ENTWICKLUNG UND CHARAKTERISIERUNG STRUKTURIERENDER LASERVERFAHREN FÜR DIE HERSTELLUNG KRISTALLINER SILIZIUM - SOLARZELLEN

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1 ENTWICKLUNG UND CHARAKTERISIERUNG STRUKTURIERENDER LASERVERFAHREN FÜR DIE HERSTELLUNG KRISTALLINER SILIZIUM - SOLARZELLEN DISSERTATION ZUR ERLANGUNG DES AKADEMISCHEN GRADS EINES DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN (DR. RER. NAT) VORGELEGT VON ANNEROSE KNORZ AN DER UNIVERSITÄT KONSTANZ MATHEMATISCH-NATURWISSENSCHAFTLICHE SEKTION FAKULTÄT FÜR PHYSIK ANGEFERTIGT AM FRAUNHOFER INSTITUT FÜR SOLARE ENERGIESYSTEME ISE TAG DER MÜNDLICHEN PRÜFUNG: REFERENT: PROF. DR. GERHARD WILLEKE REFERENT: PROF. DR. JOHANNES BONEBERG

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3 Schriftenreihe der Reiner Lemoine-Stiftung Annerose Knorz Entwicklung und Charakterisierung strukturierender Laserverfahren für die Herstellung kristalliner Silizium-Solarzellen Shaker Verlag Aachen 2012

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Konstanz, Univ., Diss., 2012 Copyright Shaker Verlag 2012 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 - Inhaltsverzeichnis - Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Motivation und Ausgangslage Aufbau der Arbeit 3 2 Kristalline Silizium-Solarzellen Kapitelübersicht Rekombination und Ladungsträgerlebensdauer Sättigungsstromdichte J Kennlinien Messung der effektiven Lebensdauer eff SunsV oc -Messungen Photolumineszenz und -Raman Messungen Strukturierende Laserprozesse für kristalline Silizium Solarzellen 17 3 Laser-Materie-Wechselwirkung Kapitelübersicht Optische Grundlagen Laserstrahlung Materialeigenschaften 29 4 Laserquellen Kapitelübersicht Laserquelle Coherent Avia-x Laserquelle JenLas disk IR50 / IR Laserquelle Rofin StarDisc 100 ICQ Laserquelle IPG LASER TLM Laserquelle JenLas D2.fs Laserquelle Atlex 500 Si Laserquelle Lumera Super Rapid 37

6 - Inhaltsverzeichnis Bestimmung der Schwellfluenz Th 38 5 Strukturierung dielektrischer Schichten Kapitelübersicht Oberflächenstrukturen bei kristallinen Silizium-Solarzellen Laser-Strukturierung auf planen Oberflächen Laser-Strukturierung auf texturierten Oberflächen Störung der Kohärenz Thermischer Einfluss der Strukturierung auf das Siliziumsubstrat Kapitelzusammenfassung 92 6 Solarzellen mit laserbasierten Vorderseitenkontakten Kapitelübersicht Aufbau der Solarzellen Einfluss der Laserparameter auf den Pseudo-Füllfaktor PSFF Einfluss der Kontaktbildung auf Solarzellen-Kenngrößen Solarzellenergebnisse und optimale Prozessparameter Untersuchung der Kennlinien Modell und Simulation Kapitelzusammenfassung Strukturierung von Lacken Kapitelübersicht Lackstrukturierung für eine Vorderseitenmetallisierung Lackstrukturierung zur Isolation metallisierter Bereiche Kapitelzusammenfassung Laserkantenisolation mit ultra-kurzen Pulsen Kapitelübersicht Siliziumabtrag mit ultra-kurzen Pulsen Laserkantenisolation mit ultra-kurzen Pulsen 125

7 - Inhaltsverzeichnis Ortsaufgelöste Schädigungsanalyse der LKI-Gräben Kapitelzusammenfassung Analyse des Lochbohrprozesses Kapitelübersicht Anforderungen an den Bohrprozess Einfluss der Laserparameter L Puls und E Puls auf die Prozesszeit Effizienz des Bohrprozesses Untersuchung der Lochgeometrie Schädigungsanalyse Modell des Bohrprozesses Kapitelzusammenfassung Zusammenfassung und Ausblick 157 Eidesstattliche Erklärung 161 Anhang 162 Berechnung der Streueffizienz und Winkelverteilung 162 Abkürzungen und Symbole 166 Veröffentlichungsliste 173 Literatur- und Quellenverzeichnis 175 Danksagung 183