Lasertechnik in der Silicium-Wafer-Photovoltaik

Transkript

1 Von der Solarzellenfertigung zur Modultechnologie Lasertechnik in der Silicium-Wafer-Photovoltaik N.-P. Harder, A. Grohe, R. Hendel, D. Huljic

2 Gliederung Lasertechnologie und Photovoltaik: In der Produktion Eine bewährte Partnerschaft Schneiden von Silicium Beschriften / Markieren Schicht-Strukturierung bei Dünnschichtmodulen Kantenisolation bei Siliciumwafer-Zellen und bei Dünnschicht-Photovoltaikmodulen Siliziumstrukturierung für Buried-Contact -Solarzellen Laser-gefeuerte Kontakte: Light-Trapping und verringerte Rekombination Laser-Bohren von Löchern: Hohe Solarzellen-Effizienzen mit günstigem Silicium Siliziumstrukturierung: Rückkontakt-Hocheffizienzzellen Laserdotierung: Herstellung selektiver Emitter Ablation von Dielektrika auf Silizium: Kontaktöffnungen für Hocheffizienzzellen Laserprozessbasierte Zellentwicklung: Prototyp für industrielle Massenproduktion Laserlöten auf Laminierfolien: Berührungslose Zellverbindungstechnik

3 Lasertechnologie und Photovoltaik: In der Produktion Eine bewährte Partnerschaft Schneiden von Silicium-Wafern Beschriften und Markieren Spot-Größe: ca. 50 µm Effektive Schneidegeschw: 200mm/s Scanner

4 Lasertechnologie und Photovoltaik: In der Produktion Eine bewährte Partnerschaft Strukturieren und Kantenisolieren bei Dünnschicht- und Si-Wafer-Zellen Rück Kontakt (Metall) Amorphes Silicium Kantenisolations-Schnitt (Entkopplung des Front-Emitters von Kante und rückseitigem Al-BSF) laser beam laser beam Glas TCO (transparent conducting oxide) Film Substrat Front Kontakt n + Si (p) laser beam p + -Al-BSF

5 Lasertechnologie und Photovoltaik: In der Produktion Eine bewährte Partnerschaft Siliziumstrukturierung für Buried-Contact -Solarzellen Laser Strahl Laser Graben mit versenkten Kontakten Schmelz- Austrieb V Plasma n + Si (p) Rück-Kontakt

6 Neue Laser ermöglichen Neue Prozesse und befähigen dadurch Neue Konzepte Industriell einsetzbare Alternativen zur Photolithograpie Schnelles Strukturieren sehr großer Flächen Schnelles Bohren zehntausender Löcher durch Siliciumwafer Berührungsloses Verfahren zur Prozessierung dünner Wafer Lokale Dotierung von Silizium Laserprozess-basierte Solarzellenentwicklung: Das Quebec-Projekt Minimierten Hitzeeintrag bei Lötprozessen

7 Laser-Gefeuerte Kontakte (LFC) Schneiderlöchner et al., 17th EC-PVSEC, 2001, Herkömmliche Solarzelle Solarzelle mit LFC-Rückseite ganzflächiges (Al-) BSF mittels gefeuertem Siebdruck dicke Metallisierung Bow geringe Rückseiten Reflexion nur lokale Kontakte mit (Al-) BSF mittels lokalen Laser-Feuerns dünne Metallisierung möglich hohe Rückseiten Reflexion durch SiO x -Schicht

8 Laser-Gefeuerte Kontakte (LFC) Elektronenmikroskop-Aufnahme: Herkömmliche Solarzelle Solarzelle mit LFC-Rückseite LFC-Punkt: ganzflächiges (Al-) BSF mittels gefeuertem Siebdruck dicke Metallisierung Bow geringe Rückseiten Reflexion 150 µm nur lokale Kontakte mit (Al-) BSF mittels lokalen Laser-Feuerns dünne Metallisierung möglich hohe Rückseiten Reflexion durch SiO x -Schicht

9 Laser-Gefeuerte Kontakte (LFC) Herkömmliche Solarzelle Solarzelle mit LFC-Rückseite gebogene flache Siebdruck-Zelle ganzflächiges (Al-) BSF LFC-Zelle mittels gefeuertem Siebdruck dicke Metallisierung Bow geringe Rückseiten Reflexion nur lokale Kontakte mit (Al-) BSF mittels lokalen Laser-Feuerns dünne Metallisierung möglich hohe Rückseiten Reflexion durch SiO x -Schicht

10 , D:\.Backup\ Messwerte\nrp- ue\ Verglei che\ AlBSF vs LFC. opj FVS-Jahrestagung 2007 Laser-Gefeuerte Kontakte (LFC) Herkömmliche Solarzelle Solarzelle mit LFC-Rückseite 1.0 Quanten- 0.8 ganzflächiges (Al-) BSF effizienz 0.6 mittels gefeuertem Al- BSF Siebdruck 0.4 LFC und dicke Metallisierung Bow Relexions- 0.2 geringe Rückseiten Reflexion messung 0.0 IQE, R wavelength λ (nm) nur lokale Kontakte mit (Al-) BSF mittels lokalen Laser-Feuerns dünne Metallisierung möglich hohe Rückseiten Reflexion durch SiO x -Schicht

11 Laser-Gefeuerte Kontakte (LFC) Hocheffizienz-Vorderseite mit Photolithographie LFC-Rückseite 22.0 % Wirkungsgrad (2 x 2 cm 2 FZ p-typ Silicium) Glunz et al., 4th WCPEC, Hawaii 2006, pp. 1016

12 Laser-bohren von Löchern Solarzelle mit EWT-Struktur ( E m i t t e r W r a p T h r o u g h ) Kontaktierung des Front-Emitters durch laser-gebohrte EWT-Löcher Kein Metall auf Vorderseite keine Abschattung Hoher Strom Vergrößerte Fläche des p-n Überganges Effiziente Stromsammlung

13 Laser-bohren von Löchern Ablationstiefe pro Laser-Schuss Ätzen des Laser-induzierten Kristallschadens in EWT-Löchern Körner et al., Appl. Phys. A, 63 (1996) Eidelloth et al., Diploma Thesis, ISFH / FH Münster, 2006

14 Laser-bohren von Löchern Solarzelle mit EWT-Struktur ( E m i t t e r W r a p T h r o u g h ) Starcut Disc 100 ICQ

15 Laser-bohren von Löchern Solarzelle mit EWT-Struktur ( E m i t t e r W r a p T h r o u g h ) Starcut Disc 100 ICQ Loch-Durchmesser: 500 µm Rate: 25 Löcher / Sek. Loch-Durchmesser: 65 µm Rate: bis zu 3000 Löcher / Sek.

16 Flächige Strukturierung von Silicium Grabentiefe nach verschieden langem Ätzen [µm] Engelhart et al., Proc. 25th ICALEO Conference, 2006, 218

17 Flächige Strukturierung von Silicium Laser-ablatierte Fläche (Emitter) Nicht laser-behandelt (Basis-Finger) tpuls λ =1064 nm λ = 532nm λ = 355nm 30 ns 30 ns 30 ns Laser-gebohrte Löcher z µ m ( 4 ± 1) µ m ( 3 ± 1) µ m min

18 Flächige Strukturierung von Silicium Wirkungsgrad: 21.4 % RISE-EWT Solarzelle Rear Interdigitated Single Evaporation Engelhart et al., Proc. PVSEC-15, Shanghai, 2005, 802 Engelhart et al., Prog. Photovolt. Res. Appl. 15 (2007), 237 Hermann et al., 21 st EC-PVSEC, Milano, 2007

19 Laser-Dotierung 1. Dotierstoff aufbringen liquid Flüssiger dopand precursor Dotierstoff Siliziumwafer silicon 2. Lokales Laser-Feuern ( Eintreiben ) laser beam laser focus 3. Epitaktisches Erstarren mit Dotierstoff-Einbau surface dislocations electrode target silicon wafer electrode HV scanning direction phosphorus Konzentration concentration C [cm [cm -3 ] -3 ] melt depth 100 nm E P = 1.5, 2.5, 3.5 J/cm 2 pulse E p = overlap 1.5, 2.5, O 3.5 J/cm² y = 0.5 Pulsüberlapp O y = 0.2 J. R. Köhler, M. Ametowobla, and A. Esturo-Breton in Proc. 20 th EC-PVSEC (2006) depth Tiefe depth z d [nm]

20 Laser-Dotierung Solarzellen-Ergebnisse: Homogene Vorderseiten Diffusion: 90 Ohm/sq Emitter V OC [mv] J SC [ma/cm²] FF [%] η [%] Nur homogene Diffusion Selektive Laserdotierung unter Kontakten Homogene Vorderseiten Diffusion: 150 Ohm/sq Emitter Nur homogene Diffusion Selektive Laserdotierung unter Kontakten V OC [mv] J SC [ma/cm²] FF [%] η [%] A. Grohe, Dissertationschrift (in Bearbeitung); S. Hopman et al., 21st EC-PVSEC (2007) Milano

21 Ablation dielektrischer Schichten Typisches Anwendungs-Beispiel: dielektrische Schicht n + -Typ Diffusion p-typ Si Laser Metall Ziel: Vorteil: Herausforderung: Definition von Schichtöffnungen für z.b. Punktkontakte Berührungslose Laser-Prozessierung 1. Vollständige Öffnung/Entfernung der Schicht bei 2. gleichzeitiger Vermeidung von Si-Kristallschaden

22 Ablation dielektrischer Schichten: Si x N y V OC J SC FF η V OC : 634 mv J SC : 40.6 ma/cm 2 FF : 76.4 % η : 19.7 % Laser- Ablation Photolithographie [mv] [ma/ cm²] 38,0 38,0 [%] 78,6 78,5 [%] 19,1 19,0 SiN x Si approx. 25 µm P.Engelhart et al., Proc. WCPEC-4 (2006) p Ablation von Si x N y anschließend: Galvanik 100 µm A.Knorz et al., 21st EC-PVSEC (2007) Milano

23 Ablation von SiO 2 mittels Kurzpuls-Laser Pikosekunden-Laserpulse zur Ablation von Kontaktpunkten Kontaktpunkte Si O 2 V OC : 663 mv J SC : 39.9 ma/cm 2 FF : 81.5 % η : 21.5 % SiO 2 Si S. Hermann et al., 21 st Europen Photovoltaic Solar Energy Conference (2006) Milano

24 Laser-basierte Solarzellenentwicklung Quebec-Projekt: D. Huljic et al., 21 st EC-PVSEC (2006) Milano

25 Laser-basierte Solarzellenentwicklung Bau einer Testlinie für Umsetzung der Quebec-Zelle bei Q-Cells: Vorderseite der Solarzelle Pyramiden-Textur Anti-Reflex-Schicht n ++ - back-surface-field p ++ -Emitter p-typ Silicium-Wafer Passivierschicht back-surface-field Passivierschicht n-typ Kontaktfinger p-typ Kontaktfinger Kontaktlöcher durch die Passivierschicht Rückseite Reiner-Lemoine-Center Ort der Pilot- und Testlinie

26 Herkömmliche Modulverschaltung Handling Handling

27 Auf-Laminat-Löten: pick and place monitor controler data data data pyrometer CCD CW HDL optical fibr e processing head tinned copper ribbons Laser radiation λ=980 nm le ns emit ted infrared radiation on-laminate solar cell EVA glass housing xy-table M. Gast, M. Köntges, R. Brendel Lead-Free On-Laminat-Laser-Soldering: A new module assembling concept, Progress in Photovoltaics: Research and Application. (in press)

28 Zusammenfassung Lasertechnologie und Photovoltaik: Eine bewährte Partnerschaft mit Innovationspotential für die Zukunft! Lasertechnik befähigt neue Solarzellenkonzepte Schnelle Perforation und großflächige Bearbeitung von Silicium-Wafern durch moderne leistungsstarke Laser Kurzpulslaser als produktionsrelevante Alternative zu klassischer Photolithographie Selektive Kontaktierung und Dotierung mittels Laser Auf-Laminat-Laser-Löten für vereinfachte Modulverschaltung Danksagung: Die hier dargestellten Erfolge basieren auf der effektiven Forschungsförderung der öffentlichen Hand!

29 Danksagung