Die Baseline zur industriellen Herstellung von hocheffizienten Silizium-Heterojunction-Solarzellen
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 Institut für Energie- und Klimaforschung 5 - Photovoltaik - am Forschungszentrum Jülich (IEK-5) 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.
Was bieten wir an?
- SHJ-Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad
- SHJ-Solarzellen, die für die Anwendung in Silizium-Tandemsolarzellen angepasst wurden
- Passivierende Kontaktschichten für andere Silizium-Solarzellen
- Unterstützung bei der Entwicklung von SHJ-Solarzellen
- Unterstützung der Partner beim Hochfahren ihrer SHJ-Solarzellenproduktion
- Referenzprozesslinie für die Entwicklung neuer Prozesse, Materialien und Messverfahren für Zulieferer der SHJ-Solarzellenindustrie
- Weiterentwicklung von vielversprechenden Materialien und Verfahren aus der Grundlagenforschung für SHJ-Solarzellen
- Angepasste Solarzellen für neue fortschrittliche Solarmodulkonzepte
Dr. Andreas Lambertz
Leiter Silizium Heterostruktur Solarzellen Baseline
- Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK)
- Photovoltaik (IEK-5)
Raum 3017