DIE METAL WRAP THROUGH SOLARZELLE ENTWICKLUNG UND CHARAKTERISIERUNG

Transkript

1 DIE METAL WRAP THROUGH SOLARZELLE ENTWICKLUNG UND CHARAKTERISIERUNG DISSERTATION zur Erlangung des Doktorgrades der Fakultät für Angewandte Wissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau Angefertigt am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) Vorgelegt von Dipl.-Phys. Florian Clement aus München Februar 2009 Freiburg im Breisgau

2 Dekan: Referent: Koreferent: Prof. Dr. Hans Zappe Prof. Dr. Holger Reinecke Prof. Dr. Gerhard Willeke Datum der Prüfung:

3 Und jedem Anfang wohnt ein Zauber inne (Zitat aus dem Gedicht Stufen von Hermann Hesse)

4

5 Kurzfassung Das Thema der Arbeit ist die Entwicklung und Optimierung der metal wrap through (MWT-) Solarzelle. Dabei steht die Entwicklung eines Herstellungsprozesses für MWT-Solarzellen im Vordergrund, der im Vergleich zum Herstellungsprozess konventioneller Solarzellen nur einen geringen Mehraufwand erfordert, gleichzeitig aber zu einer signifikanten Steigerung des Wirkungsgrades von MWT-Solarzellen gegenüber konventionellen Solarzellen führt. Letzterer Gesichtspunkt war eine der primären Herausforderungen dieser Arbeit. Hierzu wurden MWT-Solarzellen detailliert analysiert und charakterisiert, Verlustmechanismen aufgezeigt sowie Verbesserungsmöglichkeiten evaluiert und auf den Solarzellenprozess übertragen. Des Weiteren wurde der Verschaltungsprozess der MWT-Solarzelle im Modul untersucht, mit dem konventionellen Modulaufbau verglichen und vor allem im Hinblick auf serielle Widerstandsverluste optimiert. Für MWT-Solarzellen wurde ein dem konventionellen Herstellungsprozess sehr ähnlicher Prozess entwickelt, welcher lediglich zwei zusätzliche Laserprozesse zur Erzeugung von Löchern und zur rückseitigen Isolation der Kontakte sowie einen zusätzlichen Siebdruckprozess zur Durchkontaktierung erfordert. Es konnte gezeigt werden, dass der zusätzliche Siebdruckprozess ohne signifikante Effizienzverluste eingespart werden kann, wenn die Durchkontaktierung und der Druck der Lötkontaktflächen in einem Prozessschritt durchgeführt werden. Die Prozesskosten werden somit deutlich gesenkt. Des Weiteren wurde ein schneller und zuverlässiger Durchkontaktierungsprozess entwickelt und detailliiert charakterisiert. Darüber hinaus wurde zur Charakterisierung von MWT-Solarzellen ein Messblock konstruiert, geprüft sowie für die Kennlinienmessung kalibriert. Für MWT-Solarzellen aus multikristallinem Silicium (mc-si) konnte ein Wirkungsgradgewinn gegenüber der konventionellen Solarzelle von bis zu 0,5% absolut und maximale Wirkungsgrade von über 16,7% erreicht werden. Darüber hinaus konnte durch die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modultechnologie für MWT-Solarzellen der Wirkungsgradvorteil gegenüber der konventionellen Technologie um weitere 0,3% gesteigert werden. Die primären Verlustmechanismen der MWT-Solarzelle konnten evaluiert werden. Zum einen sind diese Rekombinationsverluste im Bereich der Durchkontaktierungen und der rückseitigen n-kontakte, zum anderen laterale Widerstandsverluste in der Basis, die ebenfalls in den rückseitigen n-kontaktbereichen auftreten. Darüber hinaus spielen im Beriech der rückseitigen Lötkontaktflächen Rekombinationsverluste aufgrund einer verminderten Rückseitenpassivierung eine entscheidende Rolle. Der Einfluss der Verlustmechanismen auf den Wirkungsgrad der MWT-Solarzelle konnte abgeschätzt und eine Reduktion der Verluste erreicht werden.

6

7 Abstract This work focuses on the development and the optimization of the metal wrap through (MWT) solar cell. Primary goal of this work has been the development of an appropriate process flow for MWT solar cells, which generates only insignificant extra costs compared to the conventional process flow, however, achieves a significant efficiency increase for MWT cells compared to conventionally processed cells. The latter was one of the main challenges of this work. For this purpose MWT solar cells have been studied and characterized in detail. Loss mechanisms have been detected and improvements evaluated as well as transferred to the cell process. Furthermore, the assembling process for MWT solar cells in the module has been optimized focusing on less series resistance losses. A comparison with the conventional module assembling process is presented. A process flow similar to the one for the conventional process has been developed for MWT solar cells. Merely two additional laser process steps for hole drilling and rear contact isolation as well as one screen printing step for the through connection turn out to be necessary. It is shown that the additional screen printing process can be omitted without significant efficiency losses, if the through connection and solder pad metallization is done in a single process step. Furthermore, a fast and reliable through connection process has been developed and characterized in detail. Moreover, a gauge mounting block for MWT solar cells has been constructed, analyzed and calibrated for current-voltage-characteristic measurements. With multi crystalline MWT silicon solar cells an efficiency gain up to 0.5% absolute has been achieved compared to conventionally processed solar cells thereby reaching a maximum cell efficiency of more than 16.7%. Due to a novel MWT module technology developed in this work the efficiency compared to the conventional technology could be improved further by another 0.3% absolute. The primary loss mechanisms of the MWT solar cell could be evaluated. These are on the one hand recombination losses in the region of the through connection and the rear n-contact and on the other hand lateral resistance losses of the base again in the rear n-contact region. Furthermore, recombination losses due to a non optimum rear passivation of the solder pad region play a decisive role. The influence of the loss mechanisms on the efficiency has been evaluated for the different loss mechanisms and a reduction of the losses has been reached.

8

9 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Motivation und Ziel der Arbeit Aufbau der Arbeit 4 2 Die kristalline Silicium-Solarzelle Aufbau und Funktionsweise der Solarzelle Theoretische Beschreibung der Solarzelle Charakteristische Kennlinien einer Solarzelle Das Ein- und das Zwei-Dioden-Modell Maximal erreichbarer Wirkungsgrad Verlustmechanismen Optische Verluste Rekombinationsverluste Elektrische Verluste Herstellungsprozess konventioneller Industriesolarzellen Grundlagen der Modultechnologie Aufbau und Funktionsweise eines Solarmoduls Konventioneller Modulherstellungsprozess Verlustmechanismen im Modul 25 3 Neue Zell- und Modulkonzepte Einleitung Rückseitenkontaktsolarzellen 28

10 Inhaltsverzeichnis - II Überblick über bekannte Zellkonzepte Die BJ-Solarzelle Die EWT-Solarzelle Konzept einer beidseitig sammelnden und kontaktierbaren (BSK-) Solarzelle Aufbau der BSK-Zelle Herstellungsprozess der BSK-Solarzelle Die MWT-Solarzelle Stand der Technik Aufbau der in dieser Arbeit entwickelten MWT-Solarzelle Herstellungsprozess der MWT-Solarzelle MWT-Modultechnologie Stand der Technik MWT-Module mit strukturierten Zellverbinderbändern MWT-Modulverschaltung über Randkontakte Vor- und Nachteile des MWT-Konzeptes Vergleich mit konventioneller Zell- und Modultechnologie Vergleich alternativer MWT-Konzepte Vergleich mit Rückseitenkontakt- und BSK-Solarzellen 59 4 Charakterisierung von MWT-Solarzellen Einleitung Messtechnik für MWT-Solarzellen Aufbau eines Kennlinienmessplatzes für MWT-Solarzellen Charakterisierung des MWT-Kennlinienmessplatzes 64

11 Inhaltsverzeichnis - III Kalibrierung des MWT-Kennlinienmessplatzes MWT-Solarzellen Ergebnisüberblick Vergleich mit konventioneller Solarzelle und Verlustanalyse Analytisches Modell der MWT-Solarzelle Analytisches Modell Vergleich mit experimentellen Daten mm² große MWT-Solarzellen Zusammenfassung der Ergebnisse 87 5 Charakterisierung von MWT-Modulen Einleitung Ergebnisse und Vergleich verschiedener Modultechnologien Modulverschaltung mit strukturierten Zellverbinderbändern Modulverschaltung über Randkontakte Vergleich von gemessenen und berechneten FF-Verlusten im Modul Langzeitstabilitätsuntersuchungen Zusammenfassung der Ergebnisse Optimierung der MWT-Solarzelle Einleitung Die Vorderseite der MWT-Solarzelle Der siebgedruckte Vorderseitenkontakt Die zweistufige Vorderseitenmetallisierung Hochohmige Emitter 124

12 Inhaltsverzeichnis - IV Vergleich zweier Verfahren zum Aufbringen der Antireflexschicht Vergleich verschiedener Kantenisolationsmethoden Zusammenfassung der Ergebnisse und Optimierung der Vorderseite Der Lochkontakt der MWT-Solarzelle Herstellung und Charakterisierung von Kontaktdurchführungskanälen Einfluss der Lochbohrungen auf die Ladungsträgerlebensdauer Metallischer Durchkontaktierungsprozess Industrielle Anwendbarkeit des Durchkontaktierungsprozesses Die Rückseite der MWT-Solarzelle Die rückseitige Kontaktisolation Die rückseitige Silberpaste Die rückseitigen p-kontaktlötflächen Laterale Widerstandsverluste in der Basis Zusammenfassung der Ergebnisse und Optimierung der Rückseite Zusammenfassung der Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 215 Anhang 219 A. Die beidseitig sammelnde und kontaktierbare (BSK-) Solarzelle 219 B. Abkürzungen 223 C. Symbole 226 D. Physikalische Konstanten 231 Literaturverzeichnis 233 Veröffentlichungsliste 241

13 Inhaltsverzeichnis - V - Danksagung 243 Curriculum Vitae 245

14

15 1 Einleitung 1.1 Motivation und Ziel der Arbeit Seit Anfang des 19. Jahrhunderts wird eine fortdauernde Erwärmung des Erdklimas beobachtet, die nach weitgehend übereinstimmenden wissenschaftlichen Erkenntnissen maßgeblich auf der zunehmenden Nutzung fossiler Energieträger beruht. Wie der vierte Bericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) [1] aus dem Jahre 2007 sowie der Stern-Bericht aus dem Jahre 2006 [2] beschreibt, hat die Klimaerwärmung sowohl ernsthafte ökologische als auch unvermeidbare ökonomische Folgen. Es wird prognostiziert, dass sich eine durchschnittliche globale Temperaturerhöhung zwischen bestenfalls 1,8 C und im schlechtesten Fall 4 C zwischen Anfang und Ende dieses Jahrhunderts einstellt. Daher muss ein Umdenken stattfinden, welches unter anderem die Abkehr von klimaschädlichen fossilen hin zu erneuerbaren Energieträgern bewirkt, um das zukünftige Klima nachhaltig positiv zu beeinflussen. Der Anteil erneuerbarer Energien am globalen Primärenergieverbrauch lag 2005 bei etwa 13% [3], wobei etwa 75% auf die Nutzung von fester Biomasse, wie z. B. Holz entfielen. In Zukunft muss dieser Anteil vor allem im Hinblick auf den stetig wachsenden globalen Energiebedarf deutlich erhöht werden. In Deutschland konnten innerhalb der letzten Jahre bereits erste Fortschritte verbucht werden. So wuchs der Anteil erneuerbarer Energien am Primärenergieverbrauch von 2,6% im Jahre 2000 auf 6,7% im Jahre 2007 [3]. Den größten Beitrag zur regenerativen Stromerzeugung leistet dabei neben dem stagnierenden Anteil der Wasserkraft der stark wachsende Windkraft-Anteil. Aufgrund der staatlichen Förderung im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes konnte auch der Anteil photovoltaischer Stromerzeugung in Deutschland deutlich erhöht werden. Im Jahre 2007 konnte er in Vergleich zum Vorjahr um 60% [3] gesteigert werden. Das größte Hindernis für eine schnelle globale Verbreitung der photovoltaischen Stromerzeugung sind die im Vergleich zu fossilen Energieträgern zurzeit noch höheren Stromgestehungskosten. Eine weitere Kostenreduktion der photovoltaischen Stromerzeugung ist daher dringend notwendig. Neben der Möglichkeit mittels neuer Technologien, wie z. B. der Dünnschichttechnologie, eine Kostensenkung zu erreichen, spielt die Optimierung von auf Siliciumscheiben basierten Solarzellen eine tragende Rolle bei der heutigen Solarzellenforschung.

16 - 2-1 Einleitung Zur Kostenreduktion kommen primär drei Ansätze in Betracht: Senkung der Rohstoffkosten Senkung der Produktionskosten von Solarzellen und -modulen bei gleich bleibender Effizienz Steigerung der Effizienz von Solarzellen und -modulen bei nur moderat erhöhten Produktions- und Rohstoffkosten. Materialkosten können vor allem durch die Verwendung immer dünnerer Siliciumscheiben gesenkt werden, welche als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Siliciumsolarzellen dienen. Mit effizienteren oder alternativen Herstellungsprozessen werden dagegen Produktionskosten verringert. Der Einsatz neuer und innovativer Zellkonzepte trägt zur Effizienzsteigerung von Solarzellen und -modulen bei und wurde im Rahmen dieser Arbeit verfolgt. Rückseitenkontaktsolarzellen, welche sowohl den positiven als auch den negativen externen Kontakt auf der dem Sonnenlicht abgewandten Rückseite der Solarzelle aufweisen, stellen eine vielversprechende Möglichkeit dar, die Effizienz der Solarzelle zu steigern und somit die Stromgestehungskosten signifikant zu senken. Ihr großer Vorteil ist, dass die primär rückseitig angeordneten Kontakte weniger Zellfläche abschatten. Dies führt zu deutlichen Stromgewinnen und folglich zu Effizienzsteigerungen. Die metal wrap through (MWT-) Solarzelle 1, welche erstmals 1998 von E. van Kerschaver [4] vorgestellt wurde, stellt unter der Gruppe der Rückseitenkontaktsolarzellen die der konventionellen Solarzelle Ähnlichste dar. Bei der MWT-Solarzelle ist lediglich der externe Vorderseitenkontakt auf die Rückseite verlegt. In Abbildung 1-1 ist der schematische Aufbau einer MWT-Solarzelle dargestellt und beschrieben. Der auf der Vorderseite eingesammelte Strom wird mittels dünner Kontaktfinger des Kontaktgitters zu metallisierten Durchkontaktierungen geleitet, dort zur Rückseite transportiert und rückseitig durch einen externen Kontakt abgegriffen. Ein weiterer Vorteil des MWT-Konzeptes ist die Möglichkeit, den rückseitig abgegriffenen Strom nahezu verlustfrei im Modul abzutransportieren, da die ausschließlich rückseitige Modulverschaltung ohne Berücksichtigung von optischen Abschattungseffekten optimiert werden kann. Verglichen mit der konventionellen Solarzelle sind zur Herstellung von MWT-Solarzellen lediglich drei zusätzliche Prozessschritte nötig: das Löcherbohren, die Durchkontaktierung und die rückseitige Kontaktisolation [5]. Eine Kostenreduktion scheint bereits bei einem moderaten Effizienzgewinn möglich zu sein. Erste Versuche den Herstellungsprozess von MWT-Solarzellen in Solarzellenfertigungslinien zu implementieren laufen bereits [6]. 1 Deutsche Begriffe für die MWT-Solarzelle sind: Metallverbund- oder Metalldurchkontaktsolarzelle.

17 1.1 Motivation und Ziel der Arbeit Isolationsgraben Antireflexschicht Emitter VS-Kontaktgitter p-kontakt Basis (p-typ) Isolationsgraben Via n-kontakt p-kontakt Abbildung 1-1: Schematischer Aufbau einer MWT-Solarzelle. Beide externen Kontakte (p- und n- Kontakt) befinden sich auf der Rückseite der Solarzelle, lediglich das Kontaktgitter verbleibt auf der Vorderseite (VS). Die elektrische Verbindung zwischen Vorder- und Rückseite erfolgt über metallisierte Durchkontaktierungen (Via). Die Isolationsgräben dienen zur elektrischen Isolation zwischen n- und p-kontakt. Die Oberflächentextur sowie die Antireflexschicht erhöhen den Lichteinfang auf der Vorderseite. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen industrienahen Prozessablauf für MWT-Solarzellen zu entwickeln und zu optimieren sowie die Solarzelleneffizienz gegenüber der konventionellen Solarzelle zu steigern. Der Prozessablauf soll soweit untersucht werden, dass eine Übertragung in eine industrielle Fertigung leicht ermöglicht werden kann. Insbesondere die für die Herstellung von MWT-Solarzellen spezifischen Prozessschritte, wie zum Beispiel das Erzeugen einer zuverlässigen Durchkontaktierung oder die rückseitige elektrische Isolation der externen Kontakte, sollen genauer analysiert und optimiert werden. Darüber hinaus sollen die sowohl bei der Herstellung von konventionellen als auch von MWT-Solarzellen eingesetzten Prozesse, wie das Siebdrucken der Kontakte oder die Emitterdiffusion, untersucht und weiterentwickelt werden. Der kontinuierliche Vergleich mit der konventionellen Solarzelle soll das bereits erreichte und noch mögliche Potential der MWT-Solarzelle aufzeigen. Des Weiteren ist für eine schnelle industrielle Umsetzung des MWT-Konzeptes eine erfolgreiche Weiterverarbeitung der Solarzelle zum Solarmodul notwendig. Hierzu sollen Lösungsansätze entworfen werden. Der Aufbau und die Bewertung von Charakterisierungsmöglichkeiten für MWT-Solarzellen, wie zum Beispiel Kennlinienmessungen, sind ein weiteres Ziel dieser Arbeit. Ein zusätzlicher Bestandteil soll außerdem die Entwicklung weiterer Solarzellenkonzepte sein, die dem konventionellen Solarzellenkonzept nahe sind.

18 - 4-1 Einleitung 1.2 Aufbau der Arbeit Die vorliegende Arbeit gliedert sich wie folgt: In Kapitel 2 werden die physikalischen Grundlagen sowie der Herstellungsprozess der konventionellen Solarzelle und des Solarmoduls dargestellt. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Kapitels ist die Beschreibung der Verlustmechanismen in der Solarzelle und im Modul. Kapitel 3 widmet sich der Vorstellung bereits bekannter sowie im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelter Zell- und Modulkonzepte. Im Vordergrund steht dabei das MWT- Konzept, welches Hauptbestandteil dieser Arbeit ist. Es werden unterschiedliche Herstellungsprozesse für MWT-Solarzellen und -Module beschrieben und verglichen. Darüber hinaus wird ein neu entwickeltes Zellkonzept vorgestellt, welches eine beidseitig sammelnde und kontaktierbare Solarzelle beschreibt - die so genannte BSK-Solarzelle. Im Rahmen von Kapitel 4 wird zuerst die für die Kennlinienmessung von MWT-Solarzellen eigens entwickelte Messtechnik vorgestellt. Anschließend werden die erhaltenen Ergebnisse diskutiert und mit Ergebnissen von konventionellen Solarzellen sowie mit einem analytischen Modell der MWT-Solarzelle verglichen. Dabei werden Vor- und Nachteile des MWT-Konzeptes aufgezeigt und quantifiziert. Des Weiteren werden Ergebnisse von MWT-Solarzellen der Fläche mm² präsentiert. Kapitel 5 stellt Ergebnisse von aus MWT-Solarzellen hergestellten Modulen vor. Der Fokus dieses Abschnittes liegt dabei auf einer Gegenüberstellung verschiedener Verschaltungskonzepte für MWT-Solarzellen sowie einem Vergleich zur konventionellen Modultechnologie. Darüber hinaus werden experimentell gemessene und berechnete Verluste zwischen Solarzelle und Modul verglichen sowie die Vor- und Nachteile des MWT- Konzeptes diskutiert. Kapitel 6 ist das zentrale Kapitel dieser Arbeit. Es befasst sich mit der Optimierung der MWT-Solarzelle und ihrer Herstellungsprozesse. Es werden alle MWT-spezifischen Prozessschritte detailliert vorgestellt, deren Verlustmechanismen aufgezeigt sowie Optimierungsmöglichkeiten vorgeschlagen und umgesetzt. Im Einzelnen gliedert sich das Kapitel in folgende zentrale Abschnitte: In Abschnitt 6.2 wird die Entwicklung und Optimierung der Vorderseite von MWT-Solarzellen beschrieben. Dabei stehen geometrische und elektrische Untersuchungen des Vorderseitenkontaktes sowie der Vergleich verschiedener

19 1.2 Aufbau der Arbeit Diffusionsprozesse zur Emitterbildung und Verfahren zum Aufbringen der Antireflexschicht im Vordergrund. Im folgenden Abschnitt 6.3 wird die für die MWT-Solarzelle essentielle Durchkontaktierung (Lochkontakt) vorgestellt und charakterisiert. Es wird die Herstellung optimaler Lochbohrungen mittels Laserverfahren sowie die Durchkontaktierung mittels einer neu entwickelten Siebdrucktechnik beschrieben. Abschnitt 6.4 stellt die Entwicklung und Optimierung der Rückseite von MWT- Solarzellen vor. Dabei steht die Untersuchung der Einflüsse der zur Lochkontaktierung verwendeten Silberpasten und des zur rückseitigen Kontaktisolation notwendigen Lasergrabens im Vordergrund. Des Weiteren werden die Auswirkungen der für die externe Kontaktierung des p-kontaktes notwendigen Lötkontaktflächen sowie die Verluste aufgrund der Querleitung von Majoritätsladungsträgern im Basismaterial näher betrachtet und quantifiziert. Abschließend erfolgt in Kapitel 7 eine Zusammenfassung der Ergebnisse sowie ein kurzer Ausblick.

20

21 2 Die kristalline Silicium-Solarzelle 2.1 Aufbau und Funktionsweise der Solarzelle Licht Vorderseitenkontakt Antireflexschicht Verbraucher Emitter Raumladungszone Basis BSF Rückseitenkontakt Abbildung 2-1: Aufbau und Funktionsweise einer konventionellen Solarzelle (Abb. nach [7]). In Abbildung 2-1 ist der Aufbau und die Funktionsweise einer konventionellen 2 Solarzelle des Typs n + p dargestellt. Dieser Solarzellentyp ist die Grundlage für mehr als 80% aller bisher hergestellten Solarzellen ebenso wie auch für die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten konventionellen und MWT-Solarzellen aus multikristallinem Silicium (mc-si). Die Unterschiede der MWT-Solarzelle zu der hier vorgestellten konventionellen Solarzelle werden detailliert in Abschnitt 3.4 beschrieben. Im Folgenden wird daher auf den prinzipiellen Aufbau und die Funktionsweise der konventionellen Solarzelle eingegangen. Die Solarzelle ist im Wesentlichen eine Halbleiterdiode mit einem relativ dünnen Emitter, welcher als n-dotierter bzw. leitender Bereich bezeichnet wird, eine Dicke von 0,3 bis 2 µm aufweist und meistens mit Phosphor dotiert ist. Demgegenüber besitzt eine Solarzelle eine relativ dicke Basis, welche als p-dotierter bzw. -leitender Bereich bezeichnet wird, eine Dicke von 50 bis 250 µm aufweist und meist mit Bor dotiert ist. Der Emitter befindet sich auf der dem Licht zugewandten Seite, der Vorderseite der Solarzelle. Trifft Licht auf die Solarzelle, so erfolgt eine Generation von Elektronen-Loch-Paaren im Halbleitermaterial (hier: Silicium Si). Durch Diffusion gelangen die Minoritätsladungsträger in der p-dotierten Basis sind dies die Elektronen und im n- dotierten Emitter die Löcher zur Raumladungszone (RLZ) des pn-übergangs. Die RLZ 2 Als konventionell werden im Folgenden Solarzellen mit dem hier vorgestelltem Aufbau bezeichnet

22 - 8-2 Die kristalline Silicium-Solarzelle bewirkt die Trennung und den Transport der Ladungsträger über den pn-übergang hinweg. Die Minoritäts- werden folglich zu Majoritätsladungsträgern. Im n-dotierten Emitter sind dies die Elektronen und in der p-dotierten Basis die Löcher. Ihre Rekombinationswahrscheinlichkeit sinkt dadurch um mehrere Größenordnungen. Die Wahrscheinlichkeit, am externen Vorderseiten- bzw. am Rückseitenkontakt eingesammelt und zur Stromerzeugung genutzt zu werden, steigt folglich stark an. Der Vorderseitenkontakt weist dabei in der Regel eine Gitterform auf, welche zur Stromabführung bei gleichzeitiger Vermeidung von parasitären Abschattungsverlusten optimiert ist. Die Vorderseite der Solarzelle ist zusätzlich mit einer Antireflexschicht (ARC: anti-reflection coating) versehen, welche den Lichteinfang deutlich verbessert. Im Basisbereich nahe dem meist ganzflächigen Rückseitenkontakt befindet sich das so genannte back surface field (BSF), welches die Minoritätsladungsträger der Basis (Elektronen) daran hindert an der Rückseite zu rekombinieren. In der Regel wird dieser p + -dotierte Bereich durch die Eindiffusion von Aluminium während des Kontaktfeuerns erzeugt. In Abbildung 2-2 sind Fotos der Vorderseite (VS) und Rückseite (RS) der in dieser Arbeit hergestellten konventionellen mc-si Solarzellen zu sehen. Die länglichen Sammelbusse auf der VS sammeln den Strom der Kontaktfinger ein, welche in Abbildung 2-1 als Frontkontakt bezeichnet sind, und werden als Lötkontaktflächen, wie sie auch auf der RS vorhanden sind, für die externe Kontaktierung im Modul benötigt (s. Abschnitt 2.5). Im Gegensatz zum VS- Kontakt, welcher nur aus Silber (Ag) besteht, ist der RS-Kontakt großflächig aus Aluminium (Al) und im Bereich der Lötkontaktflächen primär aus Silber (Ag) aufgebaut. Weitere, detaillierte Informationen zum Aufbau und der Funktionsweise der Solarzelle können in [7], [8], [9] und [10] nachgelesen werden. Abbildung 2-2: Fotos einer konventionellen mc-si Solarzelle der Zellfläche A Z = mm². Links: Foto der Vorderseite (VS). Das VS-Kontaktgitter sowie die länglichen Sammelbusse sind deutlich zu erkennen. Die bläuliche Farbe der nicht kontaktierten Zellfläche wird durch die Antireflexschicht bewirkt. Die Kornstruktur des mc-si Materials ist ebenfalls zu sehen. Rechts: Foto der Rückseite (RS). Die Rückseitenmetallisierung besteht primär aus Aluminium (Al) und zu kleinen Anteilen aus länglichen Lötkontaktflächen, welche vorrangig Silber (Ag) enthalten.

23 2.2 Theoretische Beschreibung der Solarzelle Theoretische Beschreibung der Solarzelle Charakteristische Kennlinien einer Solarzelle Stromdichte j / ma/cm² j mpp j SC Dunkelkennlinie Hellkennlinie V mpp V OC Spannung V / mv P mpp Abbildung 2-3: Charakteristische Stromspannungs-Kennlinien einer Solarzelle. Die Hellkennlinie wird bei Beleuchtung, die Dunkelkennlinie im unbeleuchteten Zustand aufgenommen. Die eingezeichneten Kennlinienparameter (j SC, V OC, j mpp, V mpp, P mpp ) werden im Text definiert. Der Wirkungsgrad η der Solarzelle wird am Punkt maximaler Leistung P mpp ausgewertet. Anstatt des Stromes I ist hier die Stromdichte j aufgetragen. In Abbildung 2-3 sind die charakteristischen Stromspannungs-Kennlinien 3 einer Solarzelle dargestellt. Die Hellkennlinie wird bei Beleuchtung, die Dunkelkennlinie im unbeleuchteten Zustand mittels einer Kennlinienmessung aufgenommen. Anhand der Kennlinienverläufe kann die Qualität der Solarzelle bewertet werden. Die wichtigsten Kennlinienparameter, mithilfe derer der Verlauf der Hellkennlinie beschrieben werden kann, sind die gekennzeichneten Parameter Kurzschlussstrom I SC bzw. Kurzschlussstromdichte j SC, Leerlaufspannung V OC sowie Leistung P mpp, Stromdichte j mpp und Spannung V mpp am Arbeitspunkt der Solarzelle, an welchem die Leistung maximal ist. Der Füllfaktor FF und der Wirkungsgrad η lassen sich mithilfe der eben eingeführten Parameter sowie der eingestrahlten Leistung P L berechnen. Die Kennlinienparameter werden im Folgenden definiert: 3 Anstatt des Begriffes Strom-Spannungs-Kennlinien wird oft die Abkürzung (IV-) Kennlinie verwendet.

24 Die kristalline Silicium-Solarzelle a) Leerlaufspannung V OC : Die Leerlaufspannung V OC (open circuit voltage) ist die Spannung, die maximal zwischen p- und n-gebiet bei Beleuchtung anliegt, wenn kein Strom fließt. Sie ist unter anderem temperaturabhängig. Als Faustformel zur Berechnung dieser Abhängigkeit kann für Siliciumsolarzellen näherungsweise folgender Zusammenhang nach [7] angenommen werden: ΔV OC ΔT 1 = ( V T OC ΔVOC mv 1,1) 1,6 (2-1) T = 25 C, VOC = 610mV ΔT K b) Kurzschlussstrom I SC bzw. Kurzschlussstromdichte j SC : Die Kurzschlussstrom I SC (short circuit current) ist der Strom, der in der beleuchteten Solarzelle fließt, wenn sie sich im Kurzschluss befindet (V OC = 0 mv). Er stellt den maximal möglichen Strom dar, welcher im Kurzschluss dem in der idealen Solarzelle generierten Photostrom I Ph (s. Gleichung (2-5)) entspricht. Die Kurzschlussstromdichte j SC ergibt sich aus I SC geteilt durch die Zellfläche A Z. Im Folgenden werden meistens Stromdichten zur Beschreibung der Solarzelle verwendet. c) Leistung am Arbeitspunkt P mpp : Die Leistung eines Generators ergibt sich grundsätzlich aus dem Produkt von Spannung und Strom: P = V I. Da bei einer Solarzelle bei maximaler Spannung V OC kein Strom fließt und bei maximalem Strom j SC keine Spannung anliegt, liegt der Punkt maximaler Leistung P mpp (maximum power point), der so genannte Arbeitspunkt, zwischen diesen Extrema. Die an diesem Betriebspunkt anliegende Spannung wird mit V mpp und der fließende Strom mit I mpp bzw. die Stromdichte mit j mpp bezeichnet. Die maximale Leistung der Solarzelle ist folglich: P mpp = V I (2-2) mpp mpp d) Füllfaktor FF : Der Füllfaktor FF gibt an, wie gut das in Abbildung 2-3 eingezeichnete, von V mpp und I mpp bzw. j mpp aufgespannte Rechteck dasjenige Rechteck ausfüllt, welches von V OC und I SC bzw. j SC aufgespannt wird. Er ist somit ein Maß für die Rechteckigkeit der Kennlinie und wird folgendermaßen definiert: Vmpp I mpp FF = (2-3) V I OC SC

25 2.2 Theoretische Beschreibung der Solarzelle e) Wirkungsgrad η : Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ergibt sich aus dem Verhältnis der maximalen elektrischen Leistung am Arbeitspunkt P mpp der Zelle zur auf die Zelle eingestrahlten Leistung P L. Dabei entspricht die eingestrahlte Leistung P L der Leistungsdichte E STC der Einstrahlung bei Standardtestbedingungen 4 (STC) multipliziert mit der Fläche der Zelle A Z. Mit Hilfe von Gleichung (2-2) und (2-3) ergibt sich die für die Berechnung des Wirkungsgrades relevante Gleichung: P mpp OC SC OC SC η = = = (2-4) P L FF V E STC I A Z FF V E STC j Das Ein- und das Zwei-Dioden-Modell Die Kennlinienverläufe der Solarzelle sind in Abbildung 2-3 dargestellt. Sie ähneln sehr stark denen einer Diode, die Hellkennlinie ist lediglich um den Photostrom nach unten (in den 4. Quadranten) verschoben 5. Der negative Stromwert symbolisiert hier, dass aus der Solarzelle Leistung entnommen wird. Zur elektrotechnischen Beschreibung der Solarzelle kann in erster Näherung folgende Diodengleichung verwendet werden: V VT j( V ) = j e 0 1 jph mit V = q T k T (2-5) Diese Diodengleichung wird auch als Ein-Diodenmodell bezeichnet, welches das Diodenverhalten der Solarzelle im Idealfall beschreibt. V T ist die thermische Spannung (V 300K 26 mv), j 0 die Sättigungsstromdichte 6, k die Boltzmann-Konstante, q die Elementarladung und T die Temperatur. Wird jedoch das nicht ideale Verhalten der realen Solarzelle berücksichtigt, so müssen parasitäre Serien- R S und Parallelwiderstände R P sowie eine zweite parallel geschaltete Diode, welche zur Erklärung von Rekombinationseffekten in der RLZ benötigt wird, zur Beschreibung des realen Kennlinienverlaufes eingeführt werden. Das gebräuchliche Ersatzschaltbild der realen Solarzelle, das so genannte Zwei-Diodenmodell, ist in Abbildung 2-4 dargestellt. Der in der Solarzelle generierte Photostrom I Ph kann durch parasitäre Stromflüsse über die erste Diode D 1 (Sättigungsstrom der ersten Diode I 01 bzw. dichte j 01 ) 4 Die Standardtesbedingungen STC (englisch: standard testing conditions) definieren die Bedingingen zur Kennlinienmessung von Siliciumsolarzellen und -modulen: T Z = 25 C, E STC = 1000 W/m², Spektrum AM1.5g (IEC Ed-1_1989), senkrechter Lichteinfall 5 Zur Darstellung der Hellkennlinie werden oft postive Stromwerte verwendet, die Kennlinie verläuft dann im 1. Quadranten. 6 Statt des Begriffes Sättigungsstrom (-dichte) wird in dieser Arbeit auch der Begriff Rekombinationsstrom (-dichte) verwendet.

26 Die kristalline Silicium-Solarzelle und die zweite Diode D 2 (Sättigungsstrom der zweiten Diode I 02 bzw. dichte j 02 ) sowie über den Parallelwiderstand R P (Leckstrom I P ) verringert werden. Zusätzlich fällt eine Spannung am Serienwiderstand R S ab. Die für diese parasitären Effekte verantwortlichen Verlustmechanismen werden in Abschnitt 2.3 detailliert beschrieben. Abbildung 2-4: Ersatzschaltbild einer realen Solarzelle nach dem Zwei-Dioden-Modell. Die verwendeten Größen werden im Text definiert. Das Zwei-Dioden-Modell wird durch folgende Gleichung dargestellt: j V jrs V jrs n V n V V jrs V j 1 T T e j 2 ( ) = + e jph (2-6) RP Mithilfe dieses Modells können die Kennlinienverläufe der Solarzelle sehr genau beschrieben werden. n 1 und n 2 sind hier die Idealitätsfaktoren der ersten und zweiten Diode. Für die erste Diode D 1 gilt n 1 = 1, sie stellt somit eine ideale Diode dar und dient folglich zur Beschreibung von Rekombinationen im quasineutralen Bereich der Solarzelle, einem Bereich mit einem deutlichen Übergewicht an Majoritäten, wie z. B. der Emitter oder die Basis. Für die zweite Diode D 2 gilt stattdessen n 2 = 2. Sie beschreibt die Rekombinationsmechanismen in der RLZ Maximal erreichbarer Wirkungsgrad Der maximal experimentell erreichbare Wirkungsgrad einer Silicium-Solarzelle liegt laut Swanson [11] bei etwa 29%. Die vier primären physikalischen Gründe für die Limitierung des Wirkungsgrades sind im Folgenden aufgelistet. Photonen mit Energien E ph kleiner als die Bandlücken-Energie E g (Silicium: E g = 1,12 ev) können nicht zur Generation von Elektronen-Loch-Paaren genutzt werden. Die überschüssige Photonenenergie für Photonen mit Energien E ph größer E g, welche bei der Erzeugung der Elektronen-Loch-Paare übrig bleibt, geht als Wärme verloren.

27 2.2 Theoretische Beschreibung der Solarzelle Die maximal erreichbare Leerlaufspannung V OC ist deutlich kleiner als 1,12 V, da nicht die Aufspaltung der Bandlücke, sondern die Aufspaltung der Quasi-Ferminiveaus die V OC -Werte begrenzt. Die Quasi-Ferminiveauaufspaltung wird durch die Dotierung der p- und n-leitenden Schichten vorgegeben. Je höher die Dotierungen sind, desto größere V OC -Werte können prinzipiell erreicht werden. Maximal erreichbare Spannungen liegen für hocheffiziente Si-Solarzellen bei knapp über 700 mv. Die maximale Leistung ist nicht gleich dem Produkt aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom (der FF folglich nicht gleich 100%), da der Strom exponentiell von der Spannung abhängt (s. Gleichung (2-5)) und der Kennlinienverlauf folglich nicht rechteckig sein kann. Nicht vermeidbare Sättigungs- bzw. Rekombinationsstromdichten j 0 senken den Füllfaktor selbst im Idealfall (Ein-Dioden-Modell) auf unter 90%. Weitere Einbußen aufgrund optischer und elektrischer Verluste, welche in Abschnitt 2.3 beschrieben werden, reduzieren darüber hinaus den Wirkungsgrad. Der bisher höchste veröffentlichte Wirkungsgrad einer hocheffizienten Silicium-Solarzelle liegt bei 24,7% [12]. Industriell hergestellte konventionelle Solarzellen erreichen in der Regel einen mittleren Wirkungsgrad zwischen 15% und 16% bei Verwendung von mc-si und 16% bis 17% für monokristallines Czochralski (Cz-) Si. Auf Basis innovativer Technologien, wie z. B. bei der Herstellung von Rückseitenkontaktsolarzellen, werden im industriellen Umfeld bereits Wirkungsgrade für großflächige Rückseitenkontaktsolarzellen von 18,3% auf mc-si [13] und 23,4% auf monokristallinem floatzone (Fz-) Si [14] erreicht. Für beidseitig kontaktierte großflächige Solarzellen aus Cz-Si, welche auf der Heterojunction-Technologie basieren, liegt der maximale Wirkungsgrad bei 22,3% [15].

28 Die kristalline Silicium-Solarzelle 2.3 Verlustmechanismen Optische Verluste Die Kurzschlussstromdichte j SC ist direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichtes. Dies hat zur Folge, dass optische Verluste j SC direkt reduzieren. Dies kann primär durch drei in Abbildung 2-5 gekennzeichnete Verlustmechanismen [7] erklärt werden: (1) Abschattungsverluste: Ein Teil des Lichtes wird direkt an den metallischen Vorderseitenkontakten reflektiert bzw. absorbiert und kann daher nicht bzw. nur sehr begrenzt zur Stromerzeugung genutzt werden, da nur ein geringer Teil des Lichtes vom Kontakt auf die Siliciumoberfläche reflektiert wird. Bei einer konventionellen Solarzelle sind zwischen 7% und 8% der Vorderseite metallisiert, der j SC -Wert ist somit in erster Näherung um 7% bis 8% relativ reduziert. (2) Reflexionsverluste: Der nicht kontaktierte Bereich der Solarzellenvorderseite reflektiert einen Teil des Lichtes trotz vorderseitiger Oberflächentextur und Antireflexschicht. Für mc-si Solarzellen gehen in etwa 6% des Lichtes verloren, für Cz-Si nur 2%. Die Werte sind jeweils über den zur Stromerzeugung relevanten Anteil des Spektrums gewichtet. (3) Absorptions- und Transmissionsverluste: In die Siliciumscheibe eingedrungenes Licht wird wellenlängenabhängig unterschiedlich stark absorbiert. Für kurzwelliges Licht (E ph >> E g ) ist der Absorptionskoeffizient am größten, dieses Licht wird somit oberflächennah absorbiert. Überschüssige Energie geht jedoch in Form von Gitterschwingungen (Phononen) verloren. Für langwelligeres Licht (E ph E g ) ist der Absorptionskoeffizient deutlich geringer, es kann daher bis zur Rückseite der Solarzelle gelangen und dort entweder durch Absorption bzw. Transmission des RS-Kontaktes verloren gehen oder von diesem reflektiert werden. Eine gute interne RS-Reflexion ist somit von Vorteil. Langwelliges Licht, welches Energien unterhalb der Bandlücken-Energie Eg besitzt (E ph < E g ), wird großteils 7 nicht absorbiert und verlässt die Solarzelle wieder. 7 Aufgrund möglicher Mehrteilchenwechselwirkungen, z. B. mit freien Ladungsträgern, kann ein sehr geringer Teil des langwelligen Lichtes absorbiert werden.

29 2.3 Verlustmechanismen Abbildung 2-5: Darstellung der primären optischen Verlustmechanismen einer konventionellen Si-Solarzelle (Abb. nach [16]) Rekombinationsverluste Die von den Photonen an Ladungsträger übergebene Energie entspricht dennoch nicht der Energie, die dem Verbraucher zur Verfügung steht. Ein weiterer wichtiger, unvermeidbarer Verlustmechanismus sind Rekombinationsverluste, bei welchen die erzeugten Elektronen- Loch-Paare wieder rekombinieren und ihre Energie somit abgeben. Eine detaillierte Beschreibung der Rekombinationsprozesse ist in [17] und [18] zu finden. Im Folgenden werden die wichtigsten Rekombinationsmechanismen kurz zusammengefasst: (1) Strahlende Rekombination: Die strahlende Rekombination ist der Umkehrprozess der optischen Generation. Ein Elektron und Loch rekombinieren unter Emission eines Photons. Die Rekombinationsrate ist daher proportional zum Produkt der Ladungsträgerdichten der Elektronen und Löcher. Allerdings muss bei einem indirekten Halbleiter, wie Silicium, aus Gründen der Impulserhaltung ein Phonon am Rekombinationsprozess teilnehmen. Insgesamt ergibt sich eine sehr geringe Rekombinationswahrscheinlichkeit für diesen Prozess. Die Lebensdauer τ rad dieses Prozesses ist daher sehr groß. (2) Auger-Rekombination: Die Auger-Rekombination ist, genauso wie die strahlende Rekombination, ein Band- Band-Rekombinationsprozess. Ein Elektron fällt aus dem Leitungsband zurück ins Valenzband. Dabei wird die freiwerdende Energie jedoch nicht an ein Photon, sondern

30 Die kristalline Silicium-Solarzelle an ein Elektron bzw. Loch abgegeben, welches hierdurch auf ein höheres Energieniveau gehoben wird und die gewonnene Energie in Form von Stößen mit dem Gitter an Phononen abgibt. Die Rekombinationswahrscheinlichkeit dieses Prozesses ist folglich von der Elektronen- bzw. Lochdichte im Leitungsband bzw. Valenzband abhängig. Der Prozess ist daher vor allem im Fall hoher Dotierungen ab etwa cm -3 und hoher Injektionsdichten vorherrschend. Im Emitter bzw. bei hochdotiertem Basismaterial spielt er eine entscheidende Rolle. Die Lebensdauer τ aug der Auger-Rekombination kann die Solarzelle folglich stark beeinflussen. Im Zwei- Dioden-Modell werden diese Verluste durch erhöhte j 01 -Werte beschrieben. (3) Störstellenrekombination: Versetzungen, Verunreinigung und weitere Störstellen bilden erlaubte Zustände im eigentlich verbotenen Energiebereich der Bandlücke des Halbleiters. Von diesen Störstellen können sowohl Löcher als auch Elektronen eingefangen und emittiert werden. Shockley, Read und Hall stellten eine zur Beschreibung dieser Rekombinationsverluste grundlegende Theorie auf [19,20], welche dem Prozess eine Lebensdauer τ SRH zuordnet. Dieser Rekombinationsprozess ist der vorherrschende Rekombinationsprozess bei niedrigen Dotierungen unter etwa cm -3. Er ist daher primär in der Raumladungszone (RLZ) und bei niedrig dotiertem Basismaterial bestimmend. Die Verluste in der RLZ werden im Zwei-Dioden-Modell durch erhöhte j 02 -Werte beschrieben, Verluste in der Basis und Emitter durch erhöhte j 01 -Werte. (4) Oberflächenrekombination: An der Siliciumoberfläche führt der abrupte Abbruch der Kristallstruktur zu besonders vielen Störstellen. Die Energieniveaus dieser Störstellen liegen wiederum meist in der Bandlücke. Zur Beschreibung dieses Rekombinationsprozesses, welcher maßgeblich von der Güte der Passivierung der Oberfläche abhängt, wird die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit (ORG) S eingeführt, welche in direktem Zusammenhang zur Oberflächenlebensdauer τ sur steht [21]. Im Zwei-Dioden-Modell werden diese Verluste ebenfalls durch j 01 beschrieben. Die effektive Ladungsträgerlebensdauer τ eff für Siliciumsolarzellen setzt sich somit aus den einzelnen (Ladungsträger-) Lebensdauern zusammen: 1 τ eff 1 = τ 1 + τ rad aug SRH τ vol 1 + τ 1 + τ sur 1 = τ vol 1 + τ sur (2-7) τ vol ist hier die Volumenladungsträgerlebensdauer, welche auch als Minoritätsladungsträgerlebensdauer bezeichnet wird.

31 2.3 Verlustmechanismen Die effektive Diffusionslänge L eff in Silicium ist über die Diffusionskonstante D in Silicium mit ihr verknüpft: L eff = Dτ eff (2-8) Im Zwei-Dioden-Modell werden Rekombinationsverluste mittels der Sättigungsströmdichten j 01 und j 02 der ersten und zweiten Diode berücksichtigt. Sie verursachen somit parasitäre Leckströme, welche oft als Rekombinationsströme bezeichnet werden und Solarzellenkennlinien negativ beeinflussen. In Abbildung 2-6 ist daher der Einfluss von j 02 auf den Füllfaktor FF sowie von j 01 und j 02 auf die Leerlaufspannung V OC dargestellt. Es fällt auf, dass j 01 einen starken Einfluss auf V OC und j 02 vor allem auf FF hat. Der Einfluss von j 01 auf FF ist sehr gering und wurde daher nicht dargestellt. Bei der Berechnung der dargestellten Verläufe mittels Gleichung (2-6) wurden folgende Werte, welche in etwa den Werten bei standardmäßig hergestellten, konventionellen mc-si Solarzellen entsprechen, angenommen: j Ph = 32,0 ma/cm² und j Ph = 34,0 ma/cm² R S = 0,5 Ωcm² R P = 5 kωcm² n 1 = 1 und n 2 = 2 j 01 = 1 pa/cm² bzw. j 02 = 20 na/cm² Aus den zumindest teilweise linearen Verläufen der j 01 - und j 02 -Werte können die folgenden Faustformeln für FF-Verluste ΔFF j02 aufgrund von j 02 -Strömen und V OC -Verluste ΔV OC,j01 bzw. ΔV OC,j02 aufgrund von j 01 - bzw. j 02 -Strömen aus den Steigungen der in Abbildung 2-6 dargestellten Kurven abgeschätzt werden: ΔFF j Δj ,6 10 % na/ cm² für 10 na/cm² < j 02 < 60 na/cm² (2-9) ΔV OC, j 02 Δj 02 1,4 10 mv na/ cm² für 10 na/cm² < j 02 < 100 na/cm² (2-10) ΔV OC, j 01 mv 2,2 für 0,8 pa/cm² < j 01 < 1,4 pa/cm² (2-11) Δj01 0,1 pa/ cm² Alle Faustformeln sind für j Ph = 32,0 ma/cm² und j Ph = 34,0 ma/cm² gültig, da die Steigung der Kurven unabhängig von j Ph ist.

32 Die kristalline Silicium-Solarzelle FF / % j Ph = 32 ma/cm² Fit für j Ph = 32 ma/cm² j 02 / na/cm² V OC / mv V OC / mv j Ph = 32 ma/cm² Fit für j Ph = 32 ma/cm² j Ph = 34 ma/cm² Fit für j Ph = 34 ma/cm² j 02 / na/cm² j Ph = 32 ma/cm² Fit für j Ph = 32 ma/cm² j Ph = 34 ma/cm² Fit für j Ph = 34 ma/cm² j 01 / pa/cm² Abbildung 2-6: Nach dem Zwei-Dioden-Modell (Gleichung (2-6)) berechnete Verläufe von FFuns V OC -Werten aufgetragen gegen j 01 bzw. j 02. Oben links: FF-Verlauf gegen j 02 mit linearem Fit im Bereich 10 na/cm² < j 02 < 60 na/cm². Es sind nur j 02 -Werte für j Ph = 32 ma/cm² aufgetragen, da diese fast deckungsgleich zu den Werten für j Ph = 34 ma/cm² sind. Oben rechts: V OC -Verlauf gegen j 02 mit linearem Fit im Bereich 10 na/cm² < j 02 < 100 na/cm². Es sind j 02 -Werte für j Ph = 32 ma/cm² und j Ph = 34 ma/cm² aufgetragen. Unten: V OC -Verlauf gegen j 01. Es sind j 01 -Werte für j Ph = 32 ma/cm² und j Ph = 34 ma/cm² aufgetragen Elektrische Verluste Neben Rekombinations- und optischen Verlusten beeinflussen elektrische Verluste die Solarzellenkennlinien stark. Serielle Widerstandsverluste werden verursacht durch: Emitter- R E, Basis- R B und Kontaktwiderstände R C zwischen Silicium und den metallischen Kontaktmaterialien sowie Leitungswiderstände R L der Kontaktmaterialien. Alle seriellen Widerstände können aufaddiert werden und ergeben den Serienwiderstand R S der Solarzelle. Eine detaillierte Studie der einzelnen seriellen Widertandsverluste sowie verschiedener experimenteller Möglichkeiten, sie zu bestimmen, ist in [22] und [23] zu finden. Andererseits verursachen Leckströme, welche primär im Randbereich der Solarzelle auftreten, eine (lokale) Überbrückung des pn-übergangs und somit Kurzschlüsse. Niedrige Parallelwiderstände sind die Folge.

33 2.3 Verlustmechanismen Sowohl erhöhte R S - als auch reduzierte R P -Werte können einen starken Einfluss auf den Füllfaktor FF der Solarzelle haben. In Abbildung 2-7 sind die FF-Verläufe in Abhängigkeit von R S (links) und R P (rechts), berechnet nach dem Zwei-Dioden-Modell (s. Gleichung (2-6)), dargestellt. Als Grundlage der Berechnung dienten wiederum die in Abschnitt aufgelisteten Werte von j 01, j 02, j Ph, n 1, n 2 und R S bzw. R P. Im Fall serieller Widerstandsverluste ist ein linearer Zusammenhang zwischen FF- und R S - Werten zu erkennen. Die Kurvenverläufe und die Steigungen der Kurven hängen jedoch vom Photostrom j Ph ab (s. Abbildung 2-7 links). Die in folgender Gleichung angegebene Faustformel für FF-Verluste ΔFF S aufgrund des Serienwidertandes R S ist daher ein gemittelter Wert für j Ph = 32,0 ma/cm² und j Ph = 34,0 ma/cm²: ΔFF ΔR S S % 4,6 1 Ωcm² für 0,4 Ωcm² < R S < 2,0 Ωcm² (2-12) FF / % 80 j Ph = 32 ma/cm² 79 Fit für j Ph = 32 ma/cm² 78 j Ph = 34 ma/cm² 77 Fit für j Ph = 34 ma/cm² R S / Ωcm² FF / % j Ph = 32 ma/cm² R P / kωcm² Abbildung 2-7: Nach dem Zwei-Dioden-Modell (Gleichung (2-6)) berechnete FF-Verläufe aufgetragen gegen R S bzw. R P. Links: FF-Verlauf gegen R S mit linearem Fit im Bereich 0,4 Ωcm² < R S < 2,0 Ωcm². Es sind R S - Werte für j Ph = 32 ma/cm² und j Ph = 34 ma/cm² aufgetragen. Rechts: FF-Verlauf gegen R P mit gekennzeichneten symbolischen Wertepaaren. Es sind nur R P - Werte für j Ph = 32 ma/cm² aufgetragen, da diese fast deckungsgleich zu den Werten für j Ph = 34 ma/cm² sind.

34 Die kristalline Silicium-Solarzelle Die FF-Werte in Abhängigkeit von R P zeigen andererseits einen eindeutig nicht linearen Zusammenhang (s. Abbildung 2-7 rechts) und nahezu keine Abhängigkeit von j Ph -Werten. Daher können die in den folgenden Gleichungen angegebenen Abschätzungen der FF- Verluste ΔFF SH aufgrund des Parallelwiderstandes R P getroffen werden: % 1,0 1 kωcm² ΔFF ΔR SH P % 12 1 kωcm² für 1,0 kωcm² > R P > 0,2 kωcm² (2-13) % 0,4 1 kωcm² ΔFF ΔR SH P % 1,0 1 kωcm² für 2 kωcm² > R P > 1 kωcm² (2-14) % 0,06 1 kωcm² ΔFF ΔR SH P % 0,4 1 kωcm² für 5 kωcm² > R P > 2 kωcm² (2-15) ΔFF ΔR SH P % < 0,06 für R P > 5 kωcm² (2-16) 1 kωcm² Es ist deutlich zu erkennen, dass der Einfluss auf den FF geringer wird je höher der Parallelwiderstand R P ist. Für R P -Werte größer 5 kωcm² ist der Einfluss vernachlässigbar. Der FF-Verlust ΔFF S kann jedoch auch direkt aus den Hellkennlinienparametern j SC, j mpp und V OC berechnet werden, insofern diese unabhängig von R S sind. Dies ist für moderate R S - Werte, wie sie im Rahmen der Arbeit meist betrachtet werden (R S < 1 Ωcm²), in erster Näherung der Fall, da Serienwiderstandsänderungen primär einen Spannungsverlust im Bereich des Arbeitspunktes erzeugen. Nach [22] kann daher folgender Zusammenhang aufgestellt werden: ΔFF ΔR S S j = V OC 2 mpp j SC für R S < 1Ωcm² (2-17) Die FF-Verluste ΔFF S können folglich einfach und schnell aus Messdaten der Hellkennlinie berechnet werden.

35 2.4 Herstellungsprozess konventioneller Industriesolarzellen Herstellungsprozess konventioneller Industriesolarzellen Zur Herstellung einer konventionellen Solarzelle, deren grundlegender Aufbau in Abbildung 2-1 und Abbildung 2-2 zu sehen ist, werden insgesamt neun Prozessschritte durchgeführt, welche im Folgenden aufgelistet und kurz erklärt sind: 1. Textur: Bei diesem Prozessschritt werden sowohl der Sägeschaden entfernt als auch die Oberfläche der Solarzelle texturiert. Die Textur wird in Hinblick auf einen möglichst optimalen Lichteinfang optimiert. Der Prozess wurde im Rahmen dieser Arbeit nasschemisch durchgeführt. Dabei werden für monokristallines Si alkalische Bäder verwendet, welche eine invertierte Pyramidenstruktur auf der Oberfläche erzeugen. Für mc-si werden saure Bäder verwendet, welche eine wabenförmige Oberflächenstrukturierung bewirken. Für mc-si gibt es jedoch auch sehr viel versprechende Ansätze, einen deutlich besseren Lichteinfang durch Plasma gestützte Verfahren [24,25] oder mittels Maskierung der Oberfläche [26,27] zu erlangen. 2. Diffusion: Aufgrund der Verwendung von p-dotiertem Si wird eine Phosphordiffusion durchgeführt, um den Emitter (n-dotiert) und folglich den pn-übergang zu erzeugen. Dieser Prozessschritt wurde in dieser Arbeit ausschließlich in einem Rohrofen bei C durchgeführt. Während dieses Hochtemperaturprozesses entsteht auf der Oberfläche ein Phosphorsilikatglas (PSG). 3. Phosphorsilikatglasentfernung (PSG-Ätze): Das bei der Diffusion entstandene PSG wird nasschemisch mit Flusssäure entfernt. 4. Antireflex-Beschichtung: Um den Lichteinfang der Solarzelle weiter zu verbessern, wird eine Antireflexschicht (ARC) auf die Vorderseite aufgebracht, welche meist aus Siliciumnitrid (SiN x :H, im Folgenden SiN) besteht. Sie wird entweder mittels PECVD- (plasma enhanced chemical vapor deposition) oder Sputter-Verfahren (deutsch: Kathodenzerstäubung) [28,29] aufgebracht. Ihre Dicke ist dahin gehend optimiert, dass das durch destruktive Interferenz erreichte Reflexionsminimum bei etwa λ = 600 nm liegt. Der Brechungsindex wird so eingestellt, dass er in etwa dem geometrischen Mittel der die ARC umgebenden Medien entspricht, wie z. B. der Einbettfolie des Moduls und Silicium, um Reflexionen zu minimieren [7].