Der ökologische Rucksack der Solarzellenproduktion wird leichter. Neue Bearbeitungsverfahren sparen Energie und Ressourcen, durch den Einsatz von Lasern und schnellen Durchlaufverfahren können problematische Chemikalien eingespart werden, die Zell-Herstellung wird umweltverträglicher und kostengünstiger, die Zellen werden leistungsfähiger.

Neu entwickelte massenfertigungstaugliche Bearbeitungsverfahren für höher- (< 20%) und höchsteffiziente (> 20%) kristalline Silizium-Solarzellen werden verstärkt in der Produktion eingesetzt. Bei den immer dünneren Wafern geht der Trend zu schonenden Inline-Verfahren. Die Forscher arbeiten an einseitigen Bearbeitungsschritten, Strukturierung mit Lasern, z. B. für selektive Emitter, effizienteren Passivierungs- und Metallisierungstechnologien sowie daran, Ag durch Cu zu ersetzen und von p- auf n-Substrate umzustellen. Die Qualitätssicherung profitiert davon, dass Wafer-Tracking-Verfahren, schnelle Inline- Messmethoden und eine integrierte Prozesskontrolle  entwickelt werden. Die aktuelle Forschungs- und Entwicklungsarbeit öffentlich geförderter Projekte wird gemäß dem Ablauf der Solarzellen-Bearbeitung dargestellt. (Die Institutionen und Projektpartner sind unter www.bine.info abrufbar).

Prozessketten und Reinigungsschritte

Mit dem Ziel, bei dünnen Wafern Bruchquoten unter 1% zu erreichen, arbeiten die Partner des Projektes ReST daran, mechanische Spannungen und weitere Belastungen in Prozessschritten zu minimieren; dafür werden Prozessschritte modelliert, mechanische und thermisch induzierte Spannungen in Solarzellen bewertet und optimiert.

Textur: Strukturierung der Wafer-Oberfläche

Durch Texturierung lassen sich auf kristallinen Silizium- Wafern lichtlenkende Oberflächenstrukturen gezielt einstellen; dadurch setzen Solarzellen einen höheren Anteil des Sonnenlichts in Strom um, der Wirkungsgrad steigt erheblich. Das Fraunhofer ISE arbeitet daran, mittels Rollen- Nanoimprint-Lithographie definierte Strukturen für Hocheffizienz- Solarzellen in einem für die industrielle Fertigung attraktiven Durchlaufprozess zu erzeugen.

Emitter

Der Emitter bestimmt wesentlich den maximalen Wirkungsgrad einer c-Si Solarzelle. Bei der typischen n-Emitter/p- Basis-Solarzelle wird der Emitter durch Eindiffusion von Phosphor aus einer Phosphoroxichlorid/Sauerstoff-Umgebung hergestellt. Die Universität Konstanz untersucht, wie ein Phosphor-Emitter aus der Gasphase entsteht. Durch Optimierung des Dotierprofils werden bisher im Emitter in Form von Sperrsättigungsströmen auftretende elektrische Verluste reduziert, der Zellwirkungsgrad um 0,3% absolut erhöht. In einem weiteren Schritt wird durch Einführung einer selektiven Emitterstruktur, insbesondere durch Rückätzen, der Wirkungsgrad der Zellen nochmals um 0,5% absolut gesteigert. Ein an der Universität Stuttgart entwickelter Laser-Dotierprozess erfolgt bei Zimmertemperatur unter Umgebungsbedingungen und kann in eine bestehende Produktionslinie integriert werden. Hier konnte der Solarzellenwirkungsgrad um 0,2% absolut gesteigert werden. Solarzellen mit einem ganzflächig laserdotierten Emitter erzielen einen Wirkungsgrad von 16,2%. Fraunhofer ISE entwickelt das Laser Chemical Processing- Verfahren LCP weiter, das auf einem flüssigkeitsstrahlgeführten Laser beruht, bei dem eine reaktive Chemikalie unter anderem zum lokalen n- und p-Dotieren verwendet wird. Das ISFH evaluiert das Potenzial von siebgedruckten Aluminium-dotierten p+-Emittern für die Anwendung in hocheffizienten (stabile Wirkungsgrade oberhalb 20%), industrienahen Solarzellen auf n-Typ Czochralski-Silizium.

Passivierungsschichten

Bei immer dünneren Solarzellen reicht die passivierende und optische Eigenschaft des konventionellen siebgedruckten Aluminiums auf der Zellrückseite nicht mehr aus, um gewünschte Effizienzsteigerungen zu erzielen.

Hierzu wird eine besser passivierende und auch optisch verspiegelte Rückseite benötigt. Fraunhofer ISE und Roth&Rau wollen eine SiC-Passivierungsschicht auf der Rückseite aufbringen und lokal durchkontaktieren mit einem Plasmaschritt, wie er auch auf der Vorderseite zur Antireflexschicht-Abscheidung angewendet wird. QCells untersucht neue Schichten zur Passivierung von kristallinen Silizium-Solarzellen für die industrielle Fertigung. Dabei werden Synergien zwischen neuen Passivierungstechnologien und vorhandenen Zellkonzepten, wie der Standardsiebdruckzelle, genutzt.

Das ISFH erforscht die Präparation von Siliziumgrenzflächen für die Herstellung von a-Si:H-Heterosolarzellen und entwickelt entsprechende Zellen. Auch wird das Potenzial von Aluminiumoxid-Schichten evaluiert, die mit dem Atomic Layer Deposition-Verfahren abgeschieden werden. Das Verfahren erlaubt sowohl thermische als auch plasmaunterstützte ALD und es werden auch Stapelschichten mit PECVD-Siliziumnitrid und -oxid untersucht. Aluminiumoxid eignet sich aufgrund seiner hohen festen negativen Raumladung besonders, p-Typ Silizium-Oberflächen wie Bor-Emitter von n-Typ Solarzellen über den Feldeffekt zu passivieren.

Metallisierung

Beim Siebdruck von Vorderseitenkontakten entstehen relativ breite (100 μm) Linien mit einer relativ großen Abschattung und nur mittelmäßiger elektrischer Leitfähigkeit. Mit dem Trend zu größeren, effizienteren Zellen wird dieser Verlustmechanismus immer relevanter. Fraunhofer ISE und Firma Gebr. Schmid verfolgen den Ansatz, nur eine sehr schmale und dünne Saatschicht aufzubringen, die dann mittels selektiver Silber-Galvanik verdickt wird. Die Leitfähigkeit des so aufgebrachten Materials ist wesentlich höher als die von siebgedrucktem Material, so dass aufgrund der besseren Kontaktgeometrie und –leitfähigkeit ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann. Das Fraunhofer ISE entwickelt im Rahmen des Projektes "Laserkontaktierte Rückseite von industriellen Siebdrucksolarzellen" die Grundlagen für eine industrielle Umsetzung von Solarzellen mit dielektrisch passivierter Rückseite und laser-legierten Rückseitenkontakten (laser fired contacts LFC). Es konnten Czochralski-Solarzellen mit konventionellem Siebdruck-Frontkontakt mit einem Wirkungsgrad von 18,5% demonstriert werden. Damit konnte der Zellwirkungsgrad um mindestens 4% relativ gesteigert und ein ökonomischer Vorteil von über 2% erreicht werden.

Fraunhofer ISE und Applied Materials erforschen und entwickeln die Grundlagen für die industrielle Umsetzung von physikalischen Gasphasen-Kontaktabscheidetechnologien. Mit dieser Hochratenabscheidetechnologie sollen auf einkristallinen Si-Scheiben Zellwirkungsgrade von über 20% demonstriert werden. Diese Verfahren sind sowohl für dickere Rückseitenschichten als auch dünnere Vorderseitensaatschichten für eine galvanische Verdickung nutzbar. Zur Evaluierung der Inline-Fähigkeit wird am Fraunhofer ISE ein vorkommerzieller Prototyp aufgebaut. Das ISFH erarbeitet ein Durchlauf-Hochratenvakuumaufdampfverfahren als Alternative zum heute üblichen Siebdruck.

Kantenisolation

Das konventionelle beidseitige Diffundieren eines Phosphor- Emitters macht eine Unterbrechung des elektrischen Kurzschlusses zwischen Rückkontakt und Frontemitter erforderlich. Früher wurde dies generell mittels Plasmaätzen in einem Batch-Ofen durchgeführt. Anschliessend hatte sich das Kantenisolieren mittels Laser etabliert, das mittlerweile vermehrt durch einseitiges nasschemisches Rückätzen des Emitters oder einseitiges Anbringen des Emitters ersetzt wird. Nun wird ein Gesamtsystem für ein schnelles (1s) und schädigungsminimiertes Kantenisolieren entwickelt. Dazu steuert Manz Automation ein neues System zur optischen Datenerkennung mit verbesserter Positioniergenauigkeit bei, Trumpf Laser eine Ultrakurzpuls-Laserstrahlquelle; das Laser-Zentrum Hannover entwickelte die neuartigen Ansätze zur LKI, Schott Solar stellt Solarzellen bereit und übernimmt die Auswertung sowie Tests der Proben.