THESSO – Potenzialanalyse von multikristallinem n-Typ Silicium

Potenzialanalyse von multikristallinem n-Typ Silicium

Laufzeit: April 2012 - März 2016
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
© Fraunhofer ISE

Abb. 1: Das aus Lebensdauermessungen bestimmte Wirkungsgradpotenzial ist für die prozessierten n-Typ Wafer deutlich höher als für die vergleichbaren p-Typ Wafer. Die größten Unterschiede findet man in guten Körnern.

© Fraunhofer ISE

Abb. 2: ELBA-Analyse materialbedingter Verluste von unterschiedlich prozessierten n- und p-Typ Wafern aus verschiedenen Blockhöhen.

Monokristallines n-Typ Silicium findet in der Solarzellenproduktion besonders im Hocheffizienzbereich zunehmende Verbreitung. Durch die Vermeidung des schädlichen Bor-Sauerstoff-Defekts und die geringere Empfindlichkeit gegenüber den meisten metallischen Verunreinigungen hat n-Typ Silicium gegenüber Bordotiertem p-Typ Silicium Vorteile. Für multikristallines (mc) Silicium sind zwar die Wirkungsgradpotenziale geringer als für monokristallines Silicium, sie stehen aber deutlich geringeren Herstellungskosten gegenüber. Wir haben das Wirkungsgradpotenzial von mc n-Typ im Vergleich zu p-Typ Silicium analysiert. Durch die Verwendung spezieller für n- und p-Typ identisch kristallisierter Siliciumblöcke ist die Vergleichsstudie sehr aufschlussreich.

p- und n-Typ Parallelwafer aus unterschiedlichen Blockhöhen wurden verschiedenen typischen Solarzellenprozesssequenzen unterzogen: Bor-Diffusion (für n-Typ PassDop Zelle), Phosphor- Diffusion sowie Phosphor-Diffusion mit Feuerschritt (für p-Typ PERC Zelle). Durch orts- und injektionsabhängige Lebensdauermessungen an passivierten Wafern und der Efficiency Limiting Bulk Recombination Analysis (ELBA) wurde die Limitierung der Solarzellen durch das Material ermittelt (Abb. 1). Trotz der geringeren Mobilität von Löchern sind die gemessenen Diffusionslängen im mc n-Typ- deutlich höher als im p-Typ-Material. Für die analysierten Zellkonzepte liegen die durch das Material bestimmten Wirkungsgradobergrenzen für den n-Typ Block im Mittel um +0,7 %abs (nach B-Diffusion) bzw. um +1,5 %abs (nach P-Diffusion) über der des p-Typ Blocks.

Die ELBA-Methode erlaubt uns auch, die Ursache der Verluste aufzuschlüsseln (Abb. 2). Die höheren Wirkungsgradpotenziale für Hocheffizienzzellen aus mc n-Typ Silicium ergeben sich hauptsächlich aus der höheren Toleranz gegenüber homogen innerhalb der Körner verteilten Rekombinationszentren. Die materialbedingten Verluste im konventionell hergestellten mc n-Typ Block werden hauptsächlich durch dekorierte Korngrenzen und Versetzungen verursacht, deren Einfluss durch das neue Herstellungsverfahren für »high performance multi« stark reduziert wird. Dadurch könnte das Wirkungsgradpotenzial von mc n-Typ-Hocheffizienzzellen noch weiter vergrößert werden.

 

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.

»Potenzialanalyse von Multikristallinem n-Typ Silicium« ist dabei nur eines von mehreren Teilprojekten im Rahmen von »THESSO«. Weitere sind:

THESSO – Technologien für höchsteffiziente Silicium-Solarzellen in PV TEC
THESSO – High Efficiency Multikristalline Siliciumwafer für die Photovoltaik