Einer der effizientesten Wege die Kosten der photovoltaischen Stromerzeugung zu reduzieren ist die Erhöhung des Wirkungsgrads der verwendeten Solarzellen. Insbesondere bei Siliciumsolarzellen, bei denen die Kosten für das Siliciummaterial einen signifikanten Anteil einnehmen, kann über gezielte Verbesserungen bei der Solarzellenherstellung ein großer Kostenvorteil erreicht werden. Daher ist die Optimierung industrieller Zellprozesse und die Entwicklung neuer hocheffizienter Zellstrukturen ein Schwerpunkt im Geschäftsfeld Silicium-Photovoltaik.

Am Fraunhofer ISE stehen hierfür zwei zentrale Labore zur Verfügung: Einerseits der Reinraum , in dem neue Zellstrukturen unter idealen Bedingungen entwickelt werden können und andererseits das Photovoltaik-Technologie Evaluations Center PVTEC , in dem eine industrienahe Technologie die effiziente Umsetzung neuer Konzepte möglich macht. Durch die Kombination beider Forschungsplattformen und einem umfangreichen Charakterisierungs- und Simulationspool ist das Fraunhofer ISE weltweit in der einzigartigen Position, seine Kunden in der ganzen Kette von der grundlegenden Entwicklung bis zur Umsetzung in die Fertigungslinie umfassend zu unterstützen.

Neben der Standard-Siebdruckzelle arbeiten wir an einem sehr großen Spektrum verschiedenster Solarzellenkonzepte:

• Solarzellen mit dielektrischer Rückseitenpassivierung
  Ein Großteil der Wirkungsgradverluste heutiger Solarzellen entsteht an der Rekombination auf der Zellenrückseite. Insbesondere bei sehr dünnen Zellen sollte das momentan verwendete Aluminium-Back-Surface-Field durch eine dielelektrische Passivierungsschicht und punktweise Kontaktierung ersetzt werden. Mit einer solchen Zellstruktur und unserer patentierten Laser-fired-contact Technologie konnten wir den Weltrekord für multikristalline Siliciumsolarzellen (siehe Foto) erreichen.
• Metal-Wrap-Through (MWT) Solarzellen (siehe Foto)
  Das Zellkonzept einer MWT-Solarzelle ist dem einer industriellen Standardzelle sehr ähnlich - mit dem Unterschied, dass der Busbar auf die Rückseite der Solarzelle gelegt wird. Hiermit werden Abschattungsverluste reduziert und somit eine komplett einseitige Verschaltung im Modul ermöglicht.
• Emitter-Wrap-Through (EWT) Solarzellen
  Bei diesen Zellen wird im Unterschied zu MWT-Zellen die gesamte Metallisierung auf die Rückseite gelegt. Der Stromtransport von der Vorder- zur Rückseite wird mittels vieler phosphor-diffundierter Löcher gewährleistet.
• Reine Rückseitenkontaktsolarzellen
  Bei dieser Variante von rückseitig kontaktierten Zellen wird neben der Metallisierung auch der sammelnde pn-Übergang auf die Rückseite der Zelle gelegt. Dieses Konzept hat das größte Wirkungsgradpotenzial, aber auch die höchsten Ansprüche an die Materialqualität, weshalb hier meistens n -Typ Silicium verwendet wird.

• Solarzellen aus n -Typ Silicium
  n -Typ Silicium zeigt im Vergleich zu p-Typ Silicium eine größere Toleranz gegenüber Verunreinigungen. Daher können mit diesem Material im Prinzip höhere Wirkungsgrade erreicht werden. Wir arbeiten neben den schon genannten Rückseitenkontaktzellen auch an Konzepten mit einem Emitter aus einlegiertem Aluminium , bordiffundiertem Silicium und amorphem Silicium (Heteroübergang) .

Silicium-Heterosolarzellen haben das Potential für hohe Wirkungsgrade. Sie kombinieren die Vorteile der Wafertechnologie, nämlich das Erreichen hoher Wirkungsgrade durch das Verwenden hoch qualitativer Substrate, mit denen der Dünnschichttechnologie, wie den Einsatz von großflächigen (kostengünstigen) Depositionstechniken und niedrigen Substrattemperaturen.

Ziel der Arbeiten am Fraunhofer ISE ist es zum Einen, möglichst bald für diesen Zelltyp einen industrietauglichen Prozess zu entwickeln, zum Anderen, neue Zellstrukturen zu entwickeln und damit höchste Wirkungsgrade zu erreichen.
Parallel dazu arbeiten wir an dem Grundverständnis zur Funktion dieses Zelltyps, um weitere Optimierungen vornehmen zu können.

Forschungsschwerpunkte:

• Abscheidung von ultradünnen amorphen und mikrokristallinen Schichten, auch auf texturierten Flächen
• Passivierung von Oberflächen mittels amorpher und mikrokristalliner Schichten
• Evaluation neuer Solarzellenstrukturen
• Verwendung höheren Frequenzen bei der Deposition
• Optimierung und Analyse der Oberflächenkonditionierung vor der Deposition
• Kostengünstige transparente leitende Oxidschichten (TLO) als Frontkontakt
• Optimierung des TLO/Halbleiterüberganges
• Niedertemperaturmetallisierung
• Alternative Dotierstoffquellen

Labore und Ausstattung:

• Chemiebänke für die Reinigung und die nasschemische Konditionierung der Substrate
• Industrielle 3-Kammer-PECVD-Anlage für Substratgrößen bis 30 cm x 30 cm für die Abscheidung von amorphen und mikrokristallinen Siliziumschichten
• RIE-Plasmaätzer für Strukturierung
• TCO-Sputteranlage
• Aufdampfanlage
• Spektrometer zur Messung von Transmission, Reflexion und Absorption
• Ellipsometer zur ortsaufgelösten Messung von Brechungsindex und Schichtdicke
• Messplatz zur Bestimmung von Hell- und Dunkelleitfähigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen
• TLM-Messplatz
• Messplatz zur Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit von Einfach- und Tandemzellen
• Kennlinienmessplätze
• Lumineszensmessplätze
• Degradationsmessplatz

Die physikalische Wirkungsgradgrenze von Siliciumsolarzellen beträgt 29%. Ziel unserer Forschung ist es, dieser physikalischen Grenze technologisch so nahe wie möglich zu kommen. Auf diesem Weg werden unterschiedlichste Konzepte untersucht, um die Verlustmechanismen so weit wie möglich zu minimieren. Wichtige Punkte hierbei sind zum einen die Maximierung des Lichteinfangs in Silicium (z.B. durch Verwendung von diffraktiven Strukturen auf der Solarzellenrückseite) und zum anderen die Reduzierung der Oberflächenrekombination.

Ziel der Arbeiten ist jedoch nicht nur die Realisierung höchster Effizienzen, sondern die Entwicklung zukünftiger Technologien. Neben den klassischen Technologien wie Diffusion und Oxidation werden auch neuere Technologien untersucht. Beispiele hierfür sind die ALD (Atomlagenabscheidung) zur Abscheidung ultra-dünner Passivierungsschichten (z.B. Al ₂ 0 ₃ ) oder die PECVD (Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung) zur Abscheidung von amorphen oder mikrokristallinen Siliciumschichten.

Die höchsten bisher erreichten Wirkungsgrade für Siliciumsolarzellen am Fraunhofer ISE sind hier aufgelistet.

Forschungsschwerpunkte
Die Arbeitsschwerpunkte am Fraunhofer ISE liegen in den Themenbereichen:

• Analyse, Evaluation und Bewertung neuartiger Silicium-Solarzellenkonzepte
• Anwendung neuer Technologien zur Herstellung höchsteffizienter Siliziumsolarzellen
• Herstellung von speziell angepassten Referenzsolarzellen

Mehr als 90 % der industriell hergestellten Silicium-Solarzellen bestehen heutzutage aus kristallinem p -Typ Silicium. Dies liegt hauptsächlich darin begründet, dass der Herstellungsprozess, insbesondere die Phosphor-Diffusion für die Bildung des Emitters, seit vielen Jahren in Produktionslinien etabliert ist. Nichtsdestotrotz besitzt n -Typ Silicium hervorragende elektrische Eigenschaften und ist durch diese Überlegenheit gegenüber p -Typ Material in den letzten Jahren verstärkt ins Interesse der Solarzellentwicklung gerückt.

Als Alternative zu einem Bor-dotierten p ⁺ Emitter, der in einem Hochtemperaturschritt diffundiert wird, haben wir einen Aluminium-dotierten Emitter entwickelt, der durch einfaches Siebdrucken einer Aluminium-haltigen Paste auf die Rückseite der Zelle und einem nachfolgenden kurzen Einlegierungsschritt ausgebildet wird. Ein großer Vorteil dieses Verfahrens und der damit herstellbaren rückseitig sammelnden n ⁺ np ⁺ Zellstruktur liegt darin, dass der Prozessschritt für das Emitterlegieren bereits in Produktionslinien konventioneller p -Typ Zellen für das Al-Rückseitenfeld (BSF) eingesetzt wird.

Da bei rückseitig sammelnden Zellen eine effektive Passivierung der Vorderseite eine wichtige Voraussetzung für hohe Effizienzen ist, verwenden wir hier ein Zwei-Lagen-Metallisierungskonzept zur Erzeugung des Kontaktgitters aus Fingern und Busbars, das auch die Kontaktierung schwach dotierter Oberflächen erlaubt. Nach Aerosol-Druck der Saatschicht mit einer am Fraunhofer ISE entwickelten speziellen Metalltinte erfolgt das Verdicken der Kontakte in lichtinduzierter Silber-Galvanik.

Für diese n -Typ Solarzellen mit beidseitig gedruckten Kontakten haben wir auf großen Flächen bereits den weltweit besten Wirkungsgrad von 19,3 % erreicht (monokristallines Si, 144 cm ² , V _oc = 640 mV, J _sc = 37,7 mA/cm ² ). Darüberhinaus konnten wir für kleine Zellen (4 cm ² ) mit einem photolithographisch definierten Kontaktgitter und einer zusätzlichen Passivierungsschicht aus Al ₂ O ₃ auf der Emitteroberfläche einen Wirkungsgrad von über 20 % erzielen und so das große Potenzial dieser Al- p ⁺ Emitter demonstrieren.

Bei der Weiterentwicklung von Solarzellen werden in zunehmendem Maße neue Konzepte zur Wirkungsgradsteigerung und Kostenreduzierung untersucht. Solche Konzepte sind oft komplex und weisen eine Vielzahl von Prozessschritten auf. Die numerische Modellierung, sowohl der Herstellungsprozesse als auch der fertigen Solarzelle, bietet hierbei den entscheidenden Schlüssel zur Verringerung der so genannten »Time to market«, da sie die Anzahl der notwendigen experimentellen Versuche drastisch verringern kann.

Bauelement-Simulation

Das Fraunhofer ISE verfügt über umfangreiche Erfahrung in der eindimensionalen Modellierung mit dem Solarzellensimulator »PC1D«. Damit ist die Ermittlung der leistungslimitierenden Faktoren einer Solarzelle häufig bereits durch eine simultane Anpassung an die Quantenausbeute und die Strom-Spannungs-Kennlinie möglich.

Komplexe Solarzellenstrukturen lassen sich jedoch nicht mehr so einfach eindimensional oder sogar analytisch beschreiben. Beispielsweise können mehrdimensionale Eigenschaften, wie Punktkontakte oder »Wrap-through« Emitter, nur mit zwei- bzw.und dreidimensionalen Simulationswerkzeugen exakt untersucht werden. Hierfür benutzen wir mit langjähriger Erfahrung die Halbleitersimulationsumgebung »Sentaurus TCAD« zur Untersuchung der elektronischen Eigenschaften. Die Verwendung des komplexen Simulationsprogramms ermöglicht nicht nur die Modellierung komplexer Solarzellenstrukturen, sondern insbesondere auch die korrekte Beschreibung und Analyse von hochdotierten Randschichten.

Für die elektrische Modellierung dient das Ergebnis einer in der Regel dreidimensionalen optischen Simulation als Eingangsgröße. Eine stetige Erweiterung der Modelle in enger Zusammenarbeit mit Technologen am Institut sorgt dafür, dass auch neuartige Solarzellenkonzepte beschrieben und einer Verlustanalyse unterzogen werden können.

Prozess-Simulation

Die Simulation der Diffusion von Dotierstoffen ist aus technologischer Sicht von hohem Interesse. Hierfür wurden am Fraunhofer ISE Modelle mit Hilfe von »Sentaurus TCAD« entwickelt. Die Simulationen ermöglichen es Prozessbedingungen für ein gewünschtes Dotierstoffprofil auch bei mehrstufigen Diffusionsprozessen schneller zu finden. Das Diffusions- und das Getterverhalten von metallischen Verunreinigungen, von der Kristallisation bis zur fertigen Solarzelle, werden numerisch untersucht und zur Optimierung der Prozessführungen herangezogen. Eine weitere wichtige Voraussetzung ist hierbei die Kenntnis der Materialeigenschaften , die ständig mit den entsprechenden Arbeitsgruppen am Fraunhofer ISE weiter vertieft wird. Die Modelle können sowohl untereinander als auch mit den Bauelement-Simulationen kombiniert werden.

Die Simulationsaktiväten am Fraunhofer ISE umfassen zudem spezielle Solarzellenprozesse, wie etwa die Dotierung mit Hilfe eines Lasers. Für diesen Prozess lassen sich sowohl das laserinduzierte Aufschmelzen als auch die Dotierstoffdiffusion in der Schmelze simulieren und so Laserparameter optimieren.

Forschungsschwerpunkte :

• Analyse, Evaluation und Bewertung neuartiger Solarzellenkonzepte

• Vorhersage von Dotierstoffdiffusionsprofilen

• Optimierung der Hochtemperaturprozesse bezüglich der Verteilung von Verunreinigungen

• Optimierung von Laserdotierprozessen

• Vertiefung des physikalischen Verständnisses von Solarzellen und Ermittlung der limitierenden Faktoren

Unser Hauptziel ist die Entwicklung von neuen hocheffizienten Zellstrukturen und deren Transfer vom Labor in die industrielle Fabrikation. Hohe Wirkungsgrade werden immer wichtiger, da der Siliciumwafer einen hohen Kostenanteil im fertigen Modul einnimmt und deshalb optimal genutzt werden sollte.
Ein detailliertes Verständnis der Physik von Solarzellen (mehrdimensionale Bauteilesimulation) und die Fähigkeit, ein breites Spektrum von verschiedenen hocheffizienten Zelltypen herzustellen, bildet die Grundlage unserer Arbeit. So war es uns möglich, Solarzellen mit sehr hohen Wirkungsgraden, wie zum Beispiel die Weltrekordzelle aus multikristallinem Silicium auf n-Typ Silicium, herzustellen.

• Entwicklung und Optimierung hocheffizienter Solarzellenstrukturen
• Entwicklung, Evaluation und Optimierung von Einzellprozessen

Labore und Ausstattung

• 3 Diffusionsöfen (Oxidation (feucht und trocken), Phosphor- und Bordiffusion)
• Nasschemiebänke (Ätzen und Reinigen)
• Automatisierte und manuelle Photolackbearbeitungsmodule (Belacken und Entwickeln)
• Automatisierter Photolackbelichter (Maskaligner)
• Atomic Layer Deposition (PECVD) zur Abscheidung von z.B. Al ₂ 0 ₃
• PECVD Cluster Anlage zur Herstellung hocheffizienter a-Si / c-Si Heterosolarzellen
• 3 Metallaufdampfapparaturen (Al, Ti, Pd, Ag, Elektronenstrahlkanone und thermische Verdampfung)
• 1 Ausheilofen
• Halbautomatisierte Galvanisierungseinheit

Das Photovoltaik Technologie Evaluationscenter PV-TEC am Fraunhofer ISE wurde mit Hilfe des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) aufgebaut um die Lücke zwischen Laborforschung und industrieller Anwendung zu schließen. In diesem Großlabor stehen modernste Prozess- und Charakterisierungsgeräte für die Entwicklung von Siliciumsolarzellen zur Verfügung.

Das PV-TEC fokussiert sich auf folgende Kernthemen im Bereich der Produktionstechnologie und Messtechnik für kristalline Siliciumsolarzellen:

• Evaluation und Entwicklung von Herstellungsprozessen und Prozesstechnologiekomponenten
• Entwicklung und Fertigung von fortgeschrittenen industriellen Solarzellenstrukturen
• Charakterisierung und Entwicklung von Materialien und Solarzellen
• Schulung und Training für PV-Technologie
• Prozesstransfer mit Vor-Ort-Unterstützung
• Ökonomische Kostenstudien

Das PV-TEC bedient Unternehmen aus allen Bereichen der PV-Wertschöpfungskette:

• Solarzellenhersteller / Modulhersteller
• Anlagenhersteller
• Materialhersteller (Silicium und Prozessmaterialien)

Standardprozess

Am Fraunhofer ISE arbeiten wir an der Weiterentwicklung des Standardprozesses der Solarzellenherstellung und fügen Verbesserungen ein, wie beispielsweise selektive Emitter oder Feinlinienkontakte. Hierdurch ist sichergestellt, dass im PV-TEC ein hochwertiger kontinuierlich optimierter Baselineprozess zur Verfügung steht, welcher die Referenz für die Prozessentwicklungen darstellt. Durch die Standardisierung der Waferformate ist das PV-TEC in der Lage auch teilprozessierte Solarzellen abschließend zu prozessieren. Es können die Formate 125x125 mm² , 156x156 mm² und 210x210 mm² durchgängig mit allen Prozesssystemen bearbeitet werden. Hierdurch kann Halbzeug für Materialtests gefertigt werden oder es können gezielt einzelne Fertigungsschritte ausgetauscht oder optimiert werden. Für die Prozessierung von Wafern anderer Formate, kontaktieren Sie uns bitte. Wir verfügen über verschiedene Adapter für die Carriersysteme oder können auch kleine Serien mit entsprechenden Anlagen durchführen.

Passivierte Rückseiten

Ein weiterer wichtiger Schritt zu höheren Effizienzen ist die Passivierung der Solarzellenrückseite. In diesem Bereich bietet das PV-TEC verschiedene Reinigungs- und Passivierungsverfahren für die Rückseite der Solarzelle an. Hierzu können thermische Oxide (trocken, feucht) aber auch PECVD-Schichten und Schichtsysteme (z.B. Aluminiumoxid/Siliciumnitrid) verwendet werden. Die Kontaktierung durch diese rückseitige Passivierung hindurch kann mittels der LFC (Laser Fired Contacts) durch Siebdruckschichten oder mittels PVD abgeschiedenen Schichten erfolgen.

Besonders für dünne Wafer (siehe Bild) ist die Passivierung von besonderer Bedeutung. Diese Solarzellen erreichen Wirkungsgrade deutlich über 18% (stabilisiert) auf industriellem Cz-Silicium. Im Reinraumbereich konnten mit dieser Technologie Wirkungsgrade von deutlich über 20% erreicht werden.

Solarzellenkonzepte / Rückseitenkontaktsolarzellen

Wir entwickeln in PV-TEC MWT (Metal Wrap Through) und EWT-Solarzellen (Emitter Wrap Through) sowie Solarzellen mit rückseitigem Emitter.

Methoden und Ausstattung