Einer der effizientesten Wege, die Kosten der photovoltaischen Stromerzeugung zu reduzieren, ist die Erhöhung des Wirkungsgrades 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.
Neben der Weiterentwicklung der vorherrschenden Standard-Siebdruckzelle und der Entwicklung neuartiger Solarzellenkonzepte kommt der Entwicklung der einzelnen Prozesse und deren Umsetzung in Produktionsanlagen eine entscheidende Aufgabe für die Kostensenkung in der Photovoltaik zu. Die Prozessentwicklung beinhaltet die Verbindung aus den physikalischen Prozessbedingungen, wie Temperatur, Druck und den eingesetzten Materialien.

Am Fraunhofer ISE können wir für die Entwicklung der Technologien den ganzen Bereich vom Proof-of-Concept, d.h. der ersten erfolgreichen Durchführung im Labor, bis zum Proof-of-Feasibility von Prototypen in unserer Pilotlinie am PV-TEC abbilden. Darüber hinaus begleiten wir die Umsetzung der Prozesse auch bis zum unmittelbaren Transfer in die industriellen Produktionslinien . Für die Verfahren führen wir nach Bedarf auch eine Technologiebewertung durch, um Verfahrensalternativen fundiert priorisieren zu können. Im Fokus der Untersuchungen am Fraunhofer ISE stehen dabei die folgenden Technologiebereiche:

Sowohl die Diffusion als auch die Oxidation bilden zentrale Hochtemperaturprozesse bei der Solarzellenherstellung. Das Fraunhofer ISE verfügt über umfangreiche Erfahrung bei der Entwicklung von hocheffizienten Solarzellen, der Fertigungstechnologie und der Übertragung der Prozesse auf Produktionsanlagen.

Diffusion

Es besteht die Möglichkeit verschiedene Dotierungen in Siliciumwafer einzubringen:

• Phosphor- und Bordiffusionen über Rohrofenprozessysteme
• Phoshordiffusion über Inlineprozessysteme einschliesslich der Deposition von verschiedenen Dotierstoffquellen (Sprühen, Drucken, Plasmaabscheidung)

Hiermit können verschiedene Funktionen in den Solarzellen erreicht werden:

• in p-Typ Wafern:
  Erzeugung von sehr rekombinatinonsarmen Emittern mittels Phosphordiffusion. Erzeugung von sogenannten Back-Surface-Field (BSF)-Dotierschichten für die Passivierung der Rückseite der Solarzelle
• in n-Typ Wafer:
  Ebenfalls Emitterbildung (in diesem Falle mittels einer Bordiffusion) oder auch Bildung von BSF-Schichten.
• Für Rückseitenkontaktsolarzellen können sogenannte Front-Surface-Field-Dotierungen gebildet werden, die äußerst geringe und stabile Rekombinationsraten erlauben.

In Verbindung mit verschiedenen Strukturierungsverfahren wie Photolithographie, Inkjetmaskierung, Laserbearbeitung und Siebdruck, können auch strukturierte Diffusionen erzeugt werden, um komplexe Solarzellenarchitekturen zu realisieren.

Oxidation

Die Einsatzmöglichkeiten von thermischen Oxiden sind sehr vielfältig:

• Passivierungsschicht für die Erzeugung von Oberflächen mit sehr geringen Rekombinationsraten. Hier kommen sowohl dünne (wenige Nanometer) als auch dicke Schichten (bis zu mehrere hundert Nanometer) zum Einsatz
• Diffusionsbarriere (>100-200 nm) zur strukturierten Ausbildung der dotierten Bereiche (kann mit dem Effekt der Passivierung gewinnbringend verknüpft werden)
• Maskierungsschicht gegenüber nasschemischen Prozessen, ebenfalls in Verbindung mit den obigen Funktionen (ebenfalls dicke Oxide)

Auch im Bereich der Oxidation kann auf verschiedene Prozessgeräte zurückgegriffen werden:

• Verschiedene Anlagen zur Oxidation in Rohröfen
  Hier können sowohl trockene (mit oder ohne DCE) als auch feuchte Oxidationprozesse durchgeführt werden. Im Bereich der Feuchtoxidation kann sowohl pyrolytische Wasserdampfgeneration als auch die Erzeugung von hochreinem Wasserdampf aus Di-Wasser direkt verglichen und angewendet werden.
• Oxidation in Inline-Anlagen
  Hiermit können in einem sehr einfachen Prozess dünne thermische Oxide generiert werden.

Für die Ausbildung hochwertiger Oxide sind besonders die vorgelagerten Reinigungsprozesse von großer Bedeutung. Hierzu wurden sehr effiziente Reinigungsprozesse sowohl in Labor- als auch im Produktionsmaßstab am Fraunhofer ISE eingerichtet.

Methoden und Ausstattung

Der Bereich der Drucktechnologie ist mit allen anderen Bereichen der Solarzellenherstellung sehr eng verknüpft. Es können unterschiedliche Medien mit verschiedenen Verfahren sowohl ganzflächig als auch in feinsten Strukturen verdruckt werden. Optische Alignierungssysteme erlauben das passgenaue Drucken von Strukturen auf den Wafern beispielsweise zur Herstellung von ineinandergreifenden Kontaktstrukturen oder selektiven Emittern. Umfangreiche Charakterisierungsmöglichkeiten erlauben eine quantitative Bewertung der Prozessergebnisse.

Drucken von Metallpasten und Tinten

Zum Verdrucken von Metallpasten können verschiedene Systeme verwendet werden. Zum einen stehen vollautomatische Produktionsanlagen zur Verfügung, zum anderen können manuell bedienbare hochflexible Systeme verwendet werden.
Wir verdrucken:

• Metallisierungspasten für Solarzellen (Ag, AgAl, Al, Ni, Cu)
• Viafillpasten z.B. für MWT Solarzellen
• Leitfähige Kleber
• Lotpasten

Zum Trocknen und der eventuell anschließenden Temperaturbehandlung stehen verschiedene Öfen zur Verfügung (Durchlaufanlagen oder spezielle Einzelwaferanlagen).

Drucken von nichtmetallischen Pastensystemen

Für verschiedene Prozesse ist das Verdrucken von nichtmetallischen Medien interessant. Beispielsweise können damit Maskierungen geschaffen werden um nachfolgende Bearbeitungsprozesse lokal auszuführen.
Wir verdrucken:

• Organische Lacke und Lötstoppsysteme
• Hotmeltwachse (mit Inkjet)
• Diffusionsbarrieren
• Diffusionsquellen
• Ätzpasten

Entwicklung von Tinten/Pasten

In einem Chemielabor können Tinten und Pasten entwickelt, getestet und optimiert werden. Es besteht dabei die Möglichkeit Tinten völlig neu zu entwickeln oder bestehende Tinten/Pasten zu modifizieren. Im Vordergrund steht dabei die Entwicklung von Metalltinten/pasten mit dem Anspruch die Kontakteigenschaften zu verbessern. Jede neu synthetisierte Tinte/Paste wird dabei auf Solarzellen getestet und die Kontakteigenschaften können im Detail evaluiert werden.

Siebdruckvorstufe

Es besteht die Möglichkeit die Siebe am Fraunhofer ISE zu beschichten, entweder mit einem Polymerfilm, oder mit Flüssigemulsion.
Die komplette Siebvorstufe erlaubt auch das Belichten und Auswaschen der Siebe vor Ort, wozu ein Gelbraum zur Verfügung steht. Hierdurch können unter kontrollierten Bedingungen sehr feine Strukturen belichtet werden und es besteht die Möglichkeit, die Schichtdicken auf den Sieben genau vorzugeben und sehr flexibel anzupassen. Selbstverständlich können auch die entsprechenden CAD Dateien erzeugt werden um die Belichtungsfilme anzufertigen. Dies erlaubt beispielsweise die Variation der Kontaktstrukturen oder die Realisierung komplexerer Strukturen, wie sie für Rückseitenkontaktsolarzellen benötigt werden.

Methoden und Ausstattung

Galvanische Verfahren werden eingesetzt, um eine Vielzahl von Metallen als Schichten abzuscheiden. Der Vorteil dieser seit Jahrzehnten in vielen Bereichen außerhalb und innerhalb der Photovoltaik verwendeten Technik liegt in der Einfachheit der Prozesse und der hohen Qualität der abgeschiedenen Metallschichten. Am Fraunhofer ISE werden seit ca. 20 Jahren Solarzellen mit galvanisierten Kontakten prozessiert. Im Mittelpunkt unserer aktuellen Entwicklungsarbeit stehen sowohl die Prozessentwicklung als auch die Optimierung von Galvanikanlagen und -bädern vom Labormaßstab bis in die industrielle Umsetzung. Eine besondere Rolle spielt dabei die Nutzung verschiedener positiver Effekte, die sich aus der Eigenschaft der Solarzelle als Stromquelle bei Beleuchtung ergeben (lichtinduzierte bzw. lichtunterstützte Galvanik).

Eine Anwendung ist die galvanische Verstärkung von vorprozessierten Metallkontakten (Saatschichten), z.B. von gedruckten oder aufgedampften Vorderseitenkontakten. Die Aufgabe der Galvanik ist es, hierbei die Leitfähigkeit der Kontakte zu verbessern, indem zusätzlich Silber bzw. Kupfer galvanisch abgeschieden werden. Aufgrund der hohen Leitfähigkeit der galvanisch abgeschiedenen Metallschicht sinken der Materialbedarf und damit die Kosten für die Solarzellenproduktion.
Eine weitere Anwendung ist die direkte galvanische Abscheidung von Metallen auf Silicium. Ein Metall, an dem derzeit intensiv geforscht wird, ist Nickel, da es sowohl als Kontaktmaterial zum Silicium als auch als Diffusionsbarriere für Kupfer zwei wichtige Funktionen erfüllt.

Forschungsschwerpunkte:

• Galvanisches Verstärken von Saatschichten mit Silber und Kupfer (Optimierung der Anlagen, Prozesse und der verwendeten Chemikalien).
• Galvanisches Abscheiden von Nickel direkt auf Silicium als Kontaktschicht und auf Saatschichten als Diffusionsbarriere.
• Untersuchen von Diffusionsbarrieren für Kupfer.

Labore und Ausstattung:

• 2 automatisierte In-line Galvanikanlagen im industriellen Maßstab für die Abscheidung von Silber und Kupfer. Beide Anlagen sind sowohl für lichtinduzierte Galvanik als auch für klassische Galvanik geeignet.
• 5 F&E Laboranlagen für die Abscheidung von Cu, Ag, Ni, Sn mit verschiedensten galvanischen Prozessen.
• Charakterisierung: Elektrochemische Charakterisierung mit Voltammetrie (Mehrkanalpotentiostat), Röntgenfluoreszenz Messgerät (XRF) X-Strata 980 (Oxford Instruments) zur Bestimmung der Dicke der abgeschiedenen Metallschichten.
• 2 Messplätze zur Bestimmung der Leitfähigkeit und des Kontaktwiderstandes: 4-Spitzenmessplatz, automatisierter Kontaktwiderstandsmessplatz (TLM).
• Probenpräparation: Chipsäge, Querschleifer, Ionen-Polierer, SEM.

Der Einsatz von Laserverfahren stellt eine Schlüsseltechnologie für zukünftige Solarzellenkonzepte dar. Aufgrund der Berührungslosigkeit der Laserstrahlung sowie der Möglichkeit, lokal begrenzt und sehr flexibel arbeiten zu können, bieten sich verschiedene Laserprozesse besonders für die Fertigung von dünnen und ultradünnen Siliciumsolarzellen an. Darüber hinaus erlauben sie den Übertrag von komplexen Prozessroutinen aus den Laboren in relativ einfache Abläufe, welche für den kosteneffizienten industriellen Einsatz geeignet sind.

Als eine der führenden Einrichtungen im Bereich der Laseranwendung für die kristalline Silicium-Solarzellenfertigung wurden am Fraunhofer ISE in den vergangenen Jahren mehrere Laserprozesse entwickelt, die entweder eine deutliche Vereinfachung zum Stand der Technik oder aber eine signifikante Wirkungsgradsteigerung erlauben. Beispiele hierfür sind die Laserkantenisolation zur elektrischen Trennung der elektrischen Vorder- und Rückseitenkontakte sowie der „Laser-Fired Contacts“ Ansatz, welcher die industrielle Umsetzung der passivierten und lokal kontaktierten Solarzellen-Rückseite ermöglicht. Das Institut ist darüber hinaus Pionier beim laser-chemischen Prozessieren. Bei diesem Ansatz wird der Laserstrahl in einem laminaren Flüssigkeitsstrahl an den Einsatzort geleitet. Durch den Einsatz von Chemikalien im Flüssigkeitsstrahl kann darüber hinaus eine chemische Bearbeitung der Oberfläche erfolgen, wodurch eine zusätzliche Prozessbeeinflussung möglich ist.
Zur Entwicklung neuer Ideen und zur Umsetzung bestehender Konzepte stehen am Fraunhofer ISE eine Vielzahl von verschiedenen Anlagen und Geräten zur Verfügung.

Labore und Ausstattung

• Vollautomatisierte Prozessanlage:
  • Strahlführung: Portalachsensystem oder Galvanometerscanner (355 nm)
  • Laser: Coherent AVIA 355-X (P _av = 10 W, λ = 355 nm, τ _P ~ 30 ns), 2. Stellplatz
• Teilautomatisierte Prozessanlage:
  • Strahlführung: Portalachsensystem oder Galvanometerscanner (1030 nm)
  • Laser 1: Rofin Disc IC100 (P _av = 65 W, λ = 1030 nm, τ _P ~1 µs)
    Laser 2: Lumera SuperRapid, (P _av = 10/5/3 W, λ = 1064/532/355 nm, τ _P ~12 ps)
• Teilautomatisierte Prozessanlage:
  • Strahlführung: Galvanometerscanner (1064 / 532 nm)
  • Laser: Rofin 100 D (P _av = 40/15 W, λ = 1064/532 nm, τ _P ~50-100 ms)
• F&E Einrichtung / Anlage:
  • Strahlführung: Festoptik mit xyz-Tisch, Galvanometerscanner (1064/532/355 nm)
  • Laser: flexibel einsetzbar, Aufbau als optische Bank
• Prozessanlage Synova
• F&E Anlage Synova

Prozesse, Technologien und Konzepte

• Schneiden, Strukturieren, LFC, Markieren, Kantenisolation, Bohren, Dotieren, Ablatieren

Unter Laserdotieren versteht man die Erzeugung von lokalen n- oder p-diffundierten Gebieten durch Lasereinwirkung auf beliebige Dotierstoff-Precursorschichten oder direkt aus dotierstoffhaltigen Flüssigkeitsstrahlen. Dabei können die Dotierstoff-Precursorschichten auf verschiedene Arten hergestellt werden. Beispiele hierfür sind PECVD-abgeschiedene Dielektrika, aufgeschleuderte, aufgesprühte oder aufgedruckte Schichten oder das Phosphorsilicatglas aus der Rohrofendiffusion.

• Herstellung von selektiven Emittern: Verbesserung Kontaktwiderstand und Prozesstabilität bei der Metallisierung, allgemein Erhöhung des Zellwirkungsgrads durch separate Optimierung des Emitters
• Lokale Diffusion für Rückkontakte: Ermöglichung einer selektiven Dotierung unter lokalen Punktkontakten an der Solarzellen-Rückseite zur Verbesserung des Kontaktwiderstands.

• Kontaktöffnung: Lokale und selektive Ablation von Passivierungsschichten, um in einem nachfolgenden Metallisierungsschritt einen elektrischen Kontakt mit dem Emitter oder der Basis herstellen zu können.
• Öffnung Diffusionsbarriere: Eine selektive Öffnung in einer diffusionshemmenden Schicht ermöglicht die Herstellung von unterschiedlichen Diffusionsprofilen mit konventioneller, thermisch getriebener Diffusionstechnologie.
• Öffnung Ätzbarriere: Eine selektive Öffnung in einer chemisch resistenten Schicht ermöglicht das lokale Ätzen in konventionellen, nasschemischen oder plasmachemischen Prozessanlagen.
• Ablation von Lacken, um diese strukturierten Schichten direkt als Barrieren nutzen zu können / zur Ermöglichung von Lift-Off-Prozessen in der Metallisierung
• Ablation von dünnen Metallschichten zur elektrischen Isolation von unterschiedlichen Kontaktierungsbereichen

Nasschemische Verfahrenstechnik findet heutzutage vielfachen Einsatz innerhalb der Prozesskette zur Herstellung kristalliner Silicium-Solarzellen. Insbesondere die Texturierung, die Reinigung sowie die Entfernung dielektrischer Schichten stellen wichtige Prozessschritte dar. Am Fraunhofer ISE wird an allen bestehenden, sowie potentiell neuen Einsatzmöglichkeiten im Solarzellenprozess geforscht. Die Entwicklung erfolgt dabei sowohl grundlagenorientiert an Labornasschemiebänken als auch industrienah, an hochdurchsatzfähigen industriellen Nasschemieanlagen.

• Entwicklung und Optimierung alkalischer und saurer Texturierungsverfahren.
• Entwicklung und Optimierung von vereinfachten und industriell einsetzbaren Reinigungsverfahren
• Prozessentwicklung zur Oberflächenkonditionierung
• Einseitige Ätzverfahren zum Siliciumentfernen und Polieren
• Prozessanalytik
• Laseraktivierte chemische Verfahren zur Strukturierung, Dotierung und Ablation

• Ein- und mehrlagige Anti-Reflexionsschichten.
• Dotierstoffprecursoren
• Passivierungsschichten und –schichtsysteme (SiN _x , SiO _x , SiC _x , Al ₂ O ₃ )
• Barriereschichten

• Texturierung (Fluorchemie, HCl)
• Prozesse zum Konditionieren vor Passivierung und Emitterentfernen
• Strukturierung
• Selektives Entfernen von dielektrischen Schichten

• Optische Emissionsspektroskopie
• Massenspektroskopie
• Randschichtsonden und Gegenfeldanalysatoren

• Industrielle PECVD Inline-Beschichtungsanlagen (SINA XS und L der Firma Roth&Rau) zum Beschichten und Ätzen
• Laborplasmacluster zum Beschichten und Ätzen (Parallelplatten-Abscheidekammer + ECR-RIE Ätzreaktor)
• Laboranlagen AK 400 und AK 800 von Roth&Rau zur PECVD Beschichtung

Am Fraunhofer ISE wird fortlaufend an der Verbesserung der vorherrschenden Produktionstechnologien sowie der Entwicklung neuartiger Solarzellenkonzepte gearbeitet. Dabei können wir für die Entwicklung der Technologien den ganzen Bereich vom Proof-of-Concept, d.h. der ersten erfolgreichen Durchführung im Labor, bis zum Proof-of-Feasibility von Prototypen in unserer Pilotlinie am PV-TEC abbilden. Da die Entwicklung der einzelnen Prozesse und Prozesssequenzen zumeist bereits auf Anlagen mit industriellem Durchsatz erfolgt, kann ein schneller Transfer dieser Prozesstechnologien ermöglicht und gewährleistet werden. So konnte in der Vergangenheit beispielsweise die alkalische Texturierung monokristalliner Siliciumwafer erfolgreich bei mehreren Solarzellenherstellern in die Produktion eingeführt werden.

Die Unterstützung beim Transfer der Prozesstechnologie umfasst dabei neben der Spezifikation der jeweiligen Prozess- und Anlagenanforderungen auch eine Vorortunterstützung während der Prozessinbetriebnahme sowie falls gewünscht eine entsprechende Referenzprozessierung am Fraunhofer ISE.

Im Bereich der Optimierung ganzer Prozesslinien kann das Fraunhofer ISE folgende Leistungen anbieten:

• Identifikation und Analyse der den Wirkungsgrad limitierenden Prozessschritte
• Erarbeitung von Prozessplänen zur schrittweisen Verbesserung der Prozesslinie
• Vorort-Unterstützung bei der Umsetzung der Optimierungsversuche
• Cost-of-Ownership Abschätzung zusätzlicher Prozessoptionen

Die Verfahren der physikalische Gasphasenabscheidung (engl.: Physical Vapour Deposition, kurz PVD) setzen sich aus verschiedenen Beschichtungsmethoden zusammen. Beim Sputtern werden Teilchen durch Ionenbeschuss aus einem Target herausgeschlagen, während beim Verdampfen ein Substrat über seinen Siedepunkt hinaus aufgeheizt wird und somit abdampft. Beide Technologien können in der Solarzellenfertigung zu verschiedenen Zwecken eingesetzt werden.

• Das Sputtern von dielektrischen Schichten dient zur Herstellung von homogenen Antireflex- oder Passivierungsschichten. Dabei zeichnet sich das PVD-Verfahren durch eine hohe Flexibilität, gut skalierbare Homogenität und eine günstige Kostenbasis aus.
• Für die Metallisierung von Solarzellen steht sowohl das Sputtern als auch das Aufdampfen zur Verfügung. Letzteres hat sich in der Herstellung von hocheffizienten Zellstrukturen als Standard-Metallisierungstechnologie durchgesetzt.

Labore und Ausstattung:

• Produktions-Pilotanlage zum Sputtern von dielektrischen Schichten:
  • nomineller Durchsatz ca. 540 Wafer/h.
  • reaktives Sputtern möglich
• Produktions-Pilotanlage zum Aufdampfen und Sputtern von Metallen:
  • Aufdampfen von Aluminium
  • Sputtern von diversen Metallen (bspw. Ag, NiV, Ti, Al usw.)
• Laboranlage thermisches Aufdampfen:
  • Durchsatz ca. 8 Wafer / 4 h
  • verfügbare Metalle: Al, Ag, Ti, Pd
• Laboranlage Elektronenstrahlaufdampfen:
  • Durchsatz 16 Wafer / 4 h
  • verfügbare Metalle: Al, Ag, Ti, Pd

• Metallisierung von Solarzellen
• Galvanik-Saatschichten
• Lötschichten
• Dielektrische Schichten
• Diffusions- / Ätzbarrieren

Am Fraunhofer ISE wird eine Vielzahl von neuen Technologien und Prozessen entwickelt, um die Herstellung von Solarzellen in industriellem Maßstab schneller, besser und vor allem günstiger realisieren zu können. Die Entscheidung darüber, welcher Ansatz bevorzugt verfolgt werden soll, bedarf dabei neben einer wissenschaftlich fundierten Technologiebewertung auch eines detaillierten Wissens über die damit verbundenen Kosten. Eine grundlegende Kostenanalyse sowohl der aktuell gebräuchlichen Standardprozesse als auch diverser neuer Technologien und Prozessabläufe ist damit unabdingbar.