Einführung

Die Silizium-Heterojunction-Solarzelle (SHJ) stellt eine neue Generation von Silizium-Wafer-Solarzellen dar, mit der hohe Wirkungsgrade erzielt werden können. Ein Querschnittsaufbau einer SHJ-Solarzelle ist in Abb. 1 dargestellt. Das IMD-3 befasst sich mit der Material-, Prozess-, Zell-, Modul- und Systementwicklung für die SHJ-Solarzelle und deren Anwendungen, was die gesamte Wertschöpfungskette der SHJ-Technologie abdeckt. Die Zelltechnologie reicht von der nasschemischen Vorbehandlung der kristallinen Siliziumwafer über die Abscheidung funktionaler Dünnschichten mit verschiedenen Abscheideverfahren bis hin zur thermischen Endbehandlung nach der Abscheidung.

Der Schwerpunkt der Prozessentwicklung liegt auf der Entwicklung kosteneffizienter Prozesse für die Produktion von industriellen SHJ-Solarzellen auf Großanlagen. Die Materialentwicklung konzentriert sich auf die Herstellung und Charakterisierung von Siliziumlegierungen und deren Einsatz in SHJ-Solarzellen. Die Modulentwicklung ist spezialisiert auf leichte und flexible SHJ-Module für spezielle Anwendungen wie die fahrzeugintegrierte Photovoltaik. Die Systemforschung befasst sich mit Lebenszyklusanalysen und Kostenanalysen für SHJ-basierte PV-Systeme, wie z.B. die Integration von SHJ-Modulen im Straßenverkehr.

Weitere Arbeitsgebiete sind die Entwicklung von Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen, SHJ-Solarzellen in der rückseitig kontaktierten Konfiguration (Interdigitated Back-Contacted: IBC), die optische-elektrische 3D-Simulation von SHJ-Solarzellen sowie die Herstellung und Charakterisierung von passivierten SiO₂/Poly-Si-Kontakten.

Solarzellenentwicklung

Wir betreiben eine Baseline, die die gesamte Prozesstechnologie für die industrielle Produktion von hocheffizienten SHJ-Solarzellen auf M2-Wafergröße abdeckt: von der nasschemischen Vorbehandlung bis zur Dünnschichtabscheidung und Metallisierung. Darüber hinaus stehen verschiedene Messeinrichtungen zur Charakterisierung der fertigen Solarzellen und der jeweiligen Schichten zur Verfügung. Wir haben einen Spitzenwirkungsgrad von 24,51% auf M2-Wafern (156,75 mm x 156,75 mm) erreicht, der vom ISFH CalTeC unabhängig zertifiziert wurde (siehe Abb. 2).

Es werden auch fortgeschrittene Forschungsarbeiten auf der Grundlage von SHJ-Solarzellen durchgeführt, um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, und zwar sowohl im Hinblick auf wissenschaftliche als auch auf industrielle Anwendungen. Die Themen sind:

• Hochtransparentes und leitfähiges hydriertes nanokristallines Siliziumoxid (nc-SiO_x:H) als Fensterschicht in SHJ-Solarzellen mit geringer parasitärer Absorption
• Entwicklung hochwertiger TCOs für SHJ-Solarzellen als Alternative zu Indium-Zinn-Oxid (ITO), mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und relativ geringer Ladungsträgerdichte, wie z.B. ITiO und IWO, oder gesputterte indiumfreie AZO- und PECVD-prozessierte dotierte ZnO-Schichten, mit geringeren Kosten
• "Light Soaking"-Mechanismus für SHJ Solarzellen und -module
• Langzeitstabilität auf Basis der TCO-Optimierung für SHJ-Solarzellen und -Module
• Katalytische Dotierung von Silizium-Dünnschichten für die Anwendung in SHJ-Solarzellen
• SHJ-Solarzellen für den Einsatz als Bottom-Zellen in hocheffizienten Mehrfachsolarzellen, z. B. Perowskit/SHJ-Tandemsolarzellen

Solarzellen mit Siliziumkarbid-basierten, transparenten passivierten Kontakten

Die klassischen dreifachen Anforderungen an die Frontkontakte von kristallinen Silizium-Solarzellen (c-Si) - hohe Leitfähigkeit, hervorragende Oberflächenpassivierung und hohe optische Transparenz - stehen oft im Widerspruch zueinander und erfordern Kompromisse. Beispielsweise ermöglicht die Trennung der Metallkontakte vom c-Si-Absorber mit verschiedenen Arten von passivierenden Frontkontakten eine hervorragende Oberflächenpassivierung und entsprechend hohe Leerlaufspannungen (V_oc), aber die Solarzellen leiden oft unter einer erheblichen parasitären Lichtabsorption in den amorphen oder polykristallinen Siliziumkontaktschichten, was zu einer erheblichen Verringerung der Kurzschlussstromdichte (J_sc) führt.

Ein hochtransparenter passivierender Kontakt (TPC) bietet die Möglichkeit, diese Herausforderung zu lösen. Er besteht aus einem nasschemisch aufgewachsenen dünnen Siliziumoxid, gefolgt von einem zweischichtigen Stapel aus hydriertem nanokristallinem Siliziumkarbid (nc-SiC:H(n)), das durch chemische Heißdrahtabscheidung (HWCVD) abgeschieden wurde, und einem gesputterten Indiumzinnoxid (c-Si(n)/SiO₂/nc-SiC:H(n)/ITO), das hohe optische Transparenz und geringe Oberflächenrekombination mit einem wesentlich geringeren Bedarf an Kompromissen verbindet. Außerdem sind bei diesem Kontakt keine zusätzlichen Hydrierungs- oder Hochtemperatur-Temperierungsschritte nach der Abscheidung erforderlich. Die effiziente Solarzelle liefert einen hohen J_sc-Wert von > 40 mA/cm² und einen V_oc-Wert von > 725 mV. Während die hohe Bandlücke von nc-SiC:H(n) für eine hohe optische Transparenz sorgt, ist die Doppelschichtstruktur die Schlüsselinnovation, die zu einer Kombination aus guter Passivierung und hoher Leitfähigkeit führt, wie der hohe Füllfaktor (FF > 80 %) beweist, der zu einem zertifizierten Wirkungsgrad von 24 % führt.

Weitere Aufgaben sind die Aufskalierung der derzeitigen 20 mm x 20 mm Größe auf M2-Größe, die Entwicklung von TPC-basierten TCO-freien Solarzellen und die Entwicklung von hochtemperaturstabilen TPC-Solarzellen für die industrielle Anwendung.

Silizium-Heterojunction-Solarzellen, kurz SHJ-Solarzellen, sind Solarzellen, die neben kristallinen Siliziumschichten auch sehr dünne amorphe Siliziumschichten enthalten (Abb. 1). Diese amorphen Schichten sorgen für eine hervorragende Passivierung der Oberflächen und ermöglichen so hohe Wirkungsgrade. Darüber hinaus haben diese Solarzellen einen vorteilhaften Temperaturkoeffizienten von rel. > -0,3 %/K und zeigen damit ein deutlich besseres Temperaturverhalten als herkömmliche kristalline Siliziumsolarzellen. SHJ-Solarzellen überzeugen aber nicht nur durch ihre Leistung, sondern auch durch den geringen Herstellungsaufwand. Für die Herstellung von SHJ-Solarzellen sind nur vier Prozessschritte erforderlich (Abb. 2.). Damit ist die Produktion deutlich schlanker als z.B. bei den derzeit vorherrschenden PERC-Solarzellen.

Das IMD-3 betreibt eine Baseline, die die gesamte Prozesstechnik für die industrielle Produktion von hocheffizienten SHJ-Solarzellen auf M2-Wafergröße abdeckt: von der nasschemischen Vorbehandlung über die Dünnschichtabscheidung bis zur Metallisierung. Darüber hinaus stehen verschiedene Messeinrichtungen zur Charakterisierung der fertigen Solarzellen und der jeweiligen Schichten zur Verfügung.

Im ersten Prozessschritt wird auf einer Nassbank von Arias gearbeitet (Abb. 3). Die Nassbank verfügt über fünf Prozessbecken und zwei Spülbecken, in denen verschiedene Arbeitsschritte wie Sägeschadenentfernung, Texturierung, Ozonreinigung, Oxidation, Entfernung des Oxids und Spülung mittels Quick Dump Rinse durchgeführt werden können. Die Becken können jeweils einen Halter mit 25 M2-Wafern aufnehmen. Da die Arbeit bzw. der Transport zwischen den Prozessschritten partikelkritisch ist, findet er in einem Ionstatex-Reinraum der Klasse 5 oder besser statt (Abb. 4).

Anschließend werden die verschiedenen Siliziumschichten auf die Wafer aufgebracht. Intrinsische und dotierte amorphe und nanokristalline Siliziumschichten sowie Siliziumoxidschichten werden mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) mit der AK1000 von Meyer Burger (an unserem Institut MARIA genannt) abgeschieden (Abb. 5). Die Anlage verfügt über drei Prozesskammern und zwei Ladekammern, die jeweils 9 Wafer der Größe M2 beschichten können. Die Prozesse werden in-situ durch optische Emissionsspektroskopie (OES) kontrolliert. Ein Durchsatz von 60 M2-Zellen pro Tag ist möglich. Es können aber auch andere Wafergrößen beschichtet werden.

Im dritten Prozessschritt werden transparente leitfähige Oxidschichten (TCO) abgeschieden. Im Referenzprozess werden mit der VISS 600 von Von Ardenne Anlagentechnik Schichten aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) auf die Solarzellen abgeschieden (Abb. 6). Aber auch Silberschichten oder andere TCOs wie aluminiumdotiertes Zinkoxid (ZnO:Al) und Indium-Wolfram-Oxid (IWO) können mit der Anlage, die wir LISSy nennen, abgeschieden werden.

Im letzten Prozessschritt werden die Metallkontakte im Siebdruckverfahren auf die Solarzellen aufgebracht. Hierfür stehen der Micro-tec Siebdrucker MT-650TVC und verschiedene Siebe mit unterschiedlicher Anzahl und Breite der Finger zur Verfügung (Abb. 7). Auf die bereits gedruckten Finger können nachträglich Busbars gedruckt werden (Dual Print). Auch Mehrfachdrucke zur Reduzierung des Fingerwiderstandes sind dank präziser Positionierung möglich. Da die amorphen Siliziumschichten nicht bei hohen Temperaturen verarbeitet werden dürfen, wird als Silberpaste eine spezielle Paste für SHJ-Solarzellen verwendet, die bereits bei 200 °C im Ofen aushärtet.

Für die anschließende Charakterisierung der SHJ-Solarzellen steht der LOANA-Messplatz von pv-tools mit der Lichtquelle Sinus-220 von Wavelabs zur Verfügung (Abb. 8). Hier sind z.B. Strom-Spannungs-Messungen (IV) und Messungen der externen Quanteneffizienz (EQE) möglich. Für eine noch umfassendere Analytik steht eine Reihe weiterer Messverfahren zur Verfügung, z.B. Elektro-, Photolumineszenz, QSSPC oder Ellipsometrie.