Bewertung der Mechanik von Wafern und Solarzellen

© Fraunhofer CSP

Im 4-Punkt-Biegversuch lässt sich das Bruch- und Festigkeitsverhaltens von Wafern bestimmen.

Materialdefekte in Form von Rissen im Silizium, die während der Waferherstellung oder auch in der Solarzellenprozessierung eingebracht werden, können sich über die gesamte Wertschöpfungskette bis hin zum Modul auf die Festigkeit und Zuverlässigkeit auswirken. Die Charakterisierung dieser Defekte im Wafer oder auch der Solarzelle leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Optimierung der Lebensdauer von Solarmodulen. Insbesondere  ein verbessertes Verständnis des Multi-Drahtsäge-Prozesses und die Charakterisierung der Prozesskomponenten (z.B. strukturierte Sägedrähte) tragen dazu bei, die Kosten im Herstellungsprozess von Siliziumwafern zu optimieren.

Leistungen

  • Bestimmung des Bruch- und Festigkeitsverhaltens von Wafern, teilprozessierten oder fertigen Solarzellen durch Bruchversuche (4-Punkt-Biegung oder Kugel-Ring-Versuch) mit statistischer Auswertung (nach Weibull + Fraktographie)
  • Bestimmung von Risstiefen in spröden Materialien durch Mikroskopie an Schrägschliffen
  • Analyse von Abtragsprozessen im Silizium
  • Quantifizierung des Schädigungspotenzials von Handhabungsprozessen und -equipment
  • Ermittlung der strukturbestimmenden Geometrieparameter (Periode, Amplitude, usw.) strukturierter Sägedrähte
  • Bestimmung der Festigkeit von Sägedrähten (glatt und strukturiert)
  • Nichtlineare multiphysikalische Finite-Elemente-Simulation von Wafern, Solarzellen oder Sägedrähten unter Belastungen im Versuch oder der Fertigung
  • Bruchmechanische Simulationen zu Einzelrissen oder Rissfortschritten

Beispiele

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Abb. 1: (a) 3D-Modell eines strukturierten Drahtes (skalierte Struktur 100:1); (b) Geometrische Charakterisierung durch Bestimmung der periodischen Biegeparameter (Biegeamplitude ai, Biegeperiode Ti).

Charakterisierung von strukturierten Sägedrähten

Der Einsatz strukturierter Sägedrähte im slurry-basierten Drahtsägen führt zu einer deutlichen Prozessverbesserung, die aber stark von der Struktur der Drähte abhängig ist. Um die Struktur zu charakterisieren und das Strukturverhalten zu analysieren, hat das Fraunhofer CSP ein spezielles Verfahren entwickelt.

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Durchbiegung eines monokristallinen Siliziumwafers während des 4-Punkt-Biegeversuchs.

Festigkeit vom Wafern und Solarzellen

Slurry- und Diamantdrahtgesägte Wafer besitzen im sägerauen Zustand (as-cut) eine sehr unterschiedliche und richtungsabhängige Festigkeit, die mit Hilfe von Ätzprozessen verbessert werden kann. Infolge von Defekten in der Metallisierung auf der Zellrückseite sinkt die Festigkeit jedoch während der Zellfertigung wieder.  

  • Kaule, F., Dietrich, S., Thormann, S., Lantzsch, R., Petter, K, Schoenfelder, S., Mechanical Strength of Diamond Wire and Slurry Sawn Wafers from Wafer to Cell and Module, EU-PVSEC 2015
  • Kaule, F., Oswald, M., Koepge, R., Klute, C., Schoenfelder, S., Comprehensive analysis of strength and reliability of silicon wafers and solar cells regarding their manufacturing processes, Photovoltaics International, 2015