FVS-Jahrestagung 2007 Prozessentwicklung für industrielle Pilotierung von Dünnschichttechnologien

Transkript

1 Prozessentwicklung für industrielle Pilotierung von Dünnschichttechnologien Aad Gordijn FZ Jülich Reiner Klenk HMI Marc Köntges ISFH Stephan Wieder Applied Materials GmbH & Co. KG Bernd Stannowski Q-Cells AG

2 Outline Beispiele von Kooperationen zwischen Forschung und Industrie Chalkopyrit-Dünnschicht-Photovoltaik Dünnschicht Silizium Photovoltaik

3 Kooperation Forschung und Industrie Grundlagenkenntnisse Analyse Referenzen Neue Technologien Personal Lizenzen Spezifikationen Anforderungen Probleme Großflächige Proben Know-How Geld Kooperationen mit Sulfurcell, AVANCIS, CIS Solartechnik, Kooperationen mit Schott Solar, Applied Materials, Q-cells,

4 Aktuelle Themen der Kooperationen Höhere Wirkungsgrade Rekordwirkungsgrade im Labor für Zellen und Modulteststrukturen zur Auslotung des Potentials Möglichst hohe durchschnittliche Wirkungsgrade mit enger Verteilung in der Produktion Analyse von Reaktionskinetik, Phasenbildung Maximierung des Durchsatzes Robuste Prozesse (In-Situ) Prozesskontrolle und Qualitätsmanagement Cd-freie Module Langzeitstabilität Prozessentwicklung Referenzschichten Vakuumfreie Prozesse Trockene Prozesse Flexible Zellen und Module

5 Chalkopyrit-Dünnschicht-Photovoltaik Chalkopyrite verbinden die Vorteile der Dünnschichttechnologie mit dem Wirkungsgradpotential der traditionellen Silizium-Wafertechnologie

6 Baseline für CuInS 2 -basierte Module Entwicklung einer Basistechnologie am HMI Spezialisierung auf Sulfid statt Selenid Minimierung der Risiken für spätere Skalierung Sequentieller Absorberprozess Weitgehende Nutzung etablierter Standardverfahren (Magnetron-Sputtern) Schneller (RTP) und robuster (selbstjustierende Stöchiometrie) Absorber-Prozeß Einfache Zellstruktur

7 Aufskalierung der CuInS 2 -Technologie Entwicklung von monolithisch integrierten Modulteststrukturen (5x5 cm 2 ) am HMI Ausgründung der SULFURCELL GmbH (2001) Direkte Skalierung zum kommerziellen Produkt Pilotproduktion 2006/2007

8 Technologie Transfer Leistung per Modul (Sulfurcell) Reproduzierbarkeit Zellen im Labormaßstab (HMI) Sehr gute Reproduzierbarkeit im Labor ist notwendige Voraussetzung für erfolgreichen Technologietransfer > 5 Jahre vom Labor bis zur Produktion Produktionsausbeute ab Substratglas (Sulfurcell)

9 Silizium-Dünnschicht-Photovoltaik Ziele der Forschung: TCO Silizium Ag Grundlagen der Materialien Effizienzsteigerung Kostenreduktion Silizium ist ungiftig und umweltverträglich Silizium ist zweit-häufigstes Element in der Erdkruste (nach Sauerstoff) Hohes Potenzial zur Kostenreduktion durch geringen Materialbedarf, großflächige Beschichtung und niedrige 30 x 30 cm² 10% FZJ Prozesstemperatur 60 x 100 cm² 6 % Produkt von Kooperationspartner

10 Aufskalierung von a-si und µc-si Depositionsprozesse 30x30 cm 2 Bild 0x10 cm 2

11 Prozesstechnologie auf 30x30 cm² Etching & Cleaning Solar simulator, J/V and QE Sputtering Laser Scribing Large area Flasher PECVD

12 ~ Solarzellenherstellung SiH 4 +H 2 PECVD für Silizium Licht Glas (1-4mm) Front TCO: gesputtertes ZnO:Al Silizium p-i-n Struktur mittels PECVD Wasserstoffplasma Temperatur = C Rückseitenreflektor gesputtertes ZnO:Al gesputtertes Metall p i n TCO

13 Einfluss des TCOs auf Solarzelle Q.E glattes TCO raues TCO weniger Absorption raues TCO wavelength (nm) B. Rech et al. / Thin Solid Films (2006)

14 Modul-Verschaltung Modul-Verschaltung durch Abfolge von je 3 Depositionen und Laserstrukturierungen Ein kritischer Strukturierungsschritt ist der Rückkontakt, da bei Flake-Bildung eine gesamte Zelle kurzgeschlossen werden kann Photovoltaisch generierter Strom

15 a-si / µc-si Tandem-Struktur Licht Licht p i n TCO Ag Glas (1-4mm) TCO Quantum quantum efficiency top cell a-si:h a-si 0.35µm µc-si 1 µm wavelength (nm) bottom cell µc-si:h µc-si erweitert den aktiven Spektralbereich der Solarzellen Absorption A=1-exp(-αd) (%) p i n p i n ZnO Ag Glas (1-4 mm) TCO a-si µc-si ZnO Ag

16 µc-si Solarzellen η(%) µc-si a-si µc-si a-si FF (%) V OC (mv) 600 µc-si a-si [SiH 4 ]/[SiH 4 +H 2 ] (%) a-si µc-si [SiH 4 ]/[SiH 4 +H 2 ] (%) J SC (ma/cm 2 )

17 Stabilität: Lichtalterung NREL confirmed: 10.1 % efficiency (%) a-si:h/µc-si:h module µc-si:h module NREL confirmed: 8.1 % 10x10 cm 2 substrate (aperture area 64 cm 2 ) degradation time (h) T. Repmann, T. Kilper, C. Zahren, H. Stiebig, B. Rech, Proc. of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference and Exhibition, Orlando, USA (2005),

18 Aufskalierung von a-si und µc-si Depositionsprozesse 30x30 cm 2 Bild 0x10 cm 2

19 ARISTO für Deposition von a-si und µc-si

20 ARISTO für Deposition von a-si und µc-si

21 Microcrystalline Silicon Deposition on 1.4m²: Thickness distribution and Raman spectra ,0 Y Axis (mm) Raman intensity (norm.) 0,8 0,6 0,4 0,2 top right bottom right center top left bottom left fc=62% fc=64.5% X Axis (mm) 0, wave number (cm -1 ) 90% 92% 94% 96% 98% 100%102%104%106%108%110%

22 a-si/µc-si Abscheidung auf 1 m² a-si:h/µc-si:h modules Si Applied films patterning, back contacts, 138 cm 74 cm η ap = 10,1 % P = 6.83 W FF =73.9 % V OC = 35.0 V = 264 ma I SC Wieder et al. 20th EU PVSEC

23 Produktionsaufbau bei Brilliant-234 Q-Cells AG, Thalheim/Sachsen-Anhalt Tochterunternehmen Brilliant234 GmbH Aufbau einer Produktionslinien für mikromorphe Silizium-Dünnschichtsolarmodule Produktionsbeginn Juli 2007 mittelfristig geplante Produktionskapazität: mehrere 100 MWp/a

24 Erste Prototype bei Brilliant 234 Prototyp eines a-si:h/µc-si:h Tandemsolarmoduls Nennleistung 107 Wp Fläche 1.4 m²

25 CuInS 2 CuInS 2

26 Danksagung Alle (Ehemalige) Mitarbeiter der Institute und Kooperationspartners Nationale und europäische Projektgeber