Si-Material

Motivation

Bei Waferkosten von ca. 30-40% der Modulkosten stellt der Si-Wafer als Ausgangsprodukt für ein Solarmodul einen gewichtigen Kostenfaktor dar. Gegenwärtig werden mehr als 90% aller Photovoltaik-Module auf der Basis von kristallinen Si-Wafern gefertigt, wobei für diese Wafer unterschiedliche Herstellungstechniken zum Einsatz kommen. Die daraus resultierende unterschiedliche Defektverteilung hat entscheidende Auswirkungen auf die spätere Solarzelleneffizienz. Durch eine gute physikalische Kenntnis der vorliegenden Defekte und deren Verteilung, sowie ein umfassendes Verständnis von deren Veränderungen im Solarzellenprozess kann die Effizienz von Solarzellen für unterschiedliche Si-Materialklassen deutlich verbessert werden. Desweiteren muss gewährleistet sein, dass die in der fertigen Solarzelle noch verbleibenden Defekte in stabilen Konfigurationen vorliegen, um einen stabilen Betrieb des Solarmoduls sicherzustellen.

Si-Wafer Ausgangsmaterialien

Die Qualität von Si-Wafern weist eine große Bandbreite auf, wobei bereits die Qualität des eingesetzten Si-Rohstoffmaterials bei der Kristallisation variiert. Ein weiterer Faktor ist die Kristallisationsart: Bei Folien-Si-Materialien wird der Wafer direkt aus der Si-Schmelze gewonnen, was aufwändige Sägeprozesse mit den damit verbundenen hohen Materialverlusten unnötig macht und somit einen entscheidenden potentiellen Kosten- und Energievorteil mit sich bringt. Allerdings unterliegen diese Folien-Si-Materialien aufgrund der relativ schnell ablaufenden Kristallisation einer hohen Defektdichte, die das Wirkungsgradpotential der daraus hergestellten Solarzellen begrenzt.

In der Klasse der blockgegossenen multikristallinen (mc) Si-Materialien, auf denen derzeit ein Fokus in dieser Arbeitsgruppe liegt, sind in den letzten Jahren entscheidende Verbesserungen der Kristallisation erreicht worden. Verbesserte Tiegel und Tiegelbeschichtungen verringern die Eindiffusion von Kontaminationen in den Si-Ingot, wodurch die verwendbare Materialausbeute bei einem mc-Si-Block erhöht werden kann. Der Einsatz von Saat-Materialien am Tiegelboden ermöglicht die Blockzucht von sogenanntem quasi-mono-Si, also einem nahezu monokristallinem Si-Material. Beim sogenannten high performance mc-Si liegen hingegen weiterhin Korngrenzen vor, allerdings sind die Kristallisationsbedingungen dahingehend optimiert worden, dass dieses Material für mc-Si sehr hohe Lebensdauern der Minoritätsladungsträger von teilweise über 1 ms aufweist. Dennoch unterliegen blockgegossene-Si-Wafer Qualitätsschwankungen aufgrund ihrer Position im mc-Si-Block, wie beispielsweise der Abhängigkeit der metallischen Verunreinigungsverteilung über die Blockhöhe oder der Dichte von Versetzungen.

Neben den blockgegossenen Si-Materialien kommen in dieser Arbeitsgruppe auch verschiedene einkristalline Si-Materialien wie Cz- oder FZ-Si mit einer deutlich geringeren Defektkonzentration zum Einsatz. Diese Materialien sind in ihrer Herstellung teilweise deutlich aufwändiger als mc-Si, haben dafür aber ein höheres Wirkungsgradpotential bei Solarzellen. Es ist nachwievor noch nicht geklärt, warum mc-Si-Materialien in lokal einkristallinen Bereichen meist nicht die Qualität der einkristallinen Si-Materialien erreichen, sodass der ständige Vergleich beider Materialklassen standardmäßig in nahezu allen Experimenten erfolgt.

Zur Untersuchung von Defekteinflüssen, die derzeit in den in der Photovoltaik-Branche eingesetzten Materialien noch durch vorherrschende kristallographische oder kontaminationsbedingte Effekte überdeckt werden, werden Si-Materialien eingesetzt, die aufgrund ihres aufwändigen Herstellungsprozesses und hoher Materialreinheit zu teuer für eine kommerzielle PV-Anwendung sind. Diese Materialien sind für das Verständnis von Defekten und der ultimativen Limitierungen der Materialien wissenschaftlich aber von entscheidender Bedeutung.

Zusätzlich zu derart hochqualitativen Materialien werden besonders im Bereich des mc-Si-Materials in dieser Arbeitsgruppe Materialien eingesetzt, bei denen eine Defektart, wie beispielsweise die Konzentration einzelner oder mehrerer metallischer Verunreinigungen, während der Kristallisation gezielt erhöht und manipuliert wird. Derartige Veränderungen der Materialqualität und -eigenschaften vereinfachen die Untersuchung von Auswirkungen einzelner Defektarten auf die Si-Materialqualität und deren Veränderungen während des Solarzellenherstellungsprozesses.

Eine genaue Kenntnis der Materialeigenschaften dieser verschiedenen Si-Materialklassen ist von entscheidender Bedeutung, wenn das Verhalten von Defekten in der Solarzelle verstanden und das Potential dieser Si-Materialien für Photovoltaik-Anwendungen ermittelt werden soll.

Defektcharakterisierung

Für die Bewertung der Materialqualität ist eine umfassende Charakterisierung der Defekte in den vorliegenden Si-Materialien sehr wichtig. Besondere Bedeutung kommt hierbei der Bestimmung der Minoritätsladungsträgerlebensdauer zu, die ein Maß für die Materialqualität ist und zunächst indirekte Hinweise auf die zugrundeliegenden Defekte gibt. Injektions- und Temperatur-abhängige Lebensdauermessungen ermöglichen Rückschlüsse auf weitere Defekteigenschaften. Ortsaufgelöste Lebensdauermessungen und deren Vergleich mit anderen Messmethoden erlauben Rückschlüsse auf die zugrundeliegende Defektstruktur. Der Bestimmung der interstitiellen Fe-Konzentration liegen ebenfalls gezielt durchgeführte Lebensdauermessungen zugrunde.

Für Lebensdauermessungen entscheidend ist die Trennung von Volumen- und Oberflächeneffekten. Eine ausreichend gute Oberflächenpassivierung ist nötig, um Aussagen über die eigentlich interessierende Volumenlebensdauer machen zu können. Ein Nachteil von etablierten Verfahren zur Oberflächenpassivierung ist jedoch, dass die Herstellung der Passivierungsschichten meist mit Temperaturschritten oder einem Eintrag von H in das Si-Volumen verbunden ist, was Auswirkungen auf die elektrische Aktivität der Defekte haben kann. Daher werden zu diesem Zweck diese Oberflächenpassivierungen für Lebensdauermessungen optimiert und neue nasschemische Verfahren untersucht, die diese Volumenveränderungen minimieren oder im Idealfall erst gar nicht aufweisen.

Zur Korrelation der Lebensdauer mit der zugrundeliegenden Defektstruktur kommen weitere Verfahren zur Bestimmung von kristallographischen Eigenschaften, wie der Lokalisierung von Korngrenzen, der Bestimmung von Kristallorientierung und der Versetzungsdichte zum Einsatz. Darüber hinaus werden mikroskopische Methoden eingesetzt, um die lokale Rekombinationsaktivität von Defekten zu bestimmen oder Verunreinigungen direkt nachzuweisen, wie die Analyse von TEM-Lamellen oder das in dieser Arbeitsgruppe entwickelte 3D-FIB-Verfahren zum Nachweis metallischer Präzipitate.

Defektevolution während der Solarzellenherstellung

Die vorliegende Defektstruktur in Si-Materialien verändert sich im Laufe des Solarzellenprozesses. Entscheidend sind hierbei meist Hochtemperaturprozesse, wie das Gettern von Verunreinigungen während der Emitterbildung oder das abschließende Feuern zur Kontaktierung und zum Eintreiben von Wasserstoff. Die Effektivität derartiger Prozessschritte hängt dabei sehr von der Defektart und -verteilung ab. Die genaue Wechselwirkung der vorliegenden Defektstruktur mit angewendeten Prozessschritten ist Gegenstand aktueller Forschung. Zu diesem Zweck werden die Proben nach jedem einzelnen (Teil-)Prozessschritt oder nach Anwendung nur einzelner Prozessparameter wie der Temperatur einer detaillierten Defektcharakterisierung unterzogen.

Der derzeitige Fokus dieser Arbeitsgruppe liegt auf den Prozessschritten des Getterns, des Einflusses der H-Passivierung und des Feuerns. Hinsichtlich des Getterprozesses werden beispielsweise etablierte Verfahren wie die POCl₃-Diffusion mit neuartigen Ansätzen eines mittels APCVD-abgeschiedenen Dotierglases und anschließender Diffusion verglichen. Neben dem Verständnis der Wechselwirkung dieser Prozessschritte mit der Defektstruktur ist es ebenso wichtig, die für die elektrische Funktion einer Solarzelle wichtigen Eigenschaften dieser Prozessschritte, wie der Emitterbildung, zu erhalten oder gar zu verbessern.

Die H-Passivierung von Defekten durch Feuern einer H-reichen dielektrischen Schicht stellt einen weiteren Prozessschritt dar, der eine starke Auswirkung besonders auf die elektrischen Eigenschaften von Defekten hat. Der den Solarzellenprozess normalerweise abschließende Feuerschritt verändert durch den hohen Temperatureintrag noch einmal die Defekteigenschaften und kann beispielsweise auch dazu führen, dass sich bereits gegetterte Verunreinigungen wieder im Material verteilen. Neben dem Verständnis der Wechselwirkung von Defekten mit einzelnen Prozessschritten ist es daher äußerst wichtig, stets den gesamten Solarzellenprozess im Auge zu behalten.

Langzeitstabilität

Verschiedene Degradationsmechanismen und die Langzeitstabilität von Solarzellen haben sich in den letzten Jahren zu einem hochaktuellen Forschungsthema entwickelt. Rekombinationsaktive Bor-Sauerstoff (BO) korrelierte Defekte bilden sich unter Ladungsträgerinjektion (also z.B. unter Beleuchtung) vor allem in monokristallinem Czochralski-Si und verringern den Wirkungsgrad der Solarzelle unter Arbeitsbedingungen. Eine sehr elegante Möglichkeit, die schädliche Wirkung dieses auch Licht-induzierte Degradation (LID) genannten Phänomens rückgängig zu machen, wurde 2006 an der Universität Konstanz entdeckt. Dieses als Regeneration bezeichnete Verfahren erlaubt es, die schädliche Wirkung der BO-korrelierten Defekte nach der Solarzellen-Herstellung prinzipiell vollständig zu eliminieren. Hierzu wurden und werden intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt.

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich zudem mit LeTID (Light and elevated Temperature Induced Degradation) in mc-Si und der bei gleichen Bedingungen nachfolgenden Regeneration. Neben effektiven externen Getterschritten ist hierbei der Einfluss des Feuerns von zentraler Bedeutung. Zur Eingrenzung des zugrundeliegenden Defektes werden zusätzlich auch die Messbedingungen, wie beispielsweise die Temperatur, variiert. Basierend auf diesen Untersuchungen konnten erste Modellvorstellungen des verursachenden Defektes bzw. der diesen Defekt beeinflussenden Faktoren (Wasserstoff und metallische Kontaminationen) gefunden werden. Die Ursache für LeTID und die genaue Defektevolution während der Degradation und anschließender Regeneration ist jedoch noch bei weitem nicht abschließend aufgeklärt.

LeTID tritt in allen Klassen von mc-Si-Materialien auf. Das Lebensdauerniveau bei maximaler Degradation unterscheidet sich dabei kaum zwischen kosteneffizient hergestellten oder gar absichtlich kontaminierten Materialien im Vergleich zu hochqualitativen mc-Si-Materialien mit Anfangslebensdauern von bis zu 1 ms. Mittlerweile gibt es auch Hinweise, dass LeTID nicht auf mc-Si beschränkt ist, sondern auch in einkristallinen Materialien auftritt.

Charakterisierung neuer Silizium-Materialien

Im Rahmen der zur Verfügung stehenden Mittel werden grundlegende Forschungen und Untersuchungen durchgeführt, wie z.B. Studien der Kristallstruktur der Si-Materialien sowie der Rekombinationseigenschaften der Kristalldefekte. Auch werden gemeinsam mit der Gruppe Charakterisierung Messtechniken entwickelt und eingesetzt, die im Rahmen der bestehenden Projekte und Kooperationen bislang nicht zur Verfügung stehen. Dazu werden z.B. Messplätze aufgebaut, die ortsaufgelöst die Charakteristika der Si-Materialien darstellen können. Beispiele dafür sind die Lock-In Thermographie, mit der kleinste Temperaturänderungen bis hinunter in den µK-Bereich auf einer Solarzelle detektiert werden können und somit Aufschluss über Verlustquellen innerhalb der Solarzelle geben sowie die zeitaufgelöste Photolumineszenz.

Das Bild zeigt eine in der Hand gehaltene 5x5 cm² Solarzelle. Es wurde mit einer IR-Kamera, die im Wellenlängenbereich 3-5 µm sensitiv ist, aufgenommen. Si ist transparent in diesem Wellenlängenbereich, da die Photonenenergie dort kleiner als die Bandlückenenergie von Si ist. Daher kann neben der Vorderseiten-Metallisierung auch die Rückseiten-Metallisierung (Grid-Struktur mit zwei Busbars) durch die Zelle hindurch gesehen werden. In der Falschfarbendarstellung sind rote Bereiche wärmer und blaue kälter.