QUASSIM-PLUS – Qualitätssicherung in der PV mittels schneller Inline-Messverfahren - PLUS

Inline-fähige Dickenbestimmung dielektrischer Schichtstapel

Laufzeit: Oktober 2012 - Mai 2015
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
© Fraunhofer ISE

Abb. 1: Rückseite eines PERC-Solarzellenvorläufers mit Stapelschicht, aus desen Reflexionseigenschaften im laufenden Fertigungsprozess die Dicke der Einzelschichten bestimmt werden kann.

© Fraunhofer ISE

Abb. 2: Die an PERC-Vorläufern mit Stapelschichten aus der Reflexion bestimmten Schichtdicken stimmen deutlich genauer mit der Referenz (Spektral-Ellipsometrie an planen Proben mit Einzelschichten) überein als die mittels Laser-Ellipsometrie bestimmten Dicken.

Ein vielversprechender Ansatz, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu steigern, ist das PERC-Konzept (Passivated Emitter and Rear Cell), bei dem die Solarzellenrückseite mit typischerweise zwei dünnen Dielektrika beschichtet wird. Die Dicke der Schichten beeinflusst die elektrischen und optischen Eigenschaften dieser Solarzellen. Die übliche Methode zur Charakterisierung der Schichten ist die Ellipsometrie. Am Fraunhofer ISE wurde ein auf spektraler Reflexion basierendes Verfahren entwickelt, mit dem die Dicken von doppellagigen Dünnschichtsystemen im Gegensatz zur Ellipsometrie auch auf leicht mikro-rauen Oberflächen und im laufenden Solarzellenfertigungsprozess zuverlässig bestimmt werden können.

Die spektrale Reflexion der Rückseite von PERC-Solarzellenvorläufern hängt entscheidend von den Brechungsindizes und Dicken der abgeschiedenen Dielektrika ab und kann aus diesen Daten berechnet werden. Dieser Umstand kann zur Dickenbestimmung genutzt werden, indem die berechnete Reflexion Rsim an die nach der Schichtabscheidung gemessene Reflexion Rm angepasst wird. Bei der Berechnung werden die Brechungsindizes als gegeben vorausgesetzt und die Dicken der beiden Dielektrika variiert, bis die beste Anpassung von Rsim an Rm erreicht ist.

Die Methode wurde an PERC-Solarzellenvorläufern getestet. Diese weisen Doppelschichten unterschiedlicher Dicken aus siliciumreichen Silicium-Oxynitrid (SiRiON) und aus Siliciumnitrid (SiNx) auf (Abb. 2). Die Schichtdicken wurden mit einem Laser- Ellipsometer und mit dem Kurvenanpassungsverfahren an die spektrale Reflexion bestimmt. Mit einem Spektral-Ellipsometer wurden Referenzmessungen an auf planen Proben abgeschiedenen Einzelschichten durchgeführt.

Die mit Laser-Ellipsometer bestimmten Dicken weichen systematisch nach unten (SiNx) bzw. nach oben (SiRiON) ab, wohingegen das auf der Reflexion basierende Verfahren eine höhere Genauigkeit ohne systematische Abweichungen hat (Abb. 2). Es ist daher für die Dickenbestimmung dünner Stapelschichten von PERC-Solarzellen im laufenden Fertigungsprozess geeignet.