CUT-B – Material- und Prozessschwankungen bei multikristallinen PERC-Solarzellen

Laufzeit: Dezember 2015 - November 2018
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Hennecke Systems GmbH, Freiberg Instruments GmbH
Kooperationspartner: Hennecke Systems GmbH, Freiberg Instruments GmbH
Webseite: Projektinformationen bei EnArgus
Projektfokus:
Ansatz zur Untersuchung von prozess- und materialinduzierten Wirkungsgradschwankungen
© Fraunhofer ISE

Der verwendete Ansatz zur Untersuchung von prozess- und materialinduzierten Wirkungsgradschwankungen umfasst die dargestellten fünf Schritte.

Histogramme
© Fraunhofer ISE

Gemessene und simulierte Histogramme (Säulen) und kumulierte Häufigkeiten (Linien) des Wirkungsgrades.

Pareto-Diagramm des “main effect” Index’
© Fraunhofer ISE

Das Pareto-Diagramm des »main effect« Index zeigt die Rangfolge der Eingabeparameter hinsichtlich der Wirkungsgrad-Sensitivität.

Solarzellen- und Modulhersteller streben eine schmale Verteilung der Wirkungsgrade auf hohem Niveau an. Im Projekt »CUT-B« werden daher unter anderem die material- und prozessbedingten Ursachen für die Schwankung der Wirkungsgrade von multikristallinen Siliciumsolarzellen mit passiviertem Emitter und passivierter Rückseite untersucht. Im Rahmen eines Experiments, in dem 800 Solarzellen gefertigt und eingehend charakterisiert wurden, wurde auf Basis eines numerischen Simulationsmodells ein Metamodell entwickelt, mit dem der Einfluss der statistischen Verteilung verschiedener Eingabeparameter auf die Wirkungsgradverteilung in kurzer Zeit simuliert werden kann. Hieraus ist unmittelbar ableitbar, wie die Wirkungsgradverteilung optimiert werden kann und in welchen Prozessstadien eine Prozesskontrolle besonders gewinnbringend ist.

Die Herangehensweise besteht aus fünf Schritten und wird im Folgenden für ein konkretes Beispiel diskutiert, lässt sich aber mit geringem Aufwand auf andere Zellkonzepte und Produktionslinien übertragen. Zunächst wurden multikristalline Siliciumsolarzellen mit passiviertem Emitter und passivierter Rückseite (PERC) in einer industriellen Prozesssequenz hergestellt und in unterschiedlichen Prozessstadien eingehend charakterisiert. Dazu wurden über 800 Wafer mit einer breiten Materialvariation verwendet.

Basierend auf der Charakterisierung wurden im zweiten Schritt die relevanten Eingabeparameter für die Simulation und ihre statistische Verteilung bestimmt. Insgesamt wurden zunächst acht Parameter als relevant identifiziert.

Im dritten Schritt werden die numerischen optischen und elektrischen Simulationen mit Sentaurus TCAD sowie die Metamodellierung mittels Kriging durchgeführt. Mit dem Metamodell lassen sich Zellwirkungsgrade um Größenordungen schneller berechnen als mit der aufwendigen numerischen Simulation alleine, was die Modellierung breiter Parameterräume ermöglicht.

Im vierten Schritt wird mit dem Metamodell anhand der statistischen Verteilung der Eingabeparameter die Verteilung der Wirkungsgrade ermittelt und mit der gemessenen Verteilung verglichen. So werden das Vorgehen und das Metamodell validiert.

Im fünften und letzten Schritt wird in einer varianzbasierten Sensitivitätsanalyse der Einfluss jedes einzelnen Eingabearameters auf die Höhe und Schwankung des Wirkungsgrades der Solarzellen bestimmt. Im untersuchten Beispiel ist die Wirkungsgradverteilung am stärksten von der Ladungsträgerlebensdauer und der Rekombination in der Raumladungszone abhängig. Somit werden mit dem Verfahren jene Größen und Fertigungsprozesse identifiziert, die als erstes verbessert und am genauesten kontrolliert werden müssen, um Wirkungsgradschwankungen zu reduzieren und das Wirkungsgradniveau insgesamt anzuheben.

Thermographie-Aufnahme
© Fraunhofer ISE

Die Thermographie-Aufnahme bei einer Spannung von +0.5 V von einer PERC-Zelle zeigt erhöhte Rekombination an der unteren und rechten Zellkante.

Im ebenfalls vom BMWi geförderten Schwesterprojekt CUT-A steht die Weiterentwicklung beidseitig passivierter PERC-Solarzellen aus mono- und multikristallinem p-Typ Silicium im Mittelpunkt.