LIMA - Lichtmanagement für Silizium-Dünnschichtsolarmodule

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1 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft LIMA - Lichtmanagement für Silizium-Dünnschichtsolarmodule Jürgen Hüpkes und Projektpartner Otti-Seminar Nov Ergebnisse aus dem LIMA-Projekt, BMU Förderkennzeichen A-H

2 LIMA 1 µm TCO Silizium Ag Kontakte Silizium Glas TCO p in p i n TCO Ag 30 x 30 cm² 10 % Jülich Ziele der Forschung: Grundlagen der Materialien Effizienzsteigerung Kostenreduktion Ziel: > 1 m² > 10 % Slide 2

3 Anforderungen an das TCO Hohe Transparenz Hohe Leitfähigkeit Silizium Glas TCO p i n p i n TCO Ag Raue Oberfläche für Lichtstreuung => 50% mehr Wirkungsgrad Guter Kontakt zu Silizium Stabilität gegen H2-Plasma Thermische Stabilität Umwelteinwirkung Kostengünstige Herstellung Siehe auch: Sittinger etal., Gegenwart etal., Otti-Seminar: TCOs 2010 Slide 3

4 Inhalt Ätzen Stabilität Nukleationsschichten ZnO für Silizium-Dünschichtsolarmodule Slide 4

5 Ätzen von ZnO Gemischte Säuren: HF w/w% : HCl w/w% Doppel-Ätzschritt 0:0.5 1 µm 1:1 1 µm HCl 50 sec 1 µm HF 5 sec 1: µm 1: µm HCl 50 sec 1 µm HF 20 sec 1: µm 1:0 1 µm HCl 50 sec 1 µm HF 40 sec Oberflächenstrukturen kontrollierbar durch den Ätzprozess Neue Doppelstrukturen erzeugbar durch Ätzen Owen etal. PSSa 2010, Owen etal. EUPVSEC 2010 Slide 5

6 Ätzmodell für polykristallines ZnO Krater entstehen an Korngrenzen Korngrenzen haben unterschiedliche Breite Ätzangriff erfolgt abhängig von Ätzmedium (Molekülgröße) Phd Thesis, Jorj Owen, RWTH Aachen 2010 Slide 6

7 Poly-Silizium-Solarzellen auf ZnO Kontakte ZnO:Al Glas Ist das ZnO thermisch stabil? N (cm -3 ) µ (cm 2 /Vs) 6x x x x x x Referenz Referenz Annealing-Temperatur ( C) Berginski etal., TSF 2008 Slide 7

8 Poly-Silizium-Solarzellen auf ZnO Kontakte a-si ZnO:Al Glas Ja! Mit Silizium-Schutzschicht ZnO übersteht sogar 900 C RTA Ist das ZnO thermisch stabil? Beweglichkeit [cm²/vs] Spez. Widerstand [mohmcm] Das ZnO wird sogar besser! Plateauzeit beim Tempern [h] Annealing-Temperatur [ C] Ruske etal., JAP 2010 Slide 8

9 Annealing zur Steuerung von T und R sq a-si ZnO:Al Glas Annealing Mit und ohne Schutzschicht ZnO:Al Glas Beweglichkeit [cm 2 /V s] annealed as-deposited Transmission [%] Nach Annealing vor Annealing nach vor Annealing ZnO-Dicke [nm] Wellenlänge [nm] Beweglichkeit steigt Ladungsträgerdichte steigt Widerstand sinkt => NIR leicht verbessert Beweglichkeit konstant Ladungsträgerdichte sinkt Widerstand steigt => NIR erheblich verbessert Ruske etal., JAP 2010; Berginski etal., TSF 2008 Slide 9

10 HIKE Analyse vergrabener Grenzflächen (i) Hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) oder High Kinetic Energy Photoemission (HIKE) Chemische Analyse (Core Level Emission) Variierbare X-ray Energie: 2 8 kev => Freie Weglänge: 2 10 nm => Informationstiefe: ~ 5 30 nm KMC-1 BESSY II bietet Möglichkeit zum Insitu-Annealing poly-si a-si (12 nm) ZnO:Al C poly-si ZnO:Al Si-O Zn X Si-O X Zn Si-O X Zn substrate substrate ZnO:Al Mark Wimmer, HZB Slide 10

11 Elektrisch designtes TCO Degradation durch Annealing => Sinkende Beweglichkeit und Ladungsträgerdichte thermal degradation afterwards annealed under cap Annealing unter Cap => Steigende Beweglichkeit und Ladungsträgerdichte => Beweglichkeit sinkt bei steigender Ladungsträgerdichte Mobilität [cm 2 /Vs] annealing under cap x x x x x x x x thermal degradation Carrier concentration [cm -3 ] 12 initial film Wimmer etal., ICCG Slide 11

12 Damp-Heat-stabiles ZnO 7 resistivity R ρ [10-4 Ω cm] as-deposited, etched as-deposited, unetched capped and annealed, etched capped and annealed, unetched time [hr.] mobility μ e [cm 2 /(V*s)] capped and annealed, unetched capped and annealed, etched as-deposited, unetched as-deposited, etched time [hr.] ZnO auf Glas, ca. 800 nm vor und 650 nm nach Ätzen ZnO ist auch Damp Heat stabil nach Annealing unter Schutzschicht µ > 70 cm²/vs und ρ < 2 x 10-4 Ohm cm nach 1000 h Damp Heat Hüpkes etal., to be published Slide 12

13 Stabilität - Delamination Module mit verschiedenem TCO und Moduldesign im Test 85% r.h. / 85 C (IEC 61646) and -1000V (Usys) modul power / initial modul power 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 TCO A TCO B TCO C TCO C TCO A time of damp-heat and -1000V (h) Spezielles Moduldesign und Barriereschichten schützen vor Delamination Schott Solar (Saint Gobain Sekurit, Sunfilm, Malibu Solar), siehe auch Ring, Otti-Seminar: TCOs 2010 Slide 13

14 Wachstum von ZnO Ionen-unterstütztes Sputtern => starke Textur und kolumnares Wachstum Köhl etal., JPhysD: Appl Phys 2010 Slide 14

15 Studie zu Nukleationsschichten DC-ZnO:Al IBAD-ZnO Glas XRD Θ/2Θ Messsungen Gepufferte Proben mit IBAD- Nukleationsschicht: Keine Anzeichen für O Ionenbeschuss in Struktureller Qualität Allgemein bessere strukturelle Ordnung Ungepufferte Proben: Bei hohen O 2 -Flüssen gestörte Struktur durch O - -Ionenbeschuss Köhl etal., JPhysD: Appl Phys 2010 Slide 15

16 RF-gesputterte Nukleationsschichten RF-gesputtertes ZnO zeigt regelmäßige Kraterstruktur RF-gesputterte ZnO-Saatschichten verbessern auch DC-Bulk-ZnO Sittinger etal., ICCG 2010, dieses Otti-Seminar Slide 16

17 TCO-Qualität als Frontkontakt Übersicht über elektro-optische Eigenschaften und Verluste im Modul Effekte der verschiedenen Anealingschritte zum TCO-Design Lechner, Schott Solar Slide 17

18 Lighttrapping Winkelverteilung der Streuung ist wichtig für Solarzellen Korrelation zwischen Großwinkelstreuung und Kurzschlussstromdichte Dewald etal. ICCG, 2010, Jost etal. EUPVSEC 2010 Slide 18

19 Geätztes ZnO als Frontkontakt 145 W nach 1000 h Lichtalterung auf 1,43 m² Glas (Gen5) Eigenes ZnO aus 5,7 m² Prototyp-Produktionsanlage (Gen 8.5, Aton 5.7 TCO) Produktionsnahe Prozesse für hohen Durchsatz Wieder, EUPVSEC 2010 Slide 19

20 Zusammenfassung Ätzen von ZnO Modell zur Kraterentstehung an Korngrenzen Steuerbare Oberflächenstruktur Stabilität Annealing-Effekt zur gezielten Steuerung Optik und Elektrik Damp-Heat-stabiles ZnO mit µ = 70 cm²/vs nach 1000 h Verschiedene Seedlayer-Ansätze Verbesserte Schichtstruktur Verbessertes Ätzverhalten TCO-Qualität und Solarmodule Verlustbetrachtung Lighttrapping korreliert mit optischer Streuung Moduldesign und Barriereschichten schützen vor Delamination > 10 % stabiler Wirkungsgrad auf 1,4 m² Slide 20

21 Danke an alle Projektpartner und das BMU Förderung durch das BMU unter Förderkennzeichen A-H LIMA Lichtmanagement für Industriell gefertigte Silizium-Dünnschichtsolarmodule Slide 21