THESSO – High Efficiency Multikristalline Siliciumwafer für die Photovoltaik

High Efficiency Multikristalline Siliciumwafer für die Photovoltaik

Laufzeit: April 2012 - März 2016
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
© Fraunhofer ISE
Abb. 1: Querschnitt eines HE mc-Si Blocks im Bodenbereich mit feinkörniger Kristallstruktur.
© Fraunhofer ISE
Abb. 2: Wafer eines HE mc-Si Blocks aus dem Kappenbereich nach Antireflexbeschichtung.
© Fraunhofer ISE
Abb. 3: Diffusionslängenbild eines n-Typ HE mc-Si Wafers nach Bor-Diffusion.

Die Qualität von multikristallinem Blocksilicium für die PV kann durch die Vorgabe einer feinkörnigen Kristallstruktur zu Beginn des Wachstumsprozesses positiv beeinflusst werden. Für unsere Untersuchungen zur Herstellung von »High Efficiency Multicrystalline Silicon (HE mc-Si)« studieren wir am Silicium Material Technologie und Evaluationscenter SiM-TEC die Entwicklung von Kristallstruktur und Defekten, besonders von Versetzungsclustern, von der initialen Keimbildung bis zur gesamten Blockhöhe. Durch gezielte Einstellung der Form der Phasengrenze während des Wachstumsprozesses in Kombination mit ausgesuchtem Keimmaterial konnte versetzungsarmes multikristallines Silicium mit sehr guten elektrischen Eigenschaften hergestellt werden.

Das meiste kristalline Wafermaterial für Solarzellen besteht aktuell aus multikristallinem p-Typ Silicium. Durch Entwicklung von hochqualitativem Blockmaterial mit sehr geringem Versetzungsanteil (HE mc-Si) konnten signifikante Wirkungsgradsteigerungen in den daraus gefertigten Solarzellen erzielt werden. Die Reduktion der Versetzungen im Siliciumblock lässt sich durch einen Wachstumsprozess erreichen, bei dem die Erstarrung in einem stabilen Prozess und unter Vermeidung von Verspannungen im gerade erstarrten Kristall erfolgt. Als vorteilhaft hat sich hier eine gleichmäßige Kornstruktur herausgestellt, die mit sehr kleinen Körnern beginnt. Während der Kristallisation werden kleinere Körner mit teilweise hoher Versetzungsdichte von Körnern mit niedriger Versetzungsdichte überwachsen.

Durch das Studium verschiedener Bedingungen in der Ankeimphase mit und ohne Vorgabe von Keimmaterial sowie durch die Optimierung des Kristallisationsofens ist es uns gelungen, sowohl p-Typ als auch n-Typ multikristallines Silicium der Blockgröße G1 mit sehr geringer Versetzungsdichte herzustellen. Die durch Versetzungscluster qualitativ beeinträchtigte Fläche der Wafer mit Kantenlänge 156 mm beträgt über die gesamte Blockhöhe weniger als 2 %.

Abb. 3 zeigt das Diffusionslängenbild eines n-Typ HE mc-Si Wafers nach einer für n-Typ Solarzellen typischen Bor-Diffusion. Der gemittelte Wert der Diffusionslänge entspricht 531 μm, etliche Körner weisen Diffusionslängen > 950 μm auf. Dies ist ein Vielfaches der Dicke einer Siliciumsolarzelle, so dass die Materialqualität nicht mehr der begrenzende Faktor für den Wirkungsgrad ist.

 

Über das Projekt THESSO:
Das Projekt THESSO verfolgt die Entwicklung von Materialien, Technologien und Solarzellenstrukturen, die es erlauben, den Wirkungsgrad für industriell produzierbare Solarzellen aus monokristallinem Silicium auf bis zu 22 % anzuheben. Auf multikristallinem Silizium werden Wirkungsgrade von 20 % in der Spitze und 19,5 % im Mittel angestrebt. Dies soll mit Wafern erreicht werden, die aus am Fraunhofer ISE hergestellten Blöcken gefertigt sind.
Insgesamt wird hierzu in vier Hauptbereichen – Material, Technologie, Solarzellenstrukturen und Modul – parallel und in starker Wechselwirkung gearbeitet. Begleitet wird die Entwicklung durch Charakterisierung auf allen Ebenen sowie durch unterschiedliche Simulationsrechnungen. Darüber hinaus erfolgt eine ökonomische Bewertung der Technologien und Solarzellenprozesse. Die entwickelten Solarzellenprozesse werden auf Pilotniveau im Großraumlabor PV-TEC (mit einem Durchsatz von >100 Wafer/h) demonstriert. Bestehende Prozesse und Prozesssequenzen können so kontinuierlich weiterentwickelt werden. Während des Projektes werden zudem Demonstratormodule mit Wirkungsgradzielen von 20 % gefertigt. Hiermit wird sichergestellt, dass die untersuchten Solarzellenprozesse grundsätzlich auch für die Verwendung im Modul geeignet sind.

»High Efficiency Multikristalline Siliciumwafer für die Photovoltaik« ist dabei nur eines von mehreren Teilprojekten im Rahmen von »THESSO«. Weitere sind:

THESSO – Potenzialanalyse von multikristallinem n-Typ Silicium
THESSO – Technologien für höchsteffiziente Silicium-Solarzellen in PV TEC