Evaluation and microstructure analysis of thick film contacts for industrial silicon solar cells

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. René Hönig

Weltweit zunehmende Naturkatastrophen und der wachsende Mangel an fossilen Rohstoffen erfordern eine rasche energiepolitische Wende die auf den Einsatz „grüner Technologien“ setzt, welche die unerschöpflichen und ausreichend vorhandenen erneuerbaren Energieressourcen unserer Erde nutzen. Der Photovoltaik kommt dabei eine wachsende Bedeutung zu, wobei die täglich zur Erde gelangende Solarenergie auch das größte Potential birgt und durch den photovoltaischen Effekt eine direkte Umwandlung der solaren Energiestrahlung in elektrische Energie möglich ist. Bei weltweit stetig hohen jährlichen Zuwachsraten der Photovoltaik, ist Deutschland in der Produktion von Siliciumsolarzellen noch immer eine der führenden „Solar-Nationen“. Unter anderem durch das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) – dem größten Solarforschungsinstitut in Europa – ist auch die deutsche Forschungslandschaft mit an der Spitze vertreten und beeinflusst noch immer die Entwicklung der Photovoltaik weltweit mit.Dabei werden mehr als 85% der weltweit produzierten Solarzellen mit Hilfe von Silber-Dickschichtkontakten auf der Vorderseite und Aluminium-Dickschichtkontakten auf der Rückseite der Solarzelle realisiert. Dieser Herstellungsprozess mittels Dickschicht-Metallisierungstechnologien wie z.B. dem Siebdruck ist aufgrund seiner Kosteneffizienz (hohe Durchsatzrate, relativ geringer Anzahl an Prozessschritten) und Robustheit in der industriellen Solarzellproduktion sehr verbreitet. Jedoch besitzt diese Art der Metall-Halbleiter-Kontakte im Vergleich zu mittels Hocheffizienztechnologien, wie z.B. dem Aufdampfen von Metallen und anschließender galvanischer Verstärkung, erzeugten Metall-Halbleiter-Kontakten sowohl höhere spezifische Kontaktwiderstände (um bis zu 2 Größenordnungen höher) als auch höhere spezifische Leitungswiderstände (ca. um Faktor 2 – 3 höher). Darüber hinaus induzieren diese Dickschichtkontakte durch Diffusionsprozesse von Verunreinigungen eine erhöhte Rekombinationsrate in der Raumladungszone (RLZ) der Solarzelle, wodurch die Dunkelsättigungsstromdichte der Raumladungszone j02 erhöht und letztendlich die Effizienz der industriellen Siliciumsolarzelle begrenzt wird. Vor allem letzterer Verlustmechanismus ist bisher physikalisch noch nicht erklärbar. Die qualitative und quantitative Verifizierung j02-bedingter Effizienzverluste und eine damit verbundene Prozessoptimierung ist also Hauptbestandteil dieses Forschungsvorhabens.Durch intensive Mikrostrukturanalysen und elektrische Charakterisierungen (sowohl experimentell als auch durch Simulation) der im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Kontakte, sollen die Mechanismen der Kontaktbildungsprozesse – insbesondere in Bezug auf j02 – hinreichend aufgeklärt, bereits existierende Kontaktmodelle verifiziert und erweitert oder gegebenenfalls neue Modelle erarbeitet werden. Hierbei sollen jedoch sowohl die Auswirkungen vorangestellter als auch nachfolgender Prozessschritte auf den Kontaktbildungsprozess untersucht werden. Aus den neu gewonnen Erkenntnissen soll eine Optimierung der Prozessschritte hinsichtlich minimierter spezifischer Kontaktwiderstände und Rekombinationsstromdichten der Raumladungszone erfolgen, um dadurch optimierte Solarzellen mit erhöhtem Wirkungsgrad herstellen zu können. Die Möglichkeit einen erfolgreich optimierten Prozess in die Industrie zu überführen ist also im Sinne dieser Promotionsarbeit. Die Vorraussetzungen zum Erreichen dieses Zieles sind durch die ausgezeichneten Forschungsbedingungen am Fraunhofer ISE, unter anderen durch die hochmoderne Produktionslinie und innovative Charakterisierungsverfahren im Photovoltaik-Technologie Evaluationscenter (PV-TEC), gegeben. Im bisherigen Verlauf der Promotion wurden zunächst sehr gute theoretische und praktische Kenntnisse für die elektrische (makroskopische) und mikroskopische Analyse von Dickschichtkontakten für industrielle Silicium-Solarzellen erworben. Abgesehen von ersten Untersuchungen hinsichtlich des (spezifischen) Kontaktwiderstandes siebgedruckter Vorderseiten-Silberkontakte, fand eine Fokussierung auf die Analyse der Rekombinationsverluste der Raumladungszone in Bezug auf den Vorderseiten-Metallisierungsgrad dieser Kontakte statt. Dies erfolgte, um Paralleluntersuchungen mit anderen Wissenschaftlern weitestgehend zu vermeiden und Raum für (um j02) erweiterte Kontaktbildungsmodelle zu schaffen. Hierbei konnte zunächst eine spezielle Teststruktur entwickelt werden, mit der eine weniger Serienwiderstands-sensitive Evaluation der RLZ-Rekombinationsverluste von Dickschicht-Vorderseitenkontakten möglich ist. Die Entwicklung dieser Teststruktur und somit verbesserten Messmethode war Gegenstand einer ersten Publikation und diente der Erkenntniserlangung erster j02-Abhängigkeiten von verschiedenen Prozessparametern. So konnte gezeigt werden, dass bei zunehmenden Vorderseiten-Metallisierungsgrad j02 bzw. die damit verbundenen Füllfaktorverluste FF0-pFF linear zunehmen und die Spannung linear abnimmt. Der Einfluss des verwendeten Emitters und der verwendeten Siebdruckpaste konnte dabei ebenfalls quantitativ nachgewiesen werden. Außerdem konnten einzelne, gängige Bestandteile von Siebdruckpasten und Aerosoltinten als erhebliche j02-Verursacher identifiziert werden. Einige, erste Mikrostrukturanalysen zielten unter anderem darauf ab die reduzierende Wirkung eines kurzen Ag-LIP Schrittes (Light Induced Plating) auf den (spezifischen) Kontaktwiderstand nach Kontaktfeuern nachzuweisen. Hierzu sind jedoch weitere Untersuchungen nötig. Desweiteren stehen nun zahlreiche Probensätze, welche viele verschiedene Prozessparameter abdecken, für umfangreiche Mikrostrukturuntersuchungen mittels zahlreicher (teils hochauflösender) Analyseverfahren zur Verfügung. Die Ergebnisse dieser Mikro-strukturanalysen sollen letztlich der Bildung erster Teil-Strukturmodelle für den stromführenden Kontakt dienen. Durch iterativ aufbauende Mikrostrukturanalysen und Prozessparameteranpassungen, wird so eine Optimierung von Dickschichtkontakte für hocheffiziente Industriesolarzellen verfolgt.

Förderzeitraum:
01.01.2010 - 31.12.2012

Institut:
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK
Professur für Aufbau- u. Verbindungstechnik

Betreuer:
Prof. Dr. Jürgen Wilde

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Publikationen:

Dickschichtkontakte für hocheffiziente Industriesolarzellen
Dickschichtkontakte für hocheffiziente Industriesolarzellen