Silicium-Material, Zellen und Module

Die Charakterisierung von Silicium-Material, Zellen und Modulen begleitet die technologischen Arbeiten am Institut. Das Fraunhofer ISE greift hierzu auf eine langjährige Erfahrung in Messtechnikentwicklung, Simulation und präzisen Messverfahren zurück.
Das CalLab PV Cells am Fraunhofer ISE bietet die Vermessung und Kalibrierung von Solarzellen verschiedenster PV-Technologien an. Es ist Referenz für Forschung und Industrie und nach ISO/IEC 17025 als Kalibrierlabor beim Deutschen Kalibrierdienst DKD akkreditiert.
Wir entwickeln moderne Verfahren zur Inline-Messtechnik und Qualitätssicherung zur Analyse von Siliciumwafern, Solarzellenvorläufern und Solarzellen. Ein Schwerpunkt ist die Silicium-Materialanalyse und –qualifizierung , bei der wirkungsgradlimitierende Eigenschaften kristalliner Siliciumwafer (z.B. monokristallin, multikristallin, bandgezogene Materialien) aus unterschiedlichen Feedstock-Materialien bestimmt und analysiert werden.
Wir haben weitreichende Erfahrung bei der Solarzellenanalyse und –qualifizierung . Hierzu zählt die Messung relevanter Solarzellenparameter, die Entwicklung neuer Analyseverfahren mit hoher Ortsauflösung sowie die Simulation von Solarzell-Prozessen und –strukturen.
Eine gut ausgestattete Nasschemieanalytik unterstützt die Arbeiten zu Prozessen und Materialuntersuchungen.

Nasschemische Prozesse für die Herstellung von Solarzellen bedürfen einer genauen Prozesskontrolle, um kontinuierlich optimale Prozessergebnisse zu garantieren und den Chemikalienverbrauch zu minimieren. Hierfür wurden am Fraunhofer ISE verschiedene volumetrische, chromatographische und spektroskopische Verfahren zur automatisierten Konzentrationsbestimmung in chemischen Prozessbädern entwickelt. Die erhaltenen Informationen werden für die Weiterentwicklung der Prozesse verwendet.

Das Prozessergebnis ist von den Konzentrationen der eingesetzten Chemikalien abhängig. Diese werden während des Prozesses aber kontinuierlich verbraucht, während Reaktionsprodukte sich in der Prozesslösung anreichern. Eine optimale Prozessführung erfordert daher eine genaue Kenntnis der vorliegenden Konzentrationen. Bei der Auswahl geeigneter analytischer Verfahren sind neben einer hinreichenden Präzision auch Automatisierbarkeit, Investition und laufende Kosten zu berücksichtigen.
In unserem Photovoltaik-Technologie Evaluationscenter (PV-TEC) werden verschiedene Verfahren hinsichtlich ihrer Tauglichkeit für die Prozesskontrolle unter industriellen Bedingungen getestet. Titration und Ionenchromatographie werden für die automatisierte Bestimmung der Badkomponenten in sauren Texturbädern eingesetzt. Die Analyse der alkalischen Texturbäder wird mit Hilfe einer Säure-Base-Titration in Kombination mit der Messung der Grenzflächenspannung realisiert.
Ein besonderes Augenmerk wird auf die Verwendung der Nah-Infrarot (NIR) Spektroskopie gelegt. Durch Entwicklung einer angepassten Kalibriermethode konnte eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung für dieses sehr schnelle und kostengünstige Messverfahren nachgewiesen werden.

Methoden und Ausstattung:

Zur nasschemischen Analyse verfügen wir insbesondere über folgende apparative Möglichkeiten:

Inline:

• Nahinfrarot (NIR) und UV-ViS-Spektroskopie
• Ionenchromatographie
• Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie (HPLC)
• Oberflächenspannung

Offline:

• Titration
• Ionenchromatographie
• Atomabsorptionsspektroskopie (AAS)
• Optische Emissionspektroskopie (ICP-OES)
• Voltammetrie

Die Materialqualität des für Solarzellen eingesetzten Siliciums hängt stark ab vom verwendeten Feedstock und Kristallisationsprozess. Das Fraunhofer ISE erstellt detaillierte Analysen der wirkungsgradlimitierenden elektrischen Eigenschaften, im Hinblick auf maximal erreichbaren Wirkungsgrad, Rekombinationslebensdauer, Verunreinigungsgehalte und kristallographische Struktur.
Die Materialqualität kann in Abhängigkeit von Blockhöhe, Prozesstemperaturen und Getterschritten bestimmt werden. Wir entwickeln und simulieren angepasste Prozesse zur Materialverbesserung und analysieren alle waferbasierten Siliciummaterialien wie mono- und multikristallines Silicium, Silicium aus alternativem Feedstock (insb. umg-Silicium, kompensiertes Silicium) und bandgezogenes Material.

Für die Analysen stehen am Fraunhofer ISE zwei Hauptrouten zur Verfügung:

• Wafer- und Zellanalyse im industriellen Maßstab mit größeren Stückzahlen in der Forschungslinie PV-TEC
• Reinraumprozessierung, kombiniert mit grundlegender und fortgeschrittener Materialcharakterisierung.

Die erste Route verbindet schnelle Inline- und Offline-Charakterisierung von Wafern und Solarzellen mit industriekompatiblen Prozessen auf großen Stückzahlen, um Materialqualität und Wirkungsgradpotenzial mit ausreichender Statistik zu bestimmen. Die zweite Route ermöglicht einen tieferen Einblick in die wirkungsgradbegrenzenden Materialdefekte durch fortgeschrittene Materialcharakterisierung und Hocheffizienz-Zellprozessierung zur Abschätzung des maximalen Wirkungsgradpotenzials.
Weitere Forschungsschwerpunkte sind Untersuchungen zur Cz-Degradation, zu Materialeigenschaften in kompensiertem Material, zur chemischen Materialanalyse und zum Präzipitationsverhalten von metallischen Verunreinigungen mit mehrdimensionalen Simulationen und Experimenten an Synchrotronquellen.

• Eingangskontrolle (Geometrie, Ausbrüche, Dickentopographie)
• Analyse von Mikrorissen, Ausscheidungen
• Basiswiderstand
• Lebensdauermessung

• Photolumineszenz-Imaging: (Versetzungsdichten am as-cut Wafer, Lebensdauer, Eisenverteilung)
• Elektrolumineszenz-Imaging
• Lumineszenzspektroskopie (PL/EL)
• Versetzungsdichteanalyse (EPD)
• REM-Analyse: Kristallorientierung und Korngrenzen-Klassifizierung (EBSD), Rekombinationsaktivität (EBIC), Chemische Zusammensetzung (EDX), Lumineszenz (CL)
• Thermographie-Imaging: Shuntanalyse, Lebensdauermessung, Haftstellenanalyse
• Fourierspektroskopie: Sauerstoff- /Kohlenstoffanalyse
• Hall-Messungen
• Chemische Analyse auf Metalle und Dotierstoffe (ICP-OES, AAS)
• Simulation von Temperaturprozessen mit Sentaurus

Angesichts der rasant wachsenden Produktionskapazitäten und der immer effizienter werdenden Zellkonzepte und -prozesse gewinnt die Qualitätssicherung in der Solarzellenfertigung zunehmend an Bedeutung und wird international zum wettbewerbsbestimmenden Faktor. Aufgrund des hohen Automatisierungsgrades und des steigenden Durchsatzes der Fertigungslinien erfordert eine effiziente Qualitätskontrolle schnelle Inline-Messtechnik und leistungsfähige Systeme zur Datenerfassung und statistischen Datenauswertung.

Am Fraunhofer ISE testen wir in unserem Photovoltaik-Technologie Evaluationscenter (PV-TEC) verschiedenste Inline-Messverfahren hinsichtlich Ihrer Tauglichkeit für die Qualitäts- und Prozesskontrolle unter industriellen Bedingungen. Mit den vorhandenen Methoden sind wir in der Lage, alle wesentlichen Qualitätsparameter an Ausgangswafern, Solarzellenvorläufern und fertigen Solarzellen zu messen und durch ein System der Waferverfolgung waferfein zuzuordnen. Dies ermöglicht einerseits eine effiziente Kontrolle der Einzelprozesse und andererseits die Bereitstellung umfassender QC-Datensätze zu durchgeführten Experimenten. Durch die direkte Ankopplung eines Charakterisierungslabors an die Fertigungslinie ist es zudem möglich, für Detailanalysen Stichproben prozessbegleitend mit unterschiedlichsten Offline-Messverfahren zu vermessen.

Neben der Qualitätssicherung für den Forschungsbetrieb im PV-TEC, gliedert sich unsere Forschung in drei Teilbereiche:

Messtechnik-Evaluation
Das PV-TEC bietet hervorragende Rahmenbedingungen, um neue Messgeräte von Herstellern für den Einsatz in der Photovoltaikindustrie zu qualifizieren. Es können Testproben jeder Ausprägung hergestellt werden, so dass das im Feld auftretende Probenspektrum in voller Breite in die Messtauglichkeitsprüfung einbezogen werden kann. Zur Ermittlung der Messgenauigkeit steht eine Vielzahl von Referenzmethoden zur Verfügung. Um die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit zu ermitteln, können Inline-Messsysteme zudem temporär in Messautomaten integriert werden und so unter industriellen Bedingungen getestet werden. Somit können Probleme effizient identifiziert und gemeinsam mit dem Hersteller beseitigt werden.

Messtechnik-Entwicklung
In verschiedenen Segmenten entwickeln wir am Fraunhofer ISE selbst oder mit Partnern Messtechnik und Methoden. Beispiele sind u.a.:

• Photo- und Elektrolumineszenz-Imaging
  Aufnahmen der Elektro- und Photolumineszenz sind wegen der geringen Messzeit und der Möglichkeit unterschiedliche Zellparameter ortsaufgelöst bestimmen zu können von sehr großem Interesse für die 100%-Kontrolle in der Produktion. Wesentliches Problem für den industriellen Einsatz ist jedoch die Mehrdeutigkeit der Bildinformation. Neben der Messtechnik an sich werden am Fraunhofer ISE Methoden zur industriellen Charakterisierung von Wafern und Solarzellen entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung (i) von inline-fähigen Aufnahmeverfahren zur Kontrasttrennung und quantitativen Bestimmung physikalischer Parameter und (ii) von Bewertungsalgorithmen zur automatisierten Erkennung von Prozess- und Materialfehlern.
• Verfahren der Waferidentifikation
  Die Einzelwaferverfolgung ist in Forschungslinien aufgrund der hohen Produktvielfalt zwingend erforderlich, gewinnt aber auch in der Massenfertigung aufgrund des erwartet tieferen Einblicks in die Prozesszusammenhänge an Bedeutung. Da ein rein logistisches Wafertracking begrenzt robust ist, entwickeln wir am Fraunhofer ISE Markierungsverfahren und untersuchen Erkennungssysteme auf Ihre Zuverlässigkeit in Abhängigkeit von der verwendeten Codestruktur.
• Messblöcke für Rückseitenkontakt-Solarzellen
  Ein wesentliches Strukturelement hocheffizienter Solarzellenkonzepte sind die rückseitig liegenden Kontaktstrukturen zur Stromabführung. Die elektrische Vermessung derartiger Solarzellen erfordert einseitig kontaktierende Messblöcke. Am Fraunhofer ISE werden geeignete Messblockkonzepte entwickelt und nach Kundenanforderungen realisiert.

Konzepte der Produktionskontrolle
Aus produktionstechnischer Sicht stellen Forschungslinien wie die PV-TEC Linie mit ihrer hohen Produktvielfalt und den vergleichsweise geringen Losgrößen besondere Anforderungen an ein zentrales Leitsystem. So muss es z.B. möglich sein, komplexe Versuchspläne mit hoher Variationstiefe zu definieren (Auftragsplanung) und in einem automatisierten Fertigungsprozess umzusetzen (Auftragsdurchführung). Darüber hinaus muss die Vielzahl an Produktvarianten auch bei der statistischen Datenanalyse bzw. bei der Prozess- und Anlagenüberwachung berücksichtigt werden. Aufgrund des Zuschnitts für die Massenfertigung sind diese Anforderungen in herkömmlichen Produkten nur unzureichend abgebildet. Am Fraunhofer ISE entwickeln wir daher innovative Konzepte für einen effizienten Betrieb von Forschungslinien bis hin zu eigenständigen Software-Modulen und erproben diese im Zusammenspiel mit einem kommerziellen Prozess- und Produktionskontrollsystem.

Methoden und Ausstattung

Veröffentlichungen zum Thema Inline-Messtechnik und Qualitätssicherung

Das CalLab PV Cells am Fraunhofer ISE bietet die Vermessung/Kalibrierung von Solarzellen verschiedenster PV-Technologien an und arbeitet national und international mit Firmen und Instituten an der Entwicklung präziser Messungen für neue Technologien. Das CalLab PV Cells zählt zu den weltweit führenden Photovoltaik-Kalibrierlaboren. Das Kalibrierlabor ist Referenz für Forschung und Industrie, Solarzellenhersteller lassen ihre Referenzsolarzellen für die Produktion nach internationalen Standards bei uns kalibrieren.

Das CalLab PV Cells ist gemäß ISO/IEC 17025 als Kalibrierlabor für die Solarzellenkalibrierung beim Deutschen Kalibrierdienst DKD akkreditiert. In Kooperation mit PV-Herstellern und mit Unterstützung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie der EU arbeiten wir an der kontinuierlichen Verbesserung der Messunsicherheiten und der Entwicklung neuer Messverfahren.
Um die Vergleichbarkeit von verschiedenen Solarzellentechnologien zu gewährleisten, wird nun verstärkt an der Entwicklung von Messverfahren für neuartige Solarzellen gearbeitet. Dabei stehen Dünnschicht- und Organische Solarzellentechnologien im Vordergrund. Eine besondere Herausforderung stellen Mehrfach-Zellstrukturen dar. Hier können wir vorteilhaft unsere Erfahrungen mit der Kalibrierung von Mehrfachsolarzellen für Weltraum- und terrestrische Konzentratoranwendungen einbringen.

Zur fortgeschrittenen Material- und Zellanalyse entwickeln wir Methoden zur detaillierten Charakterisierung. Neben präzisen ortsaufgelösten Methoden zur Bestimmung der Ladungsträger-Lebensdauer sind dies unter anderem Methoden zur Verteilung der interstitiellen Eisenkonzentration und hochauflösende Lumineszenzspektroskopie zur Messung von metallischen Präzipitaten, Spannungen und elektrischer Materialqualität.