Vorlesung Solarenergie: Terminplanung

Vorlesung Nr.

Termin Thema Dozent

1 Di. 24.10.06 Wirtschaftliche Aspekte/Energiequelle Sonne

Lemmer/Heering

2 Di. 31.10.06 Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer 3 Fr. 03.11.06 Kristalline pn-Solarzellen Heering Di. 07.11.06 Lichttechnik-Tage "Automobile Licht-

und Displaytechnik" in Karlsruhe

4 Fr. 10.11.06 Elektrische Eigenschaften Heering 5 Di. 14.11.06 Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer 6 Di. 21.11.06 Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer 7 Fr. 24.11.06 Anorganische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 8 Di. 28.11.06 Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 9 Di. 05.12.06 Third Generation Photovoltaics Lemmer 10 Fr. 08.12.06 Photovoltaische Systeme I Heering 11 Di. 12.12.06 Photovoltaische Systeme II Heering 12 Di. 19.12.06 Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien

13 Di. 09.01.07 Passive Sonnenenergienutzung Heering 14 Di. 16.01.07 Solarthermische Kraftwerke Lemmer 15 Di. 23.01.07 Energiespeicher/Solarchemie Heering 16 Di. 30.01.07 Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering 17 Di. 06.02.07 Energieszenarien Lemmer

Di. 13.02. 07 Exkursion Heering/Lemmer

Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien

kommerzielle Wirkungsgrade: mono-Si: (14-17 %)multi-Si: (13-15 %)amorph: (5-8 %) Quelle: Luther

Kostenaufteilung bei einer Solarzelle

Quelle: Luther, FhG ISE

Die verschiedenen Schritte auf dem Wege zur Si-Wafer

„Feuerstein“(SiO2)

- Herstellung von metallurgischem Silizium

- Refraktionierung (Siemens-Verfahren)

- Herstellung von hochreinem Poly-Si-Material

- Kristallzucht

Si-Wafer- Schneiden von Wafern

Silizium-Reinheitsgrad SGS

MGS-Material (metallurgical grade silicon): 98% Reinheit ( 1: 10-2 ) nach Reduktion aus SiO2, als Si-Granulat für150 kWh/ kg: Gesamtmenge > 106 t/Jahr für Verfahrenstechnik

SGS-Material (solar grade silicon): „5 Neunen“99,999 % Reinheit ( 1:10-5) + kolumnar erstarrt als Blockguss-Silizium600 kWh / kg SGS-Silizium; insges. ca. 24*103 t/Jahr für Solarzellen

EGS-Material (electronic grade silicon): „7 Neunen“99,999.99 % Reinheit ( 1:10-7 ) nach Fraktionierter Destillation von Chlorsilanen + Tiegelziehen von CZ-Kristallen:1000 kWh /kg EGS-Silizium; 25*103 t/Jahr für Mikroelektronik-Chips

Quelle: Prof. Wagemann, TU Berlin

1. Herstellung von metallurgischem Si

SiO2 (Quarz) und Kohlenstoffwerden in feingemahlenerForm in Graphittiegel eingebracht

Lichtbogen erzeugt Schmelze

Reduktion von Silizium(SiO2 + 2C → Si + 2CO)

flüssiges Si kann abgezapft werden

Dank an Prof. Werner, IPE Uni Stuttgart für dieJHW-Bilder !

- Reinheit noch nicht ausreichend(noch kein „electronic grade“)- brutal energieaufwändig (140 kwh/kg)

2. Refraktionierung

feingemahlenes metallurgisches Si wird in einem Wirbelsinterofen gasförmigem Chlorwasserstoff ausgesetzt

Si+3HCl →SiHCl3+H2(exotherme Reaktion zu Trichlorsilan (TSiede=30°C))

mehrstufige Destillation

Trennung von Verunreinigungen

Verunreinigungsgrad < 10-12

3. Herstellung von polykristallinem Si

Gereinigtes Trichlorsilan wird mit H2in Reaktor geleitet

Reduktion von SiHCl3 an heißem Si-Stab

(4 SiHCl3 + 2H2→ 3Si +SiCl4+8HCl)

Wachstum von hochreinen Si-Stäben

„Siemens-Prozeß“(Spenke et al. 1953-1956)

4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren

-für gute Transporteigenschaften isteinkristallines Material erforderlich

Bruchstücke von poly-Si werden unter Schutzgas aufgeschmolzen

(TS=1415 °C)

Eintauchen eines einkristallinen Keims

einkristallines Wachstum unterZieh- und Drehbewegungen

Wachstum von einkristallinen Stäben

-Dotierung möglich durch Zugabe von hochdotierten Si-Stücken

-Sauerstoffeinbau war lange Zeit ein Problem (Nichtstrahlende Rekombination)

4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren

-für gute Transporteigenschaften isteinkristallines Material erforderlich

Bruchstücke von poly-Si werden unter Schutzgas aufgeschmolzen

(TS=1415 °C)

Eintauchen eines einkristallinen Keims

einkristallines Wachstum unterZieh- und Drehbewegungen

Wachstum von einkristallinen Stäben

(Foto: Wacker Siltronic Burghausen)

-Dotierung möglich durch Zugabe von hochdotierten Si-Stücken

-Sauerstoffeinbau war lange Zeit ein Problem (Nichtstrahlende Rekombination)

4. Einkristallwachstum: b) Zonenziehverfahren

poly-Si-Stab wird abschnittsweise durchInduktionsheizung aufgeschmolzen

Verunreinigungen haben höhere Löslichkeitin flüssiger Phase → Reinigung

beim Abkühlen erfolgt einkristallines Wachstum

an poly-Si-Stab wird einkristallinerKeim angeschmolzen

- Dotierung in Anwesenheit von Dotiergasen

- bessere Kristalle, aber teurer

5. Herstellung von Wafern

Innenlochsäge

-200-400 µm Dicke- 50 % Sägeverluste

-in beiden Fällen diamantbesetztesSägemedium Drahtschleiftechnik

- dünnere Wafer möglich

Energiebedarf bei Waferproduktion

Modul: 50 Wp

- Energierücklaufzeiten von 6-8 Jahren

Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien

kommerzielle Wirkungsgrade: mono-Si: (14-17 %)multi-Si: (13-15 %)amorph: (5-8 %)

Quelle: Luther

Herstellung von poly(multi)kristallinem Silizium

kontrollierte Abkühlung sorgt für kolumnare Strukturen

geschmolzenes Si wird in Graphittiegelgegossen

Zersägen in viereckige Scheiben

Herstellung von poly(multi)kristallinem Siliziumzellen

kontrolliertes Abkühlen von unten nach oben

"solar grade" Silizium / SGS geschmolzenes Silizium

kolumnares Kristallit-Wachstum von unten nach oben Bildung eines poly-kristallinen Silizium-Blockes

Zersägen in Blöcke Drahtsägen in Wafer Silizium-Wafer

Herstellung von poly-kristallinen Silizium-Wafern aus Blöcken(Quellen: C.Gerhards, Dissertation, Konstanz 2002,

U.Kindereit, Studienarbeit, Berlin 2004)

Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien

kommerzielle Wirkungsgrade: mono-Si: (14-17 %)multi-Si: (13-15 %)amorph: (5-8 %)

Quelle: Sarasinstudie

Schicht- und Bandsilizium (Folienmaterialien)0,28 mm

geschmolzenes Silizium

Graphit-Kapillare

Prinzip:

Bänder und Wafer werden durch Laser getrennt.

0,28 mm

Prinzip:

Edge defined film growth (EFG-Verfahren)

-geschmolzenes Silizium wird über Kapillarkräfte direkt in der richtigen Dicke gezogen

-Sägen entfällt- Probleme aufgrund zahlreicher Defekte

Von der Scheibe zur Solarzelle

- Ausgangspunkt: p (Bor)-dotierte Si-Wafer

-Elektronen als Minoritätsladungsträger im p-Bereichweisen eine größere Diffusionslänge auf

Eindiffusion des Emitterkontaktes

Phosphin (PH) bzw. Phosphoroxychlorid (POCl3) wird an die heiße Si-Oberfläche gebracht

Reaktion zu P2O5 → dient als Diffusionsquelle an der Oberfläche

Diffusionstechnologie

Eindiffusion bei hohen Temperaturen

Einbau auf Si-Gitterplatz alsDonator

Solarzellentechnologie

-Trockenätzen der Kanten- Naßätzen des Glases

- Siebdruck der Metallkontakte

Solarzellentechnologie

Siebdrucken zur Metallisierung+ geringer Investitionsaufwand (keine Vakuumtechnik)

+ Automatisierbarkeit des Verfahrens

- Metall (Ag für Frontkontakt, Al für Rückkontakt) als einige µm großePartikel

- Bleioxid, Blei(Zink)-Bor-Silikate, Bindemittel

- Aufbringen durch Siebdruck

- Sintern der Schicht bei ca. 600 °C

- Si-Schicht wird angelöst

- beim Abkühlen entsteht rekristallisierte Si-Schicht mit hohen Ag-Anteil

Siebdrucken

- für Rückseitenkontakt wird Al (dreiwertig) verwendet- wird bei 800 °C einlegiert und ergibt damit eine p+ Dotierung

- Erzeugung des Back-Surface-Feldes

Siebdrucken: AR-Schicht

-Siebdrucken funktioniert auch für die Antireflexschicht:

Verwendung einer Paste mit TiO2 (Brechungsindex 1.9..2.3)

→ auch ohne einen interferometrischen Effekt (λ/4-Schicht) ergibtsich eine Reduktion der Reflexionsverluste:

2 21 2

/1 2

1 4 36%1 4Luft Si

n nRn n− −

= = =+ +

direkter Übergang Luft/Si:

2 2 2 2/ 0 / / / /

2 2 2

(1 )

1 2 1 2 2 41 21%1 2 1 2 2 4

Luft Ti Si Luft TiO Luft TiO TiO SiR R R R= + − =

− − −+ − ≈ + + +

Zweistufiger Übergang Luft/TiO2/Si:

Hochvakuum-Aufdampftechnologie

-AR-Schichten(λ/4-Schichten)

- Metallschichten

Technologie bei hocheffizienten Zellen

- Passivierung durch Oxidationstechnologie

- Herstellung der Punktkontakte durch Photolithographie

- Texturierung der Oberfläche

Oxidationstechnologie

Trockene Oxidation:

(Si + O2 → SiO2)

Feuchte Oxidation:

(2Si + O2 +2H2O → 2SiO2+2H2)

-SiO2-Wachstum wird im Laufe des Prozesses verlangsamt, daSauerstoff durch die frisch gewachsene Schicht hindurchdiffundieren muss

Photolithographie

Nach dem Entwickeln können entweder die belichteten oder die unbelichteten Bereiche stehenbleiben, je nach Wahl des Lacks (negativ/positiv).

Photolithographie: Lift-off-Prozess

Texturierung der Oberfläche: Anisotropes Nassätzen mit KOH

-durch Maskierung mit SiO2 können regelmässige Pyramiden erzeugt werden

-ohne Maskierung ergeben sich willkürliche-Pyramiden

-Ätzgeschwindigkeit hängt von der Kristallrichtung ab

Texturierung der Oberfläche: Anisotropes Nassätzen mit KOH

-durch Maskierung mit SiO2 können regelmässige Pyramiden erzeugt werden

-Ätzgeschwindigkeit hängt von der Kristallrichtung ab

-ohne Maskierung ergeben sich willkürliche-Pyramiden

Texturierung der Oberfläche: Pyramiden

25 %-Zelle (U of New South Wales, Australien)

-extrem reines einkristallines Silizium-strukturierte Oberfläche und AR-Beschichtung-dünne Finger aus Ag-passivierte Emitterseite-emitterseitige Punktkontakte mit Hochdotierung

http://www.pv.unsw.edu.au

www.solarworld.de