Low-Cost-Solarzellen aus schnell gezogenen Silizium-Folien

In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Silizium-Folien Materialien im Hinblick auf ihre Verwendung in der Photovoltaik analysiert. Beide Materialien wurden von Industriepartnern zu Forschungszwecken hergestellt und stehen vor der Kommerzialisierung.Weiterhin wurde eine neue ortsaufgelöste Charakterisierungsmethode entwickelt, die es erlaubt, wärmeerzeugende Verlustmechanismen in pn-Strukturen und Solarzellen kontaktlos bildhaft darzustellen.Das Folienmaterial RGS (Ribbon Growth on Substrate) wird auf einem Substrat direkt als Wafer aus der Silizium-Schmelze gezogen. Das mit einem Wafer pro Sekunde sehr schnelle Herstellungsverfahren, bei dem keine Sägeverluste anfallen, verspricht bei ausreichend hohen Wirkungsgraden eine deutliche Kostenreduktion.RGS Material mit einer hohen und niedrigen interstitiellen Sauerstoffkonzentration wurde untersucht. Die Diffusivität von Wasserstoff ist in RGS Material mit hohem Sauerstoffgehalt durch einen zusätzlichen, auf Trapping basierenden Diffusionsmechanismus verlangsamt. Eine nur auf PECVD-SiN basierende Wasserstoff-Passivierung während eines industrie-typischen Zellprozesses ist damit nicht ausreichend. Daher wurde zusätzlich mit Hilfe der MIRHP-Technik passiviert.Neben erhöhten Wirkungsgraden wurden bei Solarzellen aus RGS mit geringer Sauerstoffkonzentration jedoch mitunter flächige wie auch punktförmige Kurzschlüsse beobachtet. Thermographische Untersuchungen zeigten ein ohmsches Verhalten der flächenartigen Kurzschlüsse, die kohlenstoffhaltigen Defekten zugeschrieben wurden. Als Quelle punktförmiger Shunts konnte durch eine thermographische Prozessüberwachung Aluminium ausgemacht werden, das während des Legierungsvorganges durch ausgedehnte Defekte von der Zellrückseite auf die Zellvorderseite gesogen wurde.Das Ersetzen der flächigen Rückseitenmetallisierung durch eine Gridstruktur führt wegen der reduzierten Wahrscheinlichkeit, Kurzschluss-Pfade zu kontaktieren, zu einer Erhöhung des Füllfaktors. Ein Zellkonzept mit offener Rückseitenmetallisierung, das nur einen Prozessschritt mehr als ein industrienaher Siebdruckprozess beinhaltet, zeigte als Folge von Phosphor- und Aluminium-Gettern sowie der Wasserstoff-Passivierung von Volumendefekten eine Erhöhung der Lebensdauer um den Faktor 10 von 0.5 auf 5 Mikrosekunden in sauerstoffarmem Material. Mit 13% wurde damit der bisher höchste gemessene Wirkungsgrad für eine siebgedruckte RGS Solarzelle mit einfacher Antireflexionsschicht erreicht. Mit diesem Ergebnis reduziert sich der Siliziumverbrauch pro Watt_Peak im Vergleich zu einer multikristallinen Industriesolarzelle um knapp 50%.100 Mikrometer dünne Solarzellen, prozessiert aus unplanarisierten RGS Wafern, erreichten Effizienzen von bis zu 10.6% für einen noch nicht auf die stark reduzierte Waferdicke optimierten Zellprozess. Der Siliziumverbrauch pro Watt_Peak im Vergleich zu multikristallinen Industriesolarzellen (10.5 g/Watt_Peak) reduziert sich mit diesem Ergebnis weiter auf über 70% (2.9 g/Watt_Peak).MW (Molded Wafer), das zweite in dieser Arbeit untersuchte Folienmaterial wird aus Siliziumpulver auf einem Substrat rekristallisiert. Der bestehende Siebdruck-Zellprozess wurde an die große Waferdicke von 500 bis 800 Mikrometer und die relativ unebenen Waferoberflächen angepasst.MW Material, das während der Produktion gegettert wurde, zeigte im Vergleich mit ungegettertem Material mehr als eine Verdopplung der Diffusionslänge, wie durch IQE-Messungen von Solarzellen nachgewiesen wurde.Verschiedene Isotextur-Lösungen zur Erhöhung der Kurzschlussstromdichte wurden untersucht. Das bevorzugte Ätzen von Korngrenzen und dadurch limitierte Voc-Werte durch eine der untersuchten Textur-Lösungen wurde beobachtet. Solarzellen, die mit einer weiteren Lösung texturiert wurden, zeigten hingegen keine Limitierung in der offenen Klemmenspannung, was mit um bis zu 1.3 mA/cm2 erhöhten Jsc-Werten zu dem höchsten für dieses Material veröffentlichten Wirkungsgrad einer siebgedruckten Solarzelle von 11.9% führte.Ein Lock-In Thermographie Messplatz wurde im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut und um eine neue Messmethode, die illuminated Lock-In Thermograpy erweitert. iLIT verwendet zur Generation des Lock-In Referenzsignals keine externe Signalquelle, sondern generiert über photovoltaische Konversion das Signal in der Probe selbst. Die zu messende Probe muss dazu außer einer pn-Struktur keine Metallisierung aufweisen, was für Solarzellen ein kontaktloses und damit kontaminationsfreies Überwachen aller Prozessschritte bereits nach der Emitter-Formierung ermöglicht.Anhand von Messungen wurde gezeigt, dass iLIT aufgrund der homogenen Injektion im Gegensatz zu LIT durch geänderte Strompfade die Verlustmechanismen, die während des realen Solarzellenbetriebs auftreten, besser beschreibt.Der aufgebaute Messplatz diente als Prototyp für das bereits kommerzialisierte System LimoLIT Test Bench der Infratec GmbH Dresden