Die Solarzelle. Passivated Emitter and Rear Locally diffused solar cell. 25% c-si Zelle erhältlich bei der University of New South Wales: ~1000EUR/W p

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1 Die Passivated Emitter and Rear Locally diffused solar cell 25% c-si Zelle erhältlich bei der University of New South Wales: ~1000EUR/W p

2 Übersicht Definition des Problems Zellaufbau Absorber Emitter Oberflächenpassivierung Optische Vergütung Elektrische Kenngrößen Strom-Spannungskennlinie Verlustursachen Verbesserungspotentiale Zusammenfassung Alle verwendeten Quellen sind im Anhang zusammengestellt

3 Aufbau eines PV Generators Interner Ladungstransport Designentwurf entsprechend dem geplanten Einsatz Physische Dimensionierung Wahl der Komponenten

4 Absorber Dient der e-h Generation Funktionale Auswahlkriterien (W g ) α -1 d Zelle d Zelle L Ladungstransport L Fehlstellen im Volumen & Oberfläche des Kristalls N t L Randbedingungen: σ=min N A

5 Fehlstellen im Kristall verringern die Lebensdauer Dotierstoffe (Bor) Fremdatome (Sauerstoff) Kristallbaufehler

6 Lösung: Tiegelfreies Kristallziehen (Float Zone) N oxygen < cm -3 Poly-Si:B Induktionsspule Keimkristall PERL: Absorber = 1Ωcm FZ Si:B wafer mit d Zelle = 450µm

7 Vorbereitend: Oberflächen für minimale optische Verluste behandeln: Vorderseite: Light trapping, plane Rückseite mit Reflektor Vorderseite wird geometrisch struktuiert um die Totalreflexion an der Grenze Silizium/Luft n Si /n air 3.4 nutzen zu können. Voraussetzung: die Oberfläche liegt in einer (100) Kristallebene Verfahren: Photolithographische Maske + Anisotrope Ätzlösung. Inverted Pyramids

8 Totalreflexion tritt im optisch dichterem Medium (n Si >n 0 ) auf. Der Grenzwinkel ist durch θ T =arcsin(n 0 /n Si ) bestimmt. Für θ e > θ T tritt Totalreflexion auf. Für Luft/c-Si ist θ T 17

9 Emitter Funktionale Erfordernisse U D = max N D > cm -3 L p >x j N D < cm -3 j Diode = min N D / x = max Randbedingungen: N D >> N A cm -3 SCR = f(n D, N A ) x j >0,2µm σ Lateral =max N D N D R Halbleiter - Elektrode Aufbau der Potentialbarriere, e-h Trennung U LL U D W g /q j KS QE

10 Selektive Phosphordiffusion (Locally Diffused) Der Si wafer wird bei hoher Temperatur einer P-Atmosphäre ausgesetzt (z.b. PBr 3 ). T~ 900 C ~ 30min Es gibt verschiedene Arten lokal unterschiedliche Dotierungsverläufe zu erreichen.

11 Diodenverluststrom, Leerlaufspannung und Metall- Halbleiterübergang in Abhängigkeit von der Emitterdotierung besser besser besser 150&25? 706 mv UNSW 24.7% 20µm 800µm Punktkontaktübergänge HL-Metall

12 Übergangswiderstand HL-Metall an der Rückseite Analoge Überlegungen führen ebenfalls zu punktförmigen Berührungsflächen an denen die Borkonzentration stark erhöht werden muß. Diffusionsprozeß in einer B-Atomsphäre (BBr 3 ) AM1.5 2W und 4A auf 100cm 2 U 0,1Ωcm 2 4Acm -2 P 0,16W Warum Punkte?

13 Oberflächenpassivierung Passivated Emitter & Rear Das Kristallende besteht aus fehlenden Bindungspartnern. Fallen für freie Ladungsträger Oberflächenrekombination dangling bond Oxidation

14 1. Passivierungsschritt: Thermische Oxidation des Wafers bei hoher Temperatur (~1000 C) in O 2 /TCA Atmosphäre (Trichloroethan) ~100nm SiO 2 Langzeit - Oberflächenschutz Wasserstoff 2. Passivierungsschritt: Tempern des Wafers bei etwa 370 C in Formiergas (N 2 /H 2 ca. 10:1) mit Al als Katalysator.

15 Die Oberflächenpassivierung ist der entscheidende Schritt bei der Herstellung einer höchsteffizienten aus kristallinem Silizium. Die Passivierung soll möglichst die gesamte Fläche einschließen. Darum Punkte! L n 190µm L n 330µm L n 1000µm>2 d Zelle

16 Optische Vergütung Aluminiumspiegel an der Rückseite (Dient zugleich als Elektrode). Zweischichtiger Antireflexionsbelag auf die invertierten Pyramiden der Vorderseite (ZnS, n 2 =2,57 und MgF 2, n 1 Amplitudenverhältnisse E r 1 2δ t n n r2 0 AR n r Quelle: Wikipedia, Optical-coating-2.png 1 6,60 3,4 1,90

17 PERL

18 Strom-Spannungskennlinie: Beispiel c-si bei AM1.5g Bestrahlung MPP.. Punkt maximaler Leistungsabgabe (Maximum Power Point): P max =U max j max CFF.. Kurvenfüllfaktor (Curve Fill Factor): CFF=P max /(j KS U LL ) η.. Konversionswirkungsgrad (Conversion Efficiency): η =(CFF j KS U LL )/E e & Anpassungsverluste wenn R U max /I max

19 Ursachen für die elektrischen Verluste PERL Standard j KS = f (L/d) 99,3% 80% U LL = f (j Diode ) 91,7% 78% CFF = f (ΣR intern ) 93,0% 83%

20 Strategien um U LL zu vergrößern: j ph j diode j diode = f(n i2 ) n i 2 exp(-w g /k B T) j diode Optische Konzentration Temperaturmanagement Materialmanagement (Sanyo: HIT, 0743V)

21 Strategien zu η > 28,8 % 1. Zellstapel InGaP/GaAs/InGaAs η =37,7% (1sun) bzw. η =44,0% (X=942). Verringert langwellige Verluste.

22 Strategien zu η > 28,8 % 2. Photonenteiler, (QE(λ)>1) Beispiel Fluoreszenzkollektor Verringert kurzwellige Verluste Quelle: Wikipedia

23 Zusammenfassung Die Leistungsabgabe einer wird durch ihre Strom- Spannungskennlinie festgelegt: Durch das Zusammenschalten mehrer n in Reihe oder Parallel zueinander kann der Stromgenerator an die Erfordernisse des Verbrauchers angepaßt werden.