zu realisieren und damit in Zukunft die Kosten von Solarstrom erheblich zu reduzieren. Zu diesem Zweck wurde eine neuartige Zellstruktur entwickelt, die rückseitenkontaktiert und beidseitig lichtempfindlich ist. Die so genannte Back-OECO-Solarzelle basiert auf einer mechanisch strukturierten Rückseite und auf im Vakuum schräg aufgedampften Aluminiumkontakten. Benutzt wurden Al-Si-Kontakte für die Basis und Al/SiO x /n-si-tunnelkontakten für den Emitter. Detailliert wurden die speziellen Anforderungen der Back-OECO-Solarzelle analysiert und technologische Lösungsmöglichkeiten realisiert. Insbesondere wurde der Einfluss des Basismaterials, der Vorderseitenpassivierung und der Rückseitenpassivierung untersucht. Da wegen der strukturierten Rückseite die effektive Basisdicke der Back-OECO-Solarzelle sehr einfach auf extrem dünne Werte eingestellt werden kann, lassen sich auch auf schlechtem Ausgangsmaterial wie Czochralski- oder multikristallinem-silizium gute Wirkungsgrade erreichen. Für die Rückseitenpassivierung spielen die festen positiven Ladungen in der SiN x -Schicht eine wichtige Rolle. Diese können im Si eine Inversionsschicht und einen leitenden Inversionskanal erzeugen. Dieser äußert sich in einem parasitären Shunt. Dieser Shunt konnte zum ersten Mal direkt nachgewiesen und mit Coronaladungen reversibel manipuliert werden. Durch eine geänderte Prozessierung wurde eine passivierende SiN x -Beschichtung realisiert - ohne den negativen Einfluss eines parasitären Shunts und mit verbesserter Passivierqualität. Durch eine neue Strukturierung parallel zu (110)-Flächen erreicht man in Verbindung mit der OECO-Technologie in einem anisotropen Ätzschritt eine Oberflächentexturierung unter Beibehaltung von ebenen Kontaktflächen. Dadurch wird die Fingerleitfähigkeit erhöht, die Kontaktfläche verkleinert und die Temperaturstabilität des MIS-Kontaktes erhöht. Mit zweidimensionalen numerischen Berechnungen wurde die spezielle Geometrie der Back- OECO-Solarzelle untersucht. Durch die schmalen Stege erreicht man eine extrem inhomogene Minoritätsladungsträgerdichteverteilung. Das Injektionsniveau in den Stegen wird dadurch um über zwei Größenordnungen reduziert. Durch diesen Abschottungs-Effekt erreicht man zu ersten Mal eine Art Passivierung allein durch geometrische Anpassung. Insbesondere dadurch werden bei der Back-OECO-Solarzelle sehr hohe Kurzschlussstromdichten trotz der zahlreichen und ansonsten unpassivierten Basiskontakte erzielt. Aufbauend auf den zuvor beschriebenen Erkenntnissen konnte die Back-OECO-Solarzelle mit wenigen Einzelschritten realisiert werden. Auf 4 cm 2 großen Laborzellen wurden Spitzenwirkungsgrade von 21,5 % und 17,7 % unter Vorderseiten- und Rückseitenbeleuchtung erreicht (gemessen vom Fraunhofer ISE CALLAB). Dies sind weltweit die höchsten Wirkungsgrade für rückseitenkontaktierte, bifaciale Solarzellen, die ohne Photolithographie hergestellt wurden. Mit der vorliegenden Arbeit wurde eine Solarzelle entwickelt, die sowohl vom Wirkungsgrad, von der einfachen Zellherstellung als auch wegen ihrer beidseitigen Lichtempfindlichkeit und der vereinfachten Modulherstellung zu einer deutlichen Verringerung der Gestehungskosten photovoltaisch erzeugter Energie beitragen kann.

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7 Abstract In the presented work a highly efficient crystalline silicon solar cell with a simple process sequence was developed. This solar cell is rear contacted and bifacially sensitive. The so-called Back-OECO solar cell is based on a mechanically grooved rear side and on aluminium contacts obliquely evaporated under vacuum conditions. Al-Si-contacts were used for the base and Al/SiOx/n-Si-tunnel contacts for the emitter. The special requirements of the Back-OECO-solar cell were analysed in detail and technological realisations were developed. The influence of the Si material quality, the front surface passivation and the rear surface passivation was investigated. Due to the grooved rear side the effective thickness of the Back-OECO solar cell can easily be adjusted to very low values. Therefore it is possible to produce high conversion efficiencies even with low quality silicon such as Czochralski- or multicrystalline-silicon. Rear collecting solar cells need excellent front surface passivation. A new stack of SiN x - films was developed with both excellent optical and electrical properties. Effective surface recombination velocities below 40 cm/s were received on textured 0.5 Ωcm Si-substrate. The fixed positive charge density of silicon nitride plays a major role for the rear side passivation. These charges can generate an inversion layer and a conducting channel resulting in a parasitic shunt. For the first time this shunt was measured directly and was manipulated reversibly by additional corona charges. Changing the processing a passivating SiN x -stack was realised without any negative effect of a parasitic shunt and with improved passivation quality. The combination of a new grooving direction parallel to (110)-planes and the OECOtechnology makes a textured cell surface and planar contact area possible with one single anisotropic etching step. The advantages are threefold: the conductivity of the metal finger increases, the contact area is reduced and the temperature stability of the MIS-contact is increased. The special geometry of the rear side was optimised by two dimensional numeric calculations. Due to the narrow ridges a very inhomogeneous minority carrier distribution is realised. The injection level in the ridge is reduced by two orders of magnitude. This shielding effect by geometric factors is used for the first time to passivate the metal contacts of the Back-OECO solar cell. Due to this contact passivation high short circuit current densities were received. Combining these improvements, Back-OECO solar cells were fabricated by a simple process sequence. 4 cm 2 cells were processed with record high efficiencies of 21,5 % and 17.7 % under front and rear side illumination, respectively (measured by Fraunhofer ISE CALLAB). These are the highest cell efficiencies for rear contacted, bifacial solar cells processed without photolithography. In this work a new solar cell was developed that can significantly decrease the cost of solar generated electricity due to the simple process sequence, the high cell efficiency, the bifacial sensitivity and the simplified module assembly.

8 Schlagworte: Keywords: Photovoltaik; kristalline Siliziumsolarzelle; Oberflächenpassivierung photovoltaic; crystalline silicon solar cell; surface passivation

9 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundlagen Ladungsträgergeneration und -rekombination Absorption in Silizium Rekombination Elektrische Beschreibung der Solarzelle IdealeSolarzelle RealeSolarzelle VerlustmechanismeninSolarzellen Stand der Technik vorderseitenkontaktierter Solarzellen RückseitenkontaktierteSolarzellen Kennzeichen Stand der Technik rückseitenkontaktiertersolarzellen BifacialeSolarzellen Kennzeichen Stand der Technik bifacialer Solarzellen Messmethoden Strom-Spannungs-Kennlinie Hellkennlinie Dunkelkennlinie J sc -V oc -Kennlinie HemisphärischeReflexion,Transmission Spektrale Empfindlichkeit (SR) IQE-Auswertung Ladungsträgerlebensdauer Mikrowellendetektiertes Photoleitfähigkeitsabklingen (MWPCD) QuasistatischeMessung(QSSPC) AuswertungderLebensdauermessungen Corona Ladungen KelvinSonde OrtsaufgelösteKurzschlussstrommessung(LBIC) Kurzschlussmessungen mit Flüssigkristallfolien(LCS)... 42

10 ii INHALTSVERZEICHNIS 4 Neuartige, höchsteffiziente, rückseitenkontaktierte Solarzellen StrukturundcharakteristischeMerkmale Numerische Simulationen Prozesssequenz Anforderungen des Zellkonzepts Materialqualität Textur Planare Kontaktflächen Invertierte Pyramiden Diffusionsbarriere AufgedampfteDiffusionsbarriere Diffusionsbarriere mit Ätzmaske DiffusionsbarrieremittelsmechanischenStrukturierens Vorderseitenpassivierung SiN x -Injektionsabhängigkeit Inversionsfreie Rückseitenpassivierung Coronaladungen TransmissionLineMethode RS-Passivierung Kurzschlussmessungen BackSurfaceField(BSF) Zweidimensionale Simulationen Mehrdimensionale numerische Beschreibung von Solarzellen Geometrieoptimierung Strukturindex w st Stegbreite w pl GeometrischePassivierung Basisdotierung Emitterdotierung Zellergebnisse und -charakterisierung Auswertung der Hell- und Dunkelkennlinie Reflexions-undTransmissionsmessungen ExterneundInterneQuantenausbeute Back-OECO-Solarzellen mit diffundierten Stegplateaus LBIC-Messungen Zusammenfassung 139 Literaturverzeichnis 141 Symbole und Abkürzungen 153

11 INHALTSVERZEICHNIS iii Danksagung 159 Veröffentlichungen 160 Lebenslauf 161