Hocheffiziente Solarzellen auf ultradünnen Silizium-Wafern

Technical Showcase des Spitzenclusters Solarvalley Mitteldeutschland

Projektziel

Ziel des Projekts ist eine substantielle Senkung der spezifischen Solarzellenkosten pro Maximalleistung der Zelle [€/WP] durch eine Erhöhung des Wirkungsgrades bei gleichzeitiger Reduktion der Produktionskosten. Das Projekt xµ-Zellen setzt dabei auf die wettbewerbsübergreifende Zusammenarbeit aller Partner zur Identifizierung der optimalen Waferdicke sowie der Erarbeitung der daran angepassten Handhabungskonzepte. Mit Hilfe des vorgestellten Projekts sollen im Jahre 2013 deutsche Solarzellenhersteller erstmals Solarzellen mit einer Effizienz von mehr als 20 % an die Modulhersteller abgeben, die damit Module mit Wirkungsgraden von bis zu 19 % zu einem um ein Drittel geringeren Preis der heutigen Module auf den Markt bringen können.

Reduktion der Waferdichte

Einen wesentlichen Anteil an den Produktionskosten von Silizium-Solarzellen haben die Materialkosten, insbesondere die Kosten für die Wafer und die Kosten für Chemikalien, Metalle und Dielektrika, die während des Herstellungsprozesses verbraucht werden. Den größten Anteil an den gesamten Zell- und Modulkosten hat aber weiterhin die benötigte Siliziummasse pro Wafer. Die heute übliche Waferdicke von 180 µm ± 20 µm und damit die benötigte Siliziummasse könnte mit einer weiterentwickelten Sägetechnik möglicherweise halbiert werden, wenn es die Leistungsdaten der darauf prozessierten Zellen ohne Verlust zulassen. Im Zuge des hier vorgestellten Projekts wurde an der Reduktion der Waferdicke für Solarzellen gearbeitet. Dabei wurde zunächst theoretisch und experimentell der Einfluss der Waferdicke auf die Bruchfestigkeit der Wafer (vgl. Abb. 1a) und auf die Zelleffizienz (vgl. Abb. 1b) untersucht.

Die Resultate der Messungen zeigten, dass die Bruchmechanik sowohl theoretisch als auch bei der Handhabung in automatisierten Zellprozessanlagen bis hinunter auf 120 µm keine prinzipiellen Probleme erwarten lässt. Die Zelleffizienz nimmt mit sinkender Zelldicke ab. Dieses Verhalten ist auf die abnehmende Absorption des langwelligen Anteils des Sonnenlichts in den dünner werdenden Zellen zurückzuführen.

Im ersten Teil des Projekts wurde ermittelt, bis zu welcher Waferdicke sich die heute übliche vollflächige Aluminium-Siebdruckrückseite einsetzen lässt, bevor die Waferverbiegung durch den Bimetalleffekt oder der Wirkungsgradverlust zu groß werden. Es wurden zwei Alternativpasten B, C zur Standardpaste A getestet, die bei Waferdicken von 160 µm einen relativen Effizienzverlust von mehr als 1 % verursacht. Im Vergleich zur Referenzpaste A wiesen Zellen mit der Paste C eine etwa 1 % rel. höhere Zelleffizienz auf (siehe Abb. 2a). Der Vergleich zum 180 µm Wafer zeigt jedoch immer noch einen kleinen relativen Verlust von ca. 0,4 % auf. Ein ähnliches Verhalten zeigt sich bei der Analyse der Zellbiegung (siehe Abb. 2b). Experimentell wurde somit für Standardsolarzellen mit Aluminiumlegierter Rückseite auf monokristallinen Wafern das Minimum der "as-cut-Waferdicke" bei gerade noch tolerierbarer Zellverbiegung (bow) bei ca. 160 µm gefunden. Im Ergebnis ließ sich festhalten, dass dünne Siliziumwafer bis hinunter auf 160 µm nur mit Hilfe einer "low-bow-Paste" (Paste C) realisierbar sind, damit sowohl der Effizienzverlust (<0,5 % relativ) als auch die Zellverbiegung akzeptabel bleiben.

Passivierter Emitter and Rear Cell

Um sowohl dem Effizienzverlust als auch der Waferverbiegung entgegenzuwirken, muss die Aluminiumlegierte Rückseite durch eine dielektrisch passivierte Rückseite ersetzt werden, was sich sowohl mechanisch als auch optisch und elektrisch positiv auf die Zelleffizienz auswirkt. Bei diesen sogenannten PERC-Zellen (Passivierter Emitter and Rear Cell) wird die Rückseite der Siliziumzelle mit einer oder mehreren isolierenden Schichten passiviert und verspiegelt, so dass sie günstigere Reflektionseigenschaften für langwelliges Sonnenlicht und eine geringere Rekombinationsgeschwindigkeit für Ladungsträger träger aufweist.

Im Zuge des Projektes wurden verschiedene Arten dieser Passivierschichtfolgen auf der Rückseite getestet und verschiedene Arten der lokalen Durchkontaktierung verglichen. Damit wurde dann die Prozessierung von multi- und monokristallinen PERC-Zellen für Waferdicken beginnend ab 180 µm bis hinunter zu 130 µm erfolgreich durchgeführt (s. Abb. 3). Dabei wurde bestätigt, dass sich mit einer dielektrischen Rückseitenpassivierung auf dünnen Wafern mit verschiedenen Verfahren der lokalen Kontaktierung Wirkungsgrade jenseits der 19 % erreicht werden können (Abb. 4).

Anschlussvorhaben

In einem Anschlussvorhaben (xµ-Zellen - Phase 2) soll nun demonstriert werden, dass sich großflächige, hauptsächlich Rückseitenkontaktierte Solarzellen mit einer Effizienz von mehr als 20 % auf x µm (x ® 150 µm) dünnen Wafern realisieren lassen, deren Modulkosten gleichzeitig um 33 % niedriger liegen als bei herkömmlichen Solarzellen.