I.2: Vorlesung Solarenergie: Terminplanung

Transkript

1 I.2: Vorlesung Solarenergie: Terminplanung

2 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien kommerzielle Wirkungsgrade: mono-si: (14-17 %) multi-si: (13-15 %) amorph: (5-8 %) Quelle: Luther

3 Kostenaufteilung bei einer Solarzelle Quelle: Luther, FhG ISE

4 Die verschiedenen Schritte auf dem Wege zur Si-Wafer - Herstellung von metallurgischem Silizium - Refraktionierung (Siemens-Verfahren) - Herstellung von hochreinem Poly-Si-Material - Kristallzucht - Schneiden von Wafern

5 1. Herstellung von metallurgischem Si SiO 2 (Quarz) und Kohlenstoff werden in feingemahlener Form in Graphittiegel eingebracht Dank an Prof. Werner, IPE Uni Stuttgart für die JHW-Bilder! Lichtbogen erzeugt Schmelze Reduktion von Silizium (SiO 2 + 2C Si + 2CO) flüssiges Si kann abgezapft werden - brutal energieaufwändig (14 kwh/kg) - Reinheit noch nicht ausreichend (noch kein electronic grade )

6 2. Refraktionierung feingemahlenes metallurgisches Si wird in einem Wirbelsinterofen gasförmigem Chlorwasserstoff ausgesetzt Si+3HCl SiHCl 3 +H 2 (exotherme Reaktion zu Trichlorsilan (T Siede =30 C)) mehrstufige Destillation Trennung von Verunreinigungen Verunreinigungsgrad < 10-12

7 3. Herstellung von polykristallinem Si Gereinigtes Trichlorsilan wird mit H 2 in Reaktor geleitet Reduktion von SiHCl 3 an heißem Si-Stab (4 SiHCl 3 + 2H 2 3Si +SiCl 4 +8HCl) Wachstum von hochreinen Si-Stäben Siemens-Prozeß (Spenke et al )

8 4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren -für gute Transporteigenschaften ist einkristallines Material erforderlich Bruchstücke von poly-si werden unter Schutzgas aufgeschmolzen (T S =1415 C) Eintauchen eines einkristallinen Keims einkristallines Wachstum unter Zieh- und Drehbewegungen Wachstum von einkristallinen Stäben -Dotierung möglich durch Zugabe von hochdotierten Si-Stücken -Sauerstoffeinbau war lange Zeit ein Problem (Nichtstrahlende Rekombination)

9 4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren -für gute Transporteigenschaften ist einkristallines Material erforderlich Bruchstücke von poly-si werden unter Schutzgas aufgeschmolzen (T S =1415 C) Eintauchen eines einkristallinen Keims einkristallines Wachstum unter Zieh- und Drehbewegungen Wachstum von einkristallinen Stäben -Dotierung möglich durch Zugabe von hochdotierten Si-Stücken -Sauerstoffeinbau war lange Zeit ein Problem (Nichtstrahlende Rekombination)

10 4. Einkristallwachstum: b) Zonenziehverfahren an poly-si-stab wird einkristalliner Keim angeschmolzen poly-si-stab wird abschnittsweise durch Induktionsheizung aufgeschmolzen Verunreinigungen haben höhere Löslichkeit in flüssiger Phase Reinigung beim Abkühlen erfolgt einkristallines Wachstum - Dotierung in Anwesenheit von Dotiergasen - bessere Kristalle, aber teurer

11 5. Herstellung von Wafern Innenlochsäge µm Dicke - 50 % Sägeverluste -in beiden Fällen diamantbesetztes Sägemedium Drahtschleiftechnik - dünnere Wafer möglich

12 Energiebedarf bei Waferproduktion Modul: 50 W p - Energierücklaufzeiten von 6-8 Jahren

13 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien kommerzielle Wirkungsgrade: mono-si: (14-17 %) multi-si: (13-15 %) amorph: (5-8 %) Quelle: Luther

14 Herstellung von poly(multi)kristallinem Silizium geschmolzenes Si wird in Graphittiegel gegossen kontrollierte Abkühlung sorgt für kolumnare Strukturen Zersägen in viereckige Scheiben

15 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien Quelle: Sarasinstudie

16 Schicht- und Bandsilizium (Folienmaterialien) Edge defined film growth (EFG-Verfahren) -geschmolzenes Silizium wird über Kapillarkräfte direkt in der richtigen Dicke gezogen -Sägen entfällt - Probleme aufgrund zahlreicher Defekte RWE SCHOTT Solar baut Standorte in Deutschland und Tschechien aus Europas größter Solarhersteller wird sowohl in Deutschland als auch in Tschechien die Produktionsstandorte für Solarstromanlagen weiter ausbauen. In der SmartSolarFab, der modernsten vollintegrierten Photovoltaik Fertigungsanlage der Welt, am Firmensitz im bayerischen Alzenau, entstehen zwei zusätzliche Zelllinien. Jede dieser neuen Linien wird jährlich Solarzellen mit einer Leistung von über 20 MW produzieren. Im tschechischen Valašské Mezirící werden zusätzlich 2 Modullinien mit einem jährlichen Output von insgesamt über 40 MW entstehen. RWE SCHOTT Solar erweitert damit die Gesamtkapazität um mehr als 40 MW pro Jahr auf über 100 MW. Das Investitionsvolumen beträgt 40 Mio..

17 Weitere Si-Folienherstellungsverfahren Silicon Sheet from Powder (SSP)

18 Von der Scheibe zur Solarzelle - Ausgangspunkt: p (Bor)-dotierte Si-Wafer -Elektronen als Minoritätsladungsträger im p-bereich weisen eine größere Diffusionslänge auf

19 Eindiffusion des Emitterkontaktes Phosphin (PH) bzw. Phosphoroxychlorid (POCl 3 ) wird an die heiße Si-Oberfläche gebracht Reaktion zu P 2 O 5 dient als Diffusionsquelle an der Oberfläche

20 Diffusionstechnologie Eindiffusion bei hohen Temperaturen Einbau auf Si-Gitterplatz als Donator

21 Solarzellentechnologie -Trockenätzen der Kanten - Naßätzen des Glases - Siebdruck der Metallkontakte

22 Solarzellentechnologie

23 Siebdrucken zur Metallisierung + geringer Investitionsaufwand (keine Vakuumtechnik) + Automatisierbarkeit des Verfahrens - Metall (Ag für Frontkontakt, Al für Rückkontakt) als einige µm große Partikel - Bleioxid, Blei(Zink)-Bor-Silikate, Bindemittel - Aufbringen durch Siebdruck - Sintern der Schicht bei ca. 600 C - Si-Schicht wird angelöst - beim Abkühlen entsteht rekristallisierte Si-Schicht mit hohen Ag-Anteil

24 Siebdrucken - für Rückseitenkontakt wird Al (dreiwertig) verwendet - wird bei 800 C einlegiert und ergibt damit eine p+ Dotierung - Erzeugung des Back-Surface-Feldes

25 Siebdrucken: AR-Schicht -Siebdrucken funktioniert auch für die Antireflexschicht: Verwendung einer Paste mit TiO 2 (Brechungsindex ) auch ohne einen interferometrischen Effekt (λ/4-schicht) ergibt sich eine Reduktion der Reflexionsverluste: direkter Übergang Luft/Si: R Luft / Si 2 2 n1 n2 1 4 = = = n + n % Zweistufiger Übergang Luft/TiO 2 /Si: R = R + (1 R ) R = Luft / Ti 0 / Si Luft / TiO Luft / TiO TiO / Si %

26 Hochvakuum-Aufdampftechnologie - Metallschichten -AR-Schichten (λ/4-schichten)

27 Technologie bei hocheffizienten Zellen - Passivierung durch Oxidationstechnologie - Herstellung der Punktkontakte durch Photolithographie - Texturierung der Oberfläche

28 Oxidationstechnologie Trockene Oxidation: (Si + O 2 SiO 2 ) Feuchte Oxidation: (2Si + O 2 +2H 2 O 2SiO 2 +2H 2 ) -SiO 2 -Wachstum wird im Laufe des Prozesses verlangsamt, da Sauerstoff durch die frisch gewachsene Schicht hindurchdiffundieren muss

29 Photolithographie Nach dem Entwickeln können entweder die belichteten oder die unbelichteten Bereiche stehenbleiben, je nach Wahl des Lacks (negativ/positiv).

30 Photolithographie: Lift-off-Prozess

31 Texturierung der Oberfläche: Anisotropes Nassätzen mit KOH -Ätzgeschwindigkeit hängt von der Kristallrichtung ab -durch Maskierung mit SiO 2 können regelmässige Pyramiden erzeugt werden -ohne Maskierung ergeben sich willkürliche -Pyramiden

32 Texturierung der Oberfläche: Anisotropes Nassätzen mit KOH -Ätzgeschwindigkeit hängt von der Kristallrichtung ab -durch Maskierung mit SiO 2 können regelmässige Pyramiden erzeugt werden -ohne Maskierung ergeben sich willkürliche -Pyramiden

33 Texturierung der Oberfläche: Pyramiden 25 %-Zelle (U of New South Wales, Australien) -extrem reines einkristallines Silizium -strukturierte Oberfläche und AR-Beschichtung -dünne Finger aus Ag -passivierte Emitterseite -emitterseitige Punktkontakte mit Hochdotierung

34

35