Beschichtung und Passivierung

© Fraunhofer CSP

REM-Aufnahme einer Mottenaugen-Struktur für kristalline Siliziumsolarzellen in der Aufsicht.

Zukünftige hochwertige Solarzellentechnologien und Solaranlagen müssen hohen Anforderungen gerecht werden. Neben geringen Kosten spielt die Qualität und Langlebigkeit der Produkte eine entscheidende Rolle. Im Team Beschichtung und Passivierung wird hierfür an zwei wichtigen Anwendungen gearbeitet:

  • Entwicklung eines Prozesses zur Plasmatexturierung der Oberfläche von Siliziumwafern mit geringen Oberflächenschäden und hoher Lichtabsorption: Diese Plasmatexturierung soll nahtlos in aktuelle Produktionsprozesse integriert werden können und mittelfristig die Nassbank 1 ersetzen.
  • Entwicklung einer ladungsträgerinduzierten Passivierung effizienzlimitierender Defekte im mono- und multi-kristallinen Silizium:  Ziel ist es, dadurch die lichtinduzierte Degradation von Solarzellen zu vermeiden.

Das Team Beschichtung und Passivierung betreut darüber hinaus das Geräteentwicklungslabor des Fraunhofer CSP. Wir unterstützen interessierte Partner in der Entwicklung und Vermarktung von Prozessen und Geräten und verfügen über Erfahrungen in der Verfassung und Umsetzung von Standards.

Leistungen

  • Plasmatexturierung von Silizium- und Glasoberflächen
  • Beschichtung mittels PECVD und Charakterisierung der Schicht (Dicke, Brechungsindex, chem. Zusammensetzung, ...)
  • Untersuchung der licht- und ladungsträgerinduzierten Degradation und Regeneration; Entwicklung von Regenerationsprozessen
  • Lebensdauermessungen von Siliziummaterialien inkl. Probenpräparation und Passivierung (AlOx, SiNx)
  • Geräteentwicklung und Standards
  • Bestimmung der H-Effusion aus SiN:H-Schichten

Beispiele

© Fraunhofer CSP

REM-Aufnahme einer Plasmatextur nach der Siliziumnitrid-Abscheidung in der Aufsicht.

© Fraunhofer CSP

Gemessene globale Reflexion, Transmission und Absorption einer Plasmatextur als Funktion der Wellenlänge.

Maskenlose Plasmatexturierung von Solarzellen durch SF6 und O2

Die Verringerung der Reflexion ist Grundvoraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad von Solarzellen. Daher wird am Fraunhofer CSP eine Technologie zur Plasmatexturierung von Solarzellen entwickelt, um deren optische Eigenschaften weiter zu verbessern. Durch die Plasmatexturierung entstehen auf der Oberfläche des Siliziums Nanostrukturen, welche die Reflexion des einfallenden Lichtes soweit reduzieren, dass die Solarzelle für den Betrachter schwarz erscheint. Dadurch kann die maximale Leistung von Solarmodulen im Feld weiter verbessert werden. Gleichzeitig ermöglicht die Plasmaätze auch die Texturierung sogenannter kerf-less Wafer, welche in den nächsten Jahren dank ihrer kostengünstigen Produktion  in der industriellen Fertigung an Bedeutung gewinnen werden.

light induced degredation
© LayTec

Mit LID Scope kann schon auf Zellebene getestet werden, wie hoch die Leistungseinbußen durch LID sein werden.

LID-Test für Siliziumsolarzellen

Die PERC-Technologie ist der Senkrechtstarter in der Photovoltaik: PERC-Solarzellen, deren Rückseite passiviert ist, haben einen signifikant höheren Wirkungsgrad als Standardzellen und gewinnen kontinuierlich Marktanteile.  Bei PERC-Modulen aus multikristallinem Silizium ergibt sich allerdings eine wesentliche Herausforderung: Es treten Leistungseinbußen durch lichtinduzierte Degradation (LID) auf. Die Berliner Firma LayTec stellt mit LID Scope nun ein Gerät zur Verfügung, das eine einfache, schnelle und flexible Qualitätskontrolle für diesen Effekt schon auf Zellebene ermöglicht. Angewendet werden kann das am Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP Messverfahren auch auf alle lichtinduzierten Degradationseffekte in Siliziumsolarzellen.  

© Fraunhofer CSP

Effussionsmessplatz im Geräteentwicklungslabor des Fraunhofer CSP.

© Fraunhofer CSP

Am Messplatz kann die H-Effusion aus SiN:H-Schichten bestimmt werden.

© Fraunhofer CSP

Wasserstoff-Effusionsrate, gemessen mit dem Effusionsmesssystem bei konstanter Wärmeleistung für zwei Arten von SiN. Unterschiede in der Ergusstemperatur deuten auf zwei Arten von Mikrostrukturen in SiN hin.

Bestimmung der H-Effusion aus SiN:H-Schichten

Die Passivierung des Siliziumvolumens durch Wasserstoff ist ein essentieller Prozess bei der Produktion von Solarzellen und eine Grundvoraussetzung für einen maximalen Wirkungsgrad. Dazu wird in einer industriellen Fertigung eine wasserstoffreiche SiN:H-Schicht in einem Plasmaprozess auf der Solarzellenoberfläche abgeschieden. Anschließend wird diese SiN:H-Schicht in einem thermischen Prozess aktiviert, wodurch der Wasserstoff aus dieser Schicht in das Volumen der Solarzelle diffundieren kann. Dort bindet der Wasserstoff sogenannte Rekombinationszentren, beispielsweise an Verunreinigungen, wodurch der Wirkungsgrad einer Solarzelle verbessert werden kann. Jedoch ist auch eine Effusion des Wasserstoffs, d.h. ein Ausdampfen des Wasserstoffs in die Atmosphäre, bei einer thermischen Aktivierung der SiN:H-Schicht möglich.

Daher ist für eine Optimierung der SiN:H-Passivierung die Kenntnis der H-Effusion aus dem System notwendig. Das Fraunhofer CSP verfügt seit November 2017 über einen Effusionsmessplatz, um diesen Effekt besser quantifizieren zu können. Die Effusionsmessung unterstützt die Entwicklung einer optimierten SiN:H-Volumenpassivierung, beispielweise durch die Analyse von sogenannten ‚Capping Layer‘, welche eine H-Effusion in die Atmosphäre unterdrücken und damit die H-Diffusion in das Siliziumvolumen verbessern sollen.