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Modellierung von Aluminium-Legierungsprozessen für Siliciumsolarzellen

Laufzeit: Oktober 2010 - September 2013
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Europäische Union im Rahmen des 7th Framework Progam
Kooperationspartner: Universität Konstanz, National Renewable Energy Centre (Narec) UK, École Polythechnique Fédérale de Lausanne, PSE AG, Q-Cells, ENI, Photovoltech, Mechatronik Systemtechnik GmbH
Projektfokus:
© Fraunhofer ISE

Rasterelektronenmikroskop (REM)-Querschnittsaufnahme eines Al-legierten Kontakts.

© Fraunhofer ISE

Dotierprofile zweier p+-Silicium-Bereiche, die unter Verwendung einer Al-Paste oder einer Al-Paste mit Bor-haltigen Additiven hergestellt wurden.

Die aktuell auf dem PV-Markt dominierenden Siliciumsolarzellen haben auf der Rückseite einen Metallkontakt aus einlegiertem Aluminium. Um die Rekombinationsverluste an derartigen Rückseitenkontakten weiter zu verringern und damit die Zelleffizienz zu steigern, ist ein tieferes Verständnis der Ausbildung und Wirkung dieser Kontaktstrukturen wesentlich. Das am Fraunhofer ISE erstellte Modell zur Beschreibung des Al-Legierungsprozesses ermöglicht nun, die elektrische Qualität solcher Kontakte unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren bei deren Herstellung vorherzusagen. Beim Übertrag in die Zellfertigung können dann die Prozessparameter für das Al-Legieren entsprechend angepasst werden, um eine bestmögliche Kontaktausbildung zu erzielen.

Bei der Fertigung von Siliciumsolarzellen wird heutzutage der rückseitige Metallkontakt standardmäßig mittels Siebdruck einer aluminiumhaltigen Paste hergestellt. Dabei wird in einem kurzen Hochtemperatur-Feuerschritt das Aluminium in die Silicium-Oberfläche einlegiert und der Kontakt ausgebildet. Es entsteht ein mehrere Mikrometer tiefer Al-dotierter p+-Bereich im Siliciumkristall, das sogenannte Al-Rückseitenfeld (back surface field, BSF, Abb. 1). Derartige Kontakte sind bei Al-BSF-Solarzellen vollflächig und bei PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) -Solarzellen lokal (punkt-/linienförmig). Das Modell des Legierungsprozesses, das am Fraunhofer ISE entwickelt wurde, geht auf das binäre Al-Si-Phasendiagramm zurück und beschreibt quantitativ die beim Aluminium-Legieren in Silicium ablaufenden Mechanismen. Die Zusammensetzung der Al-Si-Schmelze, die sich während des Legierens auf der Oberfläche des Si-Wafers bildet, sowie die Rekristallisation von Si an dieser Si-Oberfläche werden modelliert und verschiedene wichtige Einflussfaktoren wie u. a. die Temperatur bei der Kontaktausbildung, die aufgedruckte Menge an Paste sowie zusätzliche Dotierstoffe wie Bor in der Paste berücksichtigt. Mithilfe des Modells lassen sich nun die Dotierprofile der Al-B-dotierten p+-Bereiche präzise berechnen (Abb. 2) und der strukturelle Aufbau sowie die elektrische Qualität dieser Kontakte vorhersagen. Damit wurde eine Grundlage für die detaillierte Optimierung Al-legierter Kontakte geschaffen, die wesentlich zur weiteren Leistungssteigerung der heute weltweit dominierenden Al-BSF- und PERC-Solarzellen beitragen kann.