Motten-Augen-Strukturen für kristalline Solarzellen

© Foto Fraunhofer CSP

Abbildung 1: Aufsicht Motten-Augen-Strukturen für kristalline Silizium Solarzellen (Elektronenmikroskopie).

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Abbildung 2: Globale Reflexion von Motten-Augen-Strukturen verglichen mit konventionellen Texturen von kristallinen Silizium-Wafern (ohne Antireflexionsbeschichtung).

Eine spezielle Nanostrukturierung von kristallinem Silizium imitiert die Oberflächenstruktur von Mottenaugen und verringert dadurch optische Verluste bei Solarzellen.

Forscher am Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP und der Hochschule Anhalt haben eine Nanostrukturierung für kristalline Solarzellen entwickelt, welche die optischen Eigenschaften von Motten-Augen imitiert. In der Natur schützt diese Struktur die Nachtfalter vor der Entdeckung durch Fressfeinde. Ziel der technologischen Entwicklung ist eine Implementierung in aktuelle Industrieabläufe. Durch diese Technologie lassen sich geringste Reflexionen an der Oberfläche erzielen, was wiederum zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Solarzellen führt.

Physikalische Grundlage dieses Motten-Augen-Effektes sind Oberflächenstrukturen mit einer Breite von 400 nm und kleiner. Die Strukturbreiten der Textur befinden sich in der Größenordnung des sichtbaren Lichtes, wodurch die Textur als ein sogenanntes Effektives-Medium arbeitet. Dieses effektive Medium bewirkt einen graduellen Brechungsindexübergang zwischen Luft und Silizium, was die klassische Snelliussche Reflexion unterbindet. Das einfallende Licht wird fast vollständig in den Kristall eingekoppelt.

Da die Mottenaugenstrukturen durch einen isotropen Plasmaätzprozess durch SF6 und Sauerstoff hergestellt werden, ist diese Technologie sowohl für monokristallines als auch für multikristallines Silizium unabhängig der Kristallorientierung geeignet. Darüber hinaus ist der Plasmaätzprozess weitgehend unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der zu texturierenden Wafer. Dadurch eignet sich die Technologie insbesondere für eine Texturierung von diamantdrahtgesägten Wafern als auch von Wafern aus sogenannten »kerf-less« Technologien.

Als nächster Schritt ist die Untersuchung des Einflusses der Mottenaugenstrukturen auf nachfolgende Prozessschritte in der industriellen Fertigung von Solarzellen angedacht. Beispielsweise muss die Oberflächenpassivierung und Metallisierung auf die Mottenaugenstrukturen angepasst werden. Aus diesem Grund wird derzeit an der Optimierung der SiN-Oberflächenpassivierung und an der Reinigung der Nanostrukturen gearbeitet. Ziel dieser Optimierung ist der komplette Verzicht auf nasschemische Prozessschritte, da diese einen Kosten- und Sicherheitsfaktor in der industriellen Fertigung darstellen.

Diese Entwicklung ist das Ergebnis der Kooperation der Hochschule Anhalt und dem Fraunhofer Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) im Rahmen des Forschungsprojektes Struktur-Solar (BMBF 03SF0417A).