THESSO – Technologien für höchsteffiziente Silicium-Solarzellen in PV TEC

Simultane Co-Diffusionsprozesse für n-Typ Solarzellen

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

Abb. 1: Industrieller Rohrofen für Bor-Diffusion und Co-Diffusionsprozesse zur Herstellung von n-Typ Siliciumsolarzellen im PV-TEC.

© Fraunhofer ISE

Abb. 2: Dotierstofftiefenprofile, diffundiert aus einer gasförmigen (POCl3) oder abgeschiedenen (PSG oder BSG) Dotierstoffquelle. Für alle gezeigten Tiefenprofile wird der gleiche Hochtemperaturschritt zur Erzeugung verwendet.

Im Vergleich zu industriellen Solarzellen aus p-dotiertem Silicium weisen Solarzellen aus n-dotiertem Silicium ein erhöhtes Wirkungsgradpotenzial auf. Da zur Herstellung hocheffizienter n-Typ Solarzellen typischerweise mehrere sequenzielle Maskierungs- und Diffusionsschritte zur Ausbildung hoch n- bzw. p-dotierter Bereiche notwendig sind, ist der Fertigungsprozess jedoch aufwändig. Eine Möglichkeit zur Verringerung der Anzahl der benötigten Prozessschritte ist die Verwendung simultaner Co-Diffusionsprozesse, bei denen parallel zur Diffusion aus der Gasphase zuvor aufgebrachte dotierstoffhaltige Schichten als Diffusionsquelle dienen. Die Ausbildung der hochdotierten Bereiche erfolgt dann in einem einzigen Hochtemperaturschritt.

Gegenwärtig werden mehrere Solarzellenkonzepte für n-dotierte Siliciumwafer intensiv untersucht. Diese weisen zumeist hochdotierte Bereiche unterschiedlichen Dotiertyps auf der Vorder- und Rückseite des Wafers auf. Je nach Solarzellenkonzept werden dabei verschiedenste Anforderungen an die Oberflächenkonzentration und die Tiefe des Dotierprofils gestellt. Die Ausbildung der hochdotierten Bereiche erfolgt typischerweise durch Diffusion aus der Gasphase. Bei simultanen Co-Diffusionsprozessen wird zusätzlich schon vor dem Hochtemperaturschritt eine Feststoffdiffusionsquelle auf die Probe in Form einer dünnen Schicht aufgebracht, z. B. mittels plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung (PECVD) oder einer Abscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD).

Die Wahl der Prozessgase während der Abscheidung ermöglicht es, Phosphorsilikat- (PSG) oder Borsilikatgläser (BSG) als Feststoffdiffusionsquellen mit verschiedenen Dotierstoffkonzentrationen aufzubringen und damit eine n- oder p-Dotierung des Wafers in einem folgenden Hochtemperaturschritt zu erzeugen.

In Kombination mit der konventionellen Gasphasendiffusion, z. B. einer POCl3- oder BBr3-Diffusion, können durch Anpassung der Prozessparameter mit dieser Vorgehensweise auf derselben Probe sehr kostengünstig unterschiedliche Tiefenprofile verschiedenen Dotiertyps in einem einzigen Hochtemperaturschritt simultan erzeugt werden (Abb. 2). Im PV-TEC des Fraunhofer ISE stehen für solche Prozesse industrielle Rohröfen zur Verfügung (Abb. 1).

 

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.

»Simultane Co-Diffusionsprozesse für n-Typ Solarzellen« ist dabei nur eines von mehreren Teilprojekten im Rahmen von »THESSO«. Weitere sind:

THESSO – High Efficiency Multikristalline Siliciumwafer für die Photovoltaik
THESSO – Potenzialanalyse von multikristallinem n-Typ Silicium