Analysis of thin film systems for crystallised silicon solar cells on floatglass

Solarzellenmodule auf Basis von mono- oder polykristallinen Siliziumwafern haben gegenwärtig einen hohen technologischen Stand erreicht. Sowohl die stabilen Zellwirkungsgrade als auch die Fertigungsqualität der Module erlauben den Herstellern langfristige Garantiezusicherungen, die dem Anwender neben der ohnehin gewährleisteten frühzeitigen energetischen Amortisierung in Deutschland durch das erneuerbare Energiengesetz auch eine lohnende finanzielle Investition ermöglicht. Im Vergleich mit anderen Formen der Stromproduktion sind die Anfangskosten der Fotovoltaik jedoch immer noch zu hoch, um bei den gegenwärtigen Strompreisen konkurrenzfähig zu sein. Die wesentlichen Kosten und Energieaufwändungen einer Solarzelle auf Waferbasis skalieren direkt mit der Menge an eingesetztem Reinstsilizium. Eine weitere Reduktion derWaferdicke oder der Sägeverluste ist nur noch in sehr begrenztem Maße möglich. Ein signifikantes Verringern des Materialeinsatzes lässt sich nur durch den Einsatz von materialfremden Substraten erreichen, die lediglich die mechanische Stabilität gewährleiten sollen. In dieser Arbeit wurden Substrate aus gezogenen Flachgläsern gewählt, die sowohl in der Energiebilanz als auch vom Kosteneinsparpotenzial deutlich unter dem Niveau von hochreinem Silizium liegen. Durch den Einsatz von Siliziumabscheideverfahren wird nur soviel Material auf dem Substrat erzeugt, wie für die elektrische Funktion erforderlich ist. Durch den Einsatz des Zonenziehprozesses entstehen polykristalline Schichten, wodurch die Materialeigenschaften denen des Wafers angeglichen werden können. Polykristalline Schichten mit Korngrößen oberhalb der Schichtdicke lassen sich nur durch ein Aufschmelzen des Siliziums erreichen. Obwohl der Erweichungspunkt der eingesetzten Flachgläser deutlich unterhalb der Siliziumschmelztemperatur liegt, wird durch den Linienelektronenstrahlprozess die zum Aufschmelzen erforderliche Temperatur in dem abgeschiedenen Silizium erreicht, ohne das darunter befindliche Glas zu beschädigen. Neben einer geeigneten Prozessführung für die Kristallisation sind zusätzliche zu dem Silizium weitere aufeinander abgestimmte Schichten erforderlich, um die Funktion der Zelle zu gewährleisten. Der Fokus dieser Arbeit lag darauf, Konzepte für Solarzellenschichtpakete zu entwerfen und diese anschließend zu realisieren. Es wurde ein Rückseitenund ein Vorderseitenkonzept erarbeitet, wobei die grundsätzlichen Anforderungen an den Schichtaufbau für beide Konzepte sehr ähnlich sind. Sie bestehen jeweils aus einem Substrat, einer Zwischenschicht, einem Absorber, einem Emitter und einer Kontaktierung. Für die mehrfachen Anforderungen an die Zwischenschicht, die sowohl Verunreinigungnen aus dem Glas zurückhalten, als auch der Siliziumschmelze widerstehen und gegebenenfalls elektrisch leitfähig sein soll, wurdenWolfram,Wolframnitrid und Siliziumkarbid als Materialien gewählt. Der eigentliche Lichtabsorber aus Silizium wurde wahlweise in einem LPCVD-, PECVD- oder PVD Prozess hergestellt, da hier der Fokus auf einer schnellen und kostengünstigen Lösung lag, um hochreines Silizium abzuscheiden. Der abschließende Emitter und die Kontaktierung wurden mit einem am Helmholtz Institut für solare Energiesysteme in Berlin entwickelten a-Si Heteroemitter mit TCO/Aluminium Kontaktierung ausgeführt, der auf Siliziumwafern erfolgreich erprobt wurde. Für die Realisierung der einzelnen Schichten wurden innerhalb dieser Arbeit mehrere Dünnschichtprozesse entwickelt, charakterisiert und hinsichtlich des Einsatzes in der Zelle optimiert.The material efford for thin film silicon solar cells on floatglass is significantly lower than for wafer based cells. Polycrystalline silicon films have been produced by zone melting crystallisation with a focussed electron beam. Layer systems based on glass, tungsten W, tungstennitride WN,siconcarbide SiC and silicon Si were produced and analysed. Realised solar cells based on these layer systems showed an efficiency of 1.75%