Strukturierte Sol-Gel-Antireflexoberflächen zur Verbesserung von Lichteinkopplung und elektrischen Eigenschaften in der Siliciumphotovoltaik

Stipendiatin/Stipendiat: Laura Stevens

Das Promotionsprojekt befasst sich mit der Erforschung von Sol-Gelen als Antireflexstrukturen in der Siliciumphotovoltaik. Durch die additive Applikation der optisch aktiven Sol-Gel-Struktur sollen sowohl die Lichteinkopplung als auch die elektrischen Eigenschaften der PV Zelle verbessert werden.

Die Bedeutung der erneuerbaren Energien ist seit Jahre sehr groß und wird auch in Zukunft aufgrund des fortschreitenden Klimawandels durch Verbrennung fossiler Brennstoffe nicht geringer werden. In der Photovoltaik wird auf lange Sicht kristallines Silicium das dominierende Absorbermaterial für die Solarzellenherstellung bleiben. Daher ist es wichtig, die Stromerzeugung mittels Si-PV-Zellen zu vergünstigen. Dies ist möglich, in dem der PV-Zellwirkungsgrad weiter erhöht wird und die Produktionskosten sinken. Hier bietet die Vorderseitentextuierung einen Ansatzpunkt. So wird zurzeit bei der Siliciumzelle zur besseren Lichteinkopplung auf der Vorderseite ein Ätzverfahren angewendet, welches bei monokristallinem Silicium zur Entstehung von Random Pyramids und bei multikristallinen Si-Zellen durch die Verwendung eines sauren Ätzmediums zu der optisch etwas schlechteren, sogenannten Isotextur führt. Die dabei entstehenden Strukturen sorgen für eine gute Lichteinkopplung auf der Vorderseite der PV-Zelle. Für diesen Ätzprozess entfallen derzeit ~ 10 % der reinen Prozessierungskosten bei multikristallinem Silicium und über 15 % bei monokristallinem Silicium.

Eine alternative Vorderseitentextuierung, bei der gänzlich auf Ätzprozesse verzichtet werden kann, ist die Verwendung von Sol-Gelen. Durch das additive Auftragen der Sol-Gele auf die planare, passivierte Oberfläche der PV-Zelle wird eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften und der Lichteinkopplung erwartet. Die Erzeugung der Struktur geschieht durch Prägen der aufgetragenen Sol-Gel-Schicht mit elastomeren Stempeln. Durch diesen Prozess ist es möglich, die Strukturgeometrie und –größe in einem gewissen Rahmen frei zu wählen.

Im Verlauf der Promotion soll zuerst anhand wellenoptischer Modellierungen die bestmögliche Kombination von Sol-Gel-Material und Prägestruktur im Hinblick auf die Lichteinkopplung gefunden werden. Dazu werden wellenoptische Simulationen mit RCWA durchgeführt. Diese Ergebnisse werden zur Simulation der Zelle/ des Moduls für das Programm OPTOS verwendet und dieses wird zusätzlich erweitert. Mit den Ergebnissen aus der Simulation werden elastomere Stempel hergestellt, welche dann zum Prägen der Struktur dienen. Der folgende Schritt ist das definierte Auftragen des Sol-Gels auf der Oberfläche der PV-Zelle. Hierzu werden im Rahmen der Promotion verschiedene Prozesse untersucht und bewertet. Der Fokus liegt hierbei auf der Entwicklung eines durchlauffähigen Prozesses. Nach Auftragen und Prägen der Schichten findet die Aushärtung mittels UV-Licht und Sintern statt. Daran an schließt sich die Untersuchung der entstandenen Schichten.

Zusätzlich zur optisch aktiven Antireflexstrukturierung soll eine mögliche Passivierwirkung und Leitfähigkeit der Sol-Gele untersucht werden. Dies hätte den Vorteil, dass weitere Arbeitsschritte bei der Solarzellenherstellung entfallen würden, da alle nötigen Eigenschaften der PV-Zelloberfläche durch das Auftragen, Prägen und Aushärten des Sol-Gels abgedeckt werden würden. Damit könnte die Kostenstruktur weiter verbessert werden.

Die realisierten Strukturen sollen anschließend bezüglich ihrer Topographie mittels verschiedener mikroskopischer Verfahren untersucht werden. Zusätzlich sollen die optischen Eigenschaften der Strukturen spektrometrisch erfasst werden. Die Passivierwirkung der Sol-Gel-Schichten wird mittels Messung der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger untersucht. Bezüglich der elektrischen Eigenschaften werden Kontakt- und Schichtwiderstände bestimmt.

Schließlich sollen die Entwicklungen auf Solarzell- und Modulebene untersucht werden. Eine Herausforderung hierbei besteht darin, die neu entwickelten Prozesse in die Solarzellenfertigung zu integrieren und gegebenenfalls anzupassen. Wichtige Zielgrößen, welche letztendlich durch die in der Promotion angestrebten Entwicklungen beeinflusst werden sollen, sind der Kurzschlussstrom (Maß für die Lichteinkopplung) und die offene Klemmenspannnung (Maß für die Oberflächenpassivierung).

Förderzeitraum:
01.07.2017 - 30.06.2020

Institut:
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut der Mikrosystemtechnik
Lehrstuhl für Prozesstechnologie

Betreuer:

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Publikationen: