ForTeS – Passivierte Kontakte für hocheffiziente Siliciumsolarzellen

Durch die zunehmende Verbesserung der Materialqualität und der Oberflächenpassivierung ist die Rekombination an den Metallkontakten einer der dominanten Verlustmechanismen in Siliciumsolarzellen. Eine Reduzierung dieses Verlusts kann durch die Verwendung von sogenannten passivierten Kontakten erreicht werden, die die Rekombination der Minoritäten unterdrücken und gleichzeitig einen verlustfreien Abtransport der Majoritätsladungsträger erlauben. Auf Basis eines ultradünnen dielektrischen Tunneloxids ist es uns gelungen, einen sehr effektiven passivierten Kontakt (TOPCon) zu realisieren, der die Oberfläche hervorragend passiviert, und gleichzeitig einen geringen Widerstand für den Ladungsträgertransport darstellt.

Zur Steigerung des Wirkungsgrads von Siliciumsolarzellen wird das PERC-Konzept (Passivated Emitter Rear locally Contacted) in die industrielle Produktion übertragen. Durch die dielektrische Oberflächenpassivierung und die Reduzierung der metallisierten Fläche zu Punktkontakten lassen sich höhere Spannungen erzielen. Der Spannungsgewinn bringt aber auch einen erhöhten Serienwiderstand mit sich, da die Ladungsträger einen weiteren Weg innerhalb des Siliciums zurücklegen müssen. Die Optimierung einer solchen Struktur erfordert daher den Ausgleich von hoher Spannung (großer Abstand der Punktkontakte) und hohem Füllfaktor (kleiner Abstand der Punktkontakte).

Eine Möglichkeit, diesen Zielkonflikt zu umgehen, liegt in der Verwendung von ganzflächigen selektiven Kontakten, auch passivierte Kontakte genannt. Die Herausforderung bei diesen Kontakten besteht darin, dass sie zum einen die Rekombination von Ladungsträgern unterdrücken und gleichzeitig einen verlustfreien Transport der Majoritätsladungsträger ermöglichen müssen. Am Fraunhofer ISE wurde ein solcher Kontakt auf Basis eines ultradünnen Tunneloxids und einer dünnen Siliciumschicht (Tunnel Oxide Passivated Contact, TOPCon, Abb. 1) entwickelt und in hocheffiziente Solarzellenstrukturen implementiert.

Die hohen gemessenen effektiven Lebensdauern der TOPCon-Struktur belegen die sehr guten Passiviereigenschaften des verwendeten Schichtsystems. Da das als Tunneloxid verwendete Siliciumoxid auch für die Majoritätsladungsträger prinzipiell eine Barriere darstellt, muss diese so dünn ausgebildet werden, dass die Ladungsträger diese mittels quantenmechanischer Tunnelprozesse überwinden können. Um diesen Ladungsträgertransport zu untersuchen, wurden hocheffiziente n-Typ Solarzellen mit einem diffundierten vorderseitigen Bor-Emitter und dem ganzflächigen TOPCon- Rückseitenkontakt hergestellt. Sehr hohe Füllfaktoren von über 82 % und Spannungen von über 700 mV belegen, dass sich der Ladungsträgertransport über das Tunneloxid nahezu verlustfrei vollzieht. Dies zeigt, dass mit der TOPCon-Struktur ein hervorragender selektiver passivierter Kontakt realisiert wurde. Insgesamt konnte mit der TOPCon-Rückseite ein einfacher und strukturierungsfreier Rückseitenkontakt etabliert werden, mit dem wir auf hocheffizienten n-Typ Solarzellen Wirkungsgrade von bis zu 24 % realisieren konnten.