Lokale Laserdiffusion zur Herstellung hocheffizienter Siliziumsolarzellen

Medientyp: E-Book

Titel: Lokale Laserdiffusion zur Herstellung hocheffizienter Siliziumsolarzellen

Beteiligte: Weber, Julian [Verfasser]; Glunz, Stefan [Akademischer Betreuer]

Körperschaft: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Erschienen: Freiburg: Universität, 2021

Umfang: Online-Ressource

Sprache: Deutsch

DOI: 10.6094/UNIFR/219014

Identifikator:

Schlagwörter: Solarzelle ; Laser ; Diffusion ; Metallisieren ; Lasertechnologie ; Dotierungsprofil ; Laserbearbeitung ; Fotovoltaik ; Silicium ; Dotierung ; Prozessentwicklung ; Modellierung ; (local)doctoralThesis

Entstehung:

Hochschulschrift: Dissertation, Universität Freiburg, 2021

Anmerkungen:

Beschreibung: Abstract: Die vorliegende Arbeit befasst sich mit lasergestützten Diffusionsprozessen zur Herstellung hocheffizienter „passivated emitter and rear cells“ (PERC-Solarzellen) mit laserdotiertem selektiven Emitter (LDSE). Das zentrale Thema der Arbeit stellt die „Laserdiffusion aus dem Phosphorsilikatglas (PSG)“ dar. Dabei handelt es sich um einen weit verbreiteten Ansatz zur LDSE-Implementierung. Das nach der Rohrofendiffusion vorliegende PSG wird dabei als Dotierstoffquelle genutzt, um den Emitter in den designierten Bereichen der Vorderseitenmetallisierung nachzudotieren. Dies geschieht typischerweise mittels gepulster Laserstrahlung, durch die PSG und Silizium lokal und für weniger als eine Mikrosekunde pro Laserpuls aufgeschmolzen werden.<br>Die Arbeit vereint drei Themenkomplexe: Solarzellen aus monokristallinem Silizium, die Lasertechnologie und speziell die Laserdiffusion aus dem PSG. Jedem dieser Themenkomplexe ist ein eigenes Kapitel gewidmet, in dem die für diese Arbeit relevanten theoretischen Grundlagen erläutert werden. Im Anschluss an diese ersten, grundlegenden Kapitel werden vielseitige simulative und experimentelle Untersuchungen zur LDSE-Implementierung vorgestellt (inklusive der zum Einsatz gekommenen Charakterisierungsmethoden). Dabei wird unter anderem den Fragen nachgegangen, welche Rolle die zwischen PSG und Silizium befindliche Siliziumdioxidschicht („Zwischenoxid“) bei der Laserdiffusion spielt und ob es im Zuge der Laserdiffusion zum Verdampfen des PSG-Zwischenoxid-Stapels („PSG-Schichtstapel“) kommt. Des Weiteren wird erforscht, inwiefern die Mikrostruktur an der Grenzfläche zwischen LDSE und Metallisierung den spezifischen Kontaktwiderstand und die Emittersättigungsstromdichte beeinflusst. Neben der Beantwortung dieser und weiterer wissenschaftlichen Fragestellungen widmet sich die vorliegende Arbeit drei, im Hinblick auf die zukünftige LDSE-Generation möglicherweise wegweisenden, technologischen Ansätzen: einem Verfahren zur hochpräzisen Alignierung zwischen LDSE und Vorderseitenmetallisierung, dem Einsatz eines Polygon-Scanners zur Beschleunigung der LDSE-Prozessierung und einem innovativen Ansatz zur LDSE-Implementierung, der die Veränderung gleich mehrerer Schritte in der Prozesskette zur Herstellung von PERC-Solarzellen vorsieht.<br>Was das Prozessverständnis angeht, so liefert diese Arbeit wichtige Erkenntnisse bezüglich der Laserdiffusion. Hervorzuheben ist hierbei die Erkenntnis, dass im Fall einer „random pyramids“ Textur ein charakteristischer Schwellwert der Laserintensität existiert, durch den sich zwei Prozessregime ergeben. Oberhalb dieses Schwellwertes führt die Laserdiffusion zu einem Abplatzen des PSG-Schichtstapels sowie zur Planarisierung der Pyramidenstruktur. Je stärker die Planarisierung der Siliziumoberfläche, desto weniger Silberkristallite bilden sich während des Feuerprozesses pro Flächenelement und desto größer ist daher der spezifische Kontaktwiderstand. So lautet das Fazit vielschichtigen Untersuchungen zur Mikrostruktur der Grenzfläche zwischen LDSE und Metallisierung. Diese umfassen eine Rasterelektronenmikroskop Studie, „scanning spreading resistance microscopy“ Messungen (die erstmalig die Dotierstoffverteilung in einem LDSE auf Mikrometer-Skala auflösen) und die Modellierung des Kontaktwiderstands an den Silberkristalliten. Für Laserintensitäten unterhalb des charakteristischen Schwellwertes wird in dieser Arbeit ein neuartiges Modell entwickelt, das den Ablauf der Laserdiffusion beschreibt. Diesem Modell zufolge bleibt im Prozessregime „geringer Laserintensitäten“ die Pyramidenstruktur der Siliziumoberfläche größtenteils erhalten, ebenso der PSG-Schichtstapel. Insbesondere gilt dies für die Pyramidentäler, in denen die Temperatur geringer ist als an den Pyramidenspitzen. Angenommen werden kann, dass im Bereich der Pyramidentäler die Schmelztemperatur des Zwischenoxids nicht überschritten wird. Das Zwischenoxid bleibt fest und verhindert somit die Eindiffusion von Phosphoratomen aus dem PSG ins Silizium. Anders verhält es sich im Bereich der Pyramidenspitzen. Hier staut sich die laserinduzierte Wärme, sodass Silizium, PSG und Zwischenoxid geschmolzen werden. Entsprechend stark werden die Pyramidenspitzen dotiert bzw. verformt.<br>Die obigen Ausführungen lassen erahnen, wie komplex die Entwicklung laserdotierter selektiver Emitter ist. Dieser Umstand wird in der vorliegenden Arbeit eingehend diskutiert, zum einen anhand von Simulationen, die mittels der Software „Quokka3“ durchgeführt wurden, zum anderen im Kontext zweier Experimente, in denen durch die LDSE-Implementierung eine Steigerung von offener Klemmspannung und Füllfaktor im Bereich von 7,3 mV bzw. 1,6% erzielt werden konnte. Die Diskussion über die Herausforderungen bei der Herstellung von Solarzellen mit LDSE mündet in der Evaluierung eines innovativen Ansatzes zur LDSE-Implementierung. Dieser geht auf die Promotion von Marius Meßmer am Fraunhofer ISE zurück und wurde oben bereits angesprochen. Bei diesem Ansatz wird ein Großteil des Temperaturbudgets, das im Zuge der Rohrofendiffusion zur Emitterausbildung aufgewandt wird, in die thermische Oxidation „verlagert“. Letztere erfolgt im Anschluss an die Laserdiffusion, die PSG-Ätze, die Kantenisolation und eine Reinigung der Wafer. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass bei diesem Ansatz der spezifische Kontaktwiderstand weitestgehend unabhängig von den zur LDSE-Prozessierung gewählten Prozessparametern ist, und mit ≤0,6 mΩcm2 gleichzeitig extrem niedrig. Nachgewiesen wird außerdem, dass es zur Ausheilung laserinduzierter Defekte kommen kann. Demonstriert wird dies für eine neuartige Form der LDSE-Prozessierung, die oben bereits anklang, die Kombination eines Polygon-Scanners mit einer infraroten, „continuous wave“ Laserquelle. Dieser innovative Ansatz zur LDSE-Prozessierung ermöglicht eine Prozessdauer von 0,4 s pro Solarzellenwafer und setzt in dieser Hinsicht neue Maßstäbe. Neue Maßstäbe setzt auch der dritte technologische Ansatz, der zuvor erwähnt wurde, das Verfahren zur hochpräzisen Alignierung zwischen LDSE und Vorderseitenmetallisierung. Demonstriert wird in dieser Arbeit die passgenaue Alignierung zwischen einem äußerst schmalen LDSE mit 26 µm Breite und 7 µm breiten „laser contact openings“, die zur Kontaktierung des LDSE mittels Plating dienen. Die vorliegende Arbeit leistet somit einen relevanten Beitrag zur Forschung im Bereich laserdotierter selektiver Emitter, nicht nur durch die Erweiterung des Prozessverständnisses, sondern auch in technologischer Hinsicht

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