Lasertechnik in der Silicium-Wafer-Photovoltaik · p-Typ Silicium-Wafer Anti-Reflex-Schicht...

FVS-Jahrestagung 2007

Von der Solarzellenfertigung zur Modultechnologie

Lasertechnik in der Silicium-Wafer-Photovoltaik

N.-P. Harder, A. Grohe, R. Hendel, D. Huljic


Gliederung

• Schneiden von Silicium • Beschriften / Markieren • Schicht-Strukturierung bei Dünnschichtmodulen • Kantenisolation bei Siliciumwafer-Zellen und bei Dünnschicht-Photovoltaikmodulen • Siliziumstrukturierung für „Buried-Contact“-Solarzellen

Lasertechnologie und Photovoltaik: In Forschung und Entwicklung Befähigung neuer Konzepte für Zelle und Modul • Laser-gefeuerte Kontakte: Light-Trapping und verringerte Rekombination • Laser-Bohren von Löchern: Hohe Solarzellen-Effizienzen mit günstigem Silicium • Siliziumstrukturierung: Rückkontakt-Hocheffizienzzellen • Laserdotierung: Herstellung selektiver Emitter • Ablation von Dielektrika auf Silizium: Kontaktöffnungen für Hocheffizienzzellen • Laserprozessbasierte Zellentwicklung: Prototyp für industrielle Massenproduktion • Laserlöten auf Laminierfolien: Berührungslose Zellverbindungstechnik

Lasertechnologie und Photovoltaik: In der Produktion Eine bewährte Partnerschaft


Spot-Größe: ca. 50 µm Effektive Schneide-geschw: 200mm/s

Schneiden von Silicium-Wafern


Beschriften und Markieren

Scanner


Strukturieren und Kantenisolieren bei Dünnschicht- und Si-Wafer-Zellen


Amorphes Silicium

Glas TCO (transparent conducting oxide)

Rück Kontakt (Metall)

Film Substrat

laser beam

laser beam

Front Kontakt

p+ -Al-BSF

Si (p)

n+

Kantenisolations-Schnitt (Entkopplung des Front-Emitters

von Kante und rückseitigem Al-BSF)

laser beam


Siliziumstrukturierung für „Buried-Contact“-Solarzellen


Laser Strahl

Plasma

Schmelz- Austrieb

V

Laser Graben mit versenkten Kontakten

Rück-Kontakt

Si (p)

n+


• Industriell einsetzbare Alternativen zur Photolithograpie • Schnelles Strukturieren sehr großer Flächen • Schnelles Bohren zehntausender Löcher durch Siliciumwafer • Berührungsloses Verfahren zur Prozessierung dünner Wafer • Lokale Dotierung von Silizium • Laserprozess-basierte Solarzellenentwicklung: Das Quebec-Projekt • Minimierten Hitzeeintrag bei Lötprozessen

Lasertechnologie und Photovoltaik: In Forschung und Entwicklung Befähigung neuer Konzepte für Zelle und Modul

Neue Laser ermöglichen Neue Prozesse und befähigen dadurch Neue Konzepte


Schneiderlöchner et al., 17th EC-PVSEC, 2001, 1303.


Laser-Gefeuerte Kontakte (LFC) Herkömmliche Solarzelle Solarzelle mit LFC-Rückseite

• ganzflächiges (Al-) BSF mittels gefeuertem Siebdruck • dicke Metallisierung Bow • geringe Rückseiten Reflexion

• nur lokale Kontakte mit (Al-) BSF mittels lokalen Laser-Feuerns • dünne Metallisierung möglich • hohe Rückseiten Reflexion durch SiOx-Schicht






Elektronenmikroskop-Aufnahme:

LFC-Punkt:

150 µm






gebogene Siebdruck-Zelle

flache LFC-Zelle





• nur lokale Kontakte mit (Al-) BSF mittels lokalen Laser-Feuerns • dünne Metallisierung möglich • hohe Rückseiten Reflexion durch SiOx-Schicht 900 1000 1100 12000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

20.09.2007, D:\ .Backup\ Messwert e\ nrp- ue\ Verglei che\ AlBSF vs LFC. opj

Al-BSF LFC

IQE

, R

wavelength λ (nm)

Quanten- effizienz und Relexions- messung



Laser-Gefeuerte Kontakte (LFC)

LFC-Rückseite

Hocheffizienz-Vorderseite mit Photolithographie

22.0 % Wirkungsgrad (2 x 2 cm2 FZ p-Typ Silicium)

Glunz et al., 4th WCPEC, Hawaii 2006, pp. 1016



Laser-bohren von Löchern Solarzelle mit EWT-Struktur

( „ E m i t t e r W r a p T h r o u g h “ )

• Kontaktierung des Front-Emitters durch laser-gebohrte EWT-Löcher • Kein Metall auf Vorderseite keine Abschattung Hoher Strom • Vergrößerte Fläche des p-n Überganges Effiziente Stromsammlung


Ablationstiefe pro Laser-Schuss

Ätzen des Laser-induzierten Kristallschadens in EWT-Löchern

Körner et al., Appl. Phys. A, 63 (1996) 123-131 Eidelloth et al., Diploma Thesis, ISFH / FH Münster, 2006

Laser-bohren von Löchern



Laser-bohren von Löchern Solarzelle mit EWT-Struktur ( „ E m i t t e r W r a p T h r o u g h “ )

Starcut Disc 100 ICQ



Laser-bohren von Löchern Solarzelle mit EWT-Struktur ( „ E m i t t e r W r a p T h r o u g h “ )

Loch-Durchmesser: 500 µm Rate: 25 Löcher / Sek.

Starcut Disc 100 ICQ

Loch-Durchmesser: 65 µm Rate:

bis zu 3000 Löcher / Sek.



Flächige Strukturierung von Silicium

Engelhart et al., Proc. 25th ICALEO Conference, 2006, 218

Grabentiefe nach verschieden langem Ätzen [µm]




Nic

ht la

ser-b

ehan

delt

(Bas

is-F

inge

r)

Laser-ablatierte Fläche (Emitter)

Laser-gebohrte Löcher nm355=λnm532=λnm1064=λ

Pulst ns30 ns30ns30

minz ( ) m14 µ± ( ) m13 µ±m2510 µ−




Rear Interdigitated Single Evaporation Engelhart et al., Proc. PVSEC-15, Shanghai, 2005, 802 Engelhart et al., Prog. Photovolt. Res. Appl. 15 (2007), 237 Hermann et al., 21st EC-PVSEC, Milano, 2007

Wirkungsgrad:

21.4 %

RISE-EWT Solarzelle


dislocations

100 nm

surface

melt depth

dislocations

100 nm

surface

melt depth


Laser-Dotierung

Siliziumwafer

Flüssiger Dotierstoff

liquid dopandprecursor

silicon wafer

electrode

electrode

siliconwafer

HV

target

Siliziumwafer



silicon waferSiliziumwafer



silicon wafer

electrode

electrode

siliconwafer

HV

target

electrode

electrode

siliconwafer

HV

electrode

electrode

siliconwafer

HV

target

laser beam

laser focus

scanningdirection

laser beam

laser focus

scanningdirection

0 100 200 300 400 5001018

1019

1020

Ep= 1.5, 2.5, 3.5 J/cm²Pulsüberlapp O

y = 0.2

Kon

zent

ratio

n C

[cm

-3]

Tiefe d [nm]

EP = 1.5, 2.5, 3.5 J/cm2pulse overlap Oy = 0.5

phos

phor

usco

ncen

tratio

n[c

m-3

]

depth [nm]depth z [nm]0 100 200 300 400 500

1018

1019

1020

Ep= 1.5, 2.5, 3.5 J/cm²Pulsüberlapp O

y = 0.2

Kon

zent

ratio

n C

[cm

-3]

Tiefe d [nm]


phos

phor

usco

ncen

tratio

n[c

m-3

]

depth [nm]depth z [nm]


phos

phor

usco

ncen

tratio

n[c

m-3

]

depth [nm]depth z [nm]

1. Dotierstoff aufbringen

2. Lokales Laser-Feuern („Eintreiben“)

3. Epitaktisches Erstarren mit Dotierstoff-Einbau

J. R. Köhler, M. Ametowobla, and A. Esturo-Breton in Proc. 20th EC-PVSEC (2006)



Laser-Dotierung Solarzellen-Ergebnisse:

15.7 75.5 32.87 632.5 Selektive Laserdotierung unter Kontakten 14.6 71.6 33.25 611.1 Nur homogene Diffusion η [%] FF [%] JSC [mA/cm²] VOC [mV] Emitter

Homogene Vorderseiten Diffusion: 90 Ohm/sq

15.9 77.5 32.65 628.7 Selektive Laserdotierung unter Kontakten 16.0 77.8 33.06 623.9 Nur homogene Diffusion η [%] FF [%] JSC [mA/cm²] VOC [mV] Emitter

Homogene Vorderseiten Diffusion: 150 Ohm/sq

A. Grohe, Dissertationschrift (in Bearbeitung); S. Hopman et al., 21st EC-PVSEC (2007) Milano



Ablation dielektrischer Schichten

p-Typ Si n+-Typ Diffusion

dielektrische Schicht

Typisches Anwendungs-Beispiel:

La

ser

Metall

Ziel: Vorteil:

Herausforderung:

Definition von Schichtöffnungen für z.B. Punktkontakte Berührungslose Laser-Prozessierung 1. Vollständige Öffnung/Entfernung der Schicht bei 2. … gleichzeitiger Vermeidung von Si-Kristallschaden



Ablation dielektrischer Schichten: SixNy

19,1 78,6 38,0 639 Laser-Ablation

19,0 78,5 38,0 637 Photolitho-graphie

[%] [%] [mA/ cm²] [mV]

η FF JSC VOC

Ablation von SixNy

anschließend: Galvanik

100 µm

A.Knorz et al., 21st EC-PVSEC (2007) Milano

VOC : 634 mV JSC : 40.6 mA/cm2 FF : 76.4 % η : 19.7 %

SiNx Si approx. 25 µm

P.Engelhart et al., Proc. WCPEC-4 (2006) p. 1024



Ablation von SiO2 mittels Kurzpuls-Laser

Pikosekunden-Laserpulse zur Ablation von Kontaktpunkten

Kontaktpunkte

SiO2

Si SiO2

VOC : 663 mV JSC : 39.9 mA/cm2 FF : 81.5 % η : 21.5 %

S. Hermann et al., 21st Europen Photovoltaic Solar Energy Conference (2006) Milano



Laser-basierte Solarzellenentwicklung

D. Huljic et al., 21st EC-PVSEC (2006) Milano

Quebec-Projekt:


Laser-basierte Solarzellenentwicklung

Ort der Pilot- und Testlinie

n-Typ Kontaktfinger

Pyramiden-Textur

n++-“back-surface-field“

p++-Emitter Passivierschicht

p-Typ Silicium-Wafer

Anti-Reflex-Schicht Passivierschicht „back-surface-field“

p-Typ Kontaktfinger Kontaktlöcher durch die Passivierschicht

Vorderseite der Solarzelle

Rückseite Reiner-Lemoine-Center

Bau einer Testlinie für Umsetzung der Quebec-Zelle bei Q-Cells:


Herkömmliche Modulverschaltung

Handling

Handling


processing head

lens

CCDpyrometer

monitor

controler

CW HDL

Laser radiation=980 nmλ

data

data

data

optical fibre

emit ted inf rared radiation

xy-tableon-laminate solar cell

tinned copper ribbons

housing

glassEVA


Auf-Laminat-Löten: „pick and place“

M. Gast, M. Köntges, R. Brendel “Lead-Free On-Laminat-Laser-Soldering: A new module assembling concept”, Progress in Photovoltaics: Research and Application. (in press)


Zusammenfassung Lasertechnologie und Photovoltaik: Eine bewährte Partnerschaft mit Innovationspotential für die Zukunft !

• Lasertechnik befähigt neue Solarzellenkonzepte • Schnelle Perforation und großflächige Bearbeitung von Silicium-Wafern durch moderne leistungsstarke Laser • Kurzpulslaser als produktionsrelevante Alternative zu klassischer Photolithographie • Selektive Kontaktierung und Dotierung mittels Laser • Auf-Laminat-Laser-Löten für vereinfachte Modulverschaltung

Danksagung: Die hier dargestellten Erfolge basieren auf der effektiven Forschungsförderung der öffentlichen Hand !


Danksagung

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