Ein Spezialgebiet der kristallinen Si-Solarzellen sind die kristallinen Si-Dünnschichtsolarzellen (KSD-Solarzellen). Sie haben das Potenzial, die positiven Eigenschaften von Wafer- und Dünnschichtsolarzellen miteinander zu verbinden: hoher Wirkungsgrad bei niedrigem Siliciumverbrauch.

Am Fraunhofer ISE verfolgen wir derzeit das »Waferäquivalent«-Konzept, bei der die KSD-Solarzellen größtenteils mit der hochentwickelten Prozesstechnologie für Wafersolarzellen hergestellt werden können. Unsere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten decken die gesamte Herstellungskette für Waferäquivalente ab: Entwicklung von Substraten aus low-cost Silicium und Keramik, angepasste funktionale Schichten z. B. aus Siliciumcarbid, Rekristallisation von Silicium, Siliciumabscheidung bzw. epitaxie und speziell an die Dünnschichtsolarzellen angepasste Solarzellenprozesse. Alle diese Themen werden sowohl auf ihre prinzipielle Funktionsweise hin getestet, als auch in Richtung Hochdurchsatz und niedrige Herstellkosten getrieben.

Dazu entwickeln wir nicht nur Technologie, sondern generieren Know-How und Patente, die zur Lizenzierung zur Verfügung stehen.

Die Abscheidung von kristallinen Siliciumschichten ist zentral für alle Dünnschichtkonzepte, die kristallines Silicium als photovoltaisch aktive Solarzellenschicht verwenden. Wir fokussieren uns seit langem auf das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung („CVD“ für engl. „chemical vapor deposition“) mit Chlorsilan als Silicium-Trägergas. Dieses Gas wird bei Temperaturen bis 1300°C in Wasserstoff chemisch zersetzt und bildet bei richtiger Prozessführung eine hochwertige Siliciumschicht. Die ein bis einige zehn Mikrometer dicken Schichten haben mehrere Anwendungen: als polykristalline „Keimschicht“ zum Rekristallisieren, als epitaktisch gewachsene Basis oder epitaktische Emitterschicht für Dünnschichtsolarzellen, aber auch für Standard-Wafersolarzellen.

Neben der Abscheidung beherrschen wir auch das „CVE“ genannte chemische Ätzen von Silicium mit HCl-Gas und untersuchen externes Gettern von Verunreinigungen mit HCl-Gas.
Der dem Abscheideprozess zugrunde liegende Prozess ist aus der Mikroelektronik wohlbekannt. Für die Photovoltaik muss dieser aber radikal angepasst werden: statt höchstreinen, fehlerfreien Schichten braucht die Photovoltaik mehr als 100-fach höhere Durchsätze, toleriert dafür aber auch mehr Schichtfehler. Unsere Forschung richtet sich direkt auf diesen Anpassungsprozess aus.

Forschungsschwerpunkte:

• Low-cost Siliciumwafer aus hochdotiertem umg-Si
• Epitaxiefähige Reflektoren
• In-line Epitaxie für p-Typ und n-Typ c-Si Dünnschichtsolarzellen
• Epitaktische Emitter für Wafersolarzellen (p-Typ und n-Typ)
• Solarzellenprozesse für c-Si Dünnschichtsolarzellen (Textur, Metallisierung, Passivierung)
• Entwicklung von Labor- und Hochdurchsatzreaktoren für Siliciumepitaxie

Labore und Ausstattung:

• Labor-Epitaxiereaktoren (RTCVD100 / RTCVD160)
• Hochdurchsatz-Epitaxiereaktoren (ConCVD / ProConCVD im SIMTEC)
• Mehrere Nasschemielabore zur Vorbereitung der Substrate
• Spreading-Resistance-Profiling Anlage zur Bestimmung der Dotierprofile
• Reinraum-Solarzellenprozess-Linie für Solarzellen bis 125x125 mm ²
• Multicore-Simulationsrechner für FLUENT Simulationen

Seit mehr als 15 Jahren wird in unserer Gruppe das Thema kristalline Si-Dünnschichtsolarzellen auf Fremdsubstraten untersucht. In dieser Zeit konnte umfassendes know-how im Bereich Substratmaterialien wie z.B. Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Zirkonsilikat, Graphit oder Tantaloxid sowie den Herstellungsmethoden derselben (gießen, pressen,...) aufgebaut werden.

In erster Linie wurde jedoch an der Entwicklung geeigneter Anlagen zur Abscheidung und Rekristallisation von Siliciumschichten gearbeitet. So verfügen wir heute über eine Hochdurchsatz-Atmosphärendruck-Gasphasenabscheideanlage sowie über eine kontinuierliche Zonenrekristallisationsanlage (ZMR400con).

Die Herstellung von Solarzellen aus den dünnen kristallinen Siliciumschichten (<30µm) hat uns zu den unterschiedlichsten Konzepten geführt, beginnend mit dem Rekristallisierten Wafer Äquivalent (RexWE) bis hin zu Superstratlösungen. Der höchste bisher erzielte Wirkungsgrad für c-Si-Dünnschichtsolarzellen beträgt 13,5%.

Forschungsschwerpunkte:

• Substratreinigung
• Verkapselung und Beschichtung
• Zonenschmelzen
• Solarzellen- und Modulkonzepte

Labore und Ausstattung:

• Optisch geheizte Öfen
• Labor-Zonenschmelzanlage (ZMR100)
• Inline-Zonenschmelzanlage (ZMR400con)

Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von amorphem (a-Si:H) und mikrokristallinem (µc-Si:H) Silicium sind eine kostengünstige Alternative zu den konventionellen Solarzellen bzw. Modulen. Am Markt vorhanden sind Silicium-basierte amorphe Einfach-, Tandem- und Triplezellen sowie die sogenannten »micromorphen« Zellen zu finden. Bei diesen handelt es sich um a-Si:H/µc-Si:H Stapelzellen. Für jeden Zelltyp gibt es aber noch erheblichen Forschungsbedarf vor allem in Hinblick auf Wirkungsgradsteigerung und Reduktion der Herstellungskosten.

Forschungsschwerpunkte:

• Abscheidung von device quality amorphen und mikrokristallinen Schichten
• Passivierung von Oberflächen mittels amorpher und mikrokristalliner Schichten
• Silicium-Stapelzellen
• Alternative Dotierstoffquellen
• Verwendung höherer Frequenzen

Labore und Ausstattung:

• 1-Kammer PECVD-System zur Abscheidung von amorphen Siliciumschichten für Substratgrößen bis 30 cm x 30 cm
• Industrielle 3-Kammer-PECVD-Anlage für Substratgrößen bis 30 cm x 30 cm für die Abscheidung von amorphen und mikrokristallinen Siliciumschichten (ab 2010)
• RIE-Plasmaätzer für Strukturierung
• TCO-Sputteranlage
• Aufdampfanlage
• Spektrometer zur Messung von Transmission, Reflexion und Absorption
• Ellipsometer zur ortsaufgelösten Messung von Brechungsindex und Schichtdicke
• Haze-Messplatz
• Messplatz zur Bestimmung von Hell- und Dunkelleitfähigkeiten
• TLM-Messplatz
• Messplatz zur Bestimmung der Defektdichte in intrinsischem amorphen Silicium (CPM)
• Messplatz zur Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit von Einfach- und Tandemzellen
• Messplatz für Hell- und Dunkelkennlinien von Einfach- und Tandemzellen
• Degradationsmessplatz