Laserbasierte Wärmebehandlung zur Wirkungsgradstabilisierung und -steigerung von Solarzellen

Abstract: In der Solarzellenproduktion stellen Wärmebehandlungen essentielle Prozessschritte dar. Dazu gehören beispielsweise die Passivierung des Bor-Sauerstoff (BO)-Defekts sowie der Hochtemperatur-Feuerschritt zur Formierung eines Metall-Halbleiter-Kontakts zwischen Silizium (Si) und Aluminium (Al). Die Prozesseffektivität wird dabei maßgeblich durch die Temperatur und deren zeitlichen Verlauf bestimmt. Daher nimmt eine genaue Regelung oder Steuerung der Temperatur in thermischen Anlagen eine wichtige Rolle ein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hierzu ein laserbasierter Rapid Thermal Processing (RTP)-Aufbau konzipiert, aufgebaut und kontinuierlich weiterentwickelt. Um eine vollflächige Laserbestrahlung der Probe zu erreichen, werden sogenannte Oberflächenemitter bzw. Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) eingesetzt. Die Erwärmung des Zielsubstrats erfolgt dabei ausschließlich durch Absorption der Bestrahlungsenergie, was eine selektive Erwärmung der Probe ermöglicht. Neben hohen Heizraten von bis zu 600 K/s erlaubt dies auch eine hohe Ladungsträgerinjektion in Silizium. Im Vergleich zu konventionellen Öfen lässt sich dadurch eine komplexere Prozessgestaltung realisieren sowie weitere Anwendungsgebiete neben der rein thermischen Prozessierung erschließen.
Für den laserbasierten RTP-Aufbau wurde zunächst ein tiefgreifendes Prozess- und Anlagenverständnis erarbeitet. Dies umfasst unter anderem ein aufgestelltes und experimentell verifiziertes Simulationsmodell einer laserbasierten Wärmebehandlung. Damit können die realisierbaren Parameterräume und die Prozessdynamik potentieller Anwendungen aufgezeigt sowie zukünftige laserbasierte RTP-Systeme ausgelegt werden. Um das Potential einer Wärmebehandlung schnell und einfach über sehr große Parameterbereiche identifizieren zu können, wurde eine Methode entwickelt, die mit nur einer Probe einen breiten Temperaturbereich von z. B. 100 bis 500 °C untersuchen kann. Dies ermöglicht zum einen ein vollständiges Bild des Temperatureinflusses und zum anderen eine deutliche Reduzierung des Material- und Zeitaufwands bei der Prozessentwicklung. Im Vergleich zu bisherigen wissenschaftlichen Veröffentlichungen ergab sich dadurch ein umfassenderes Bild des Temperaturverhaltens der untersuchten Prozesse. Die im Rahmen dieser Arbeit identifizierten und entwickelten Prozesse sind im Folgenden aufgeführt:
Durch einen Regenerationsprozess kann der Bor-Sauerstoff (BO)-Defekt in einen rekombinationsarmen Zustand überführt werden, wodurch ein Wirkungsgradverlust von 1 %abs unterbunden werden kann. Die Prozessdauer sowie -effektivität werden dabei maßgeblich von der Temperatur und der Ladungsträgerinjektion bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Einflussgrößen des Regenerationsprozesses für Bor-dotierte Czochralski-Silizium (Cz-Si) Solarzellen identifiziert und darauf aufbauend eine Vorgehensweise zur gezielten Prozessoptimierung entwickelt. Hierdurch konnte eine nahezu vollständige Regeneration aller BO-Defekte innerhalb einer industrierelevanten Prozessdauer von wenigen Sekunden erreicht werden. Zudem konnte der Wirkungsgradvorteil auch auf einer Durchlaufanlage sowie auf der Modulebene im Feldtest gezeigt werden.
Bei galvanisch abgeschiedenen Nickel/Kupfer/Silber (Ni/Cu/Ag)-Kontakten dient ein anschließender Temperschritt zur Verbesserung des Kontaktwiderstands. In dieser Arbeit wurde ein kombinierter Prozess aus einem Ni/Cu/Ag-Kontakttemperschritt und einer BO-Regeneration für Bor-dotierte Cz-Si Solarzellen entwickelt. Hierbei wurden die prozessrelevanten Größen untersucht und ein industrietauglicher Prozess erarbeitet. Neben einer erfolgreichen BO-Regeneration konnte eine deutliche Reduzierung des Kontaktwiderstands innerhalb von 10 s erreicht werden. Dabei vereinfacht der entwickelte Prozess zum einen die Prozesssequenz und führt zum anderen zu einer deutlichen Beschleunigung des Kontakttemperns von 120 s in einem konventionellen Temperofen auf 10 s.
Die Light and elevated Temperature Induced Degradation (LeTID) bildet sich unter moderaten Temperaturen und Beleuchtung über einen Zeitraum von mehreren Jahren im Feld aus. Infolgedessen kann ein Wirkungsgradverlust von bis zu 14 % auftreten. Dabei folgt der Degradationsphase eine Regenerationsphase, wobei sich der Wirkungsgrad wieder erholt. Die Defektkinetik und damit der LeTID-induzierte Wirkungsgradverlust lassen sich allerdings durch eine Wärmebehandlung mit einer hohen Ladungsträgerinjektion beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit wurde hierfür zunächst eine geeignete Kenngröße eingeführt, welche die Auswirkung von LeTID auf einen Kennwert zusammenfasst und somit einen einfachen Vergleich zwischen verschiedenen Prozessen ermöglicht. Im Rahmen einer umfassenden Parameterstudie wurden die verschiedenen Einflussgrößen identifiziert und evaluiert. Auf dieser Grundlage wurden Prozessbedingungen für einen zeitoptimierten Prozess erarbeitet. Dies führte zu einer erheblichen Verkürzung der Bestrahlungsdauer von 600 auf 30 s bei vergleichbarer Prozesseffektivität. Dabei konnte der LeTID-bedingte Energieertragsverlust um bis zu 60 % reduziert werden.
Bei Si-Heterojunction (SHJ)-Solarzellen konnte in dieser Arbeit eine Wirkungsgradsteigerung von 0,3 %abs durch einen Hochintensitäts-Bestrahlungsschritt (engl.: Light Soaking) bei moderaten Temperaturen erzielt werden. Hierfür wurden die prozessrelevanten Parameter identifiziert sowie diskutiert und darauf aufbauend ein erfolgreicher Prozessübertrag auf eine Durchlaufanlage erreicht. Dabei kann der entwickelte Prozess einen standardmäßig verwendeten Temperschritt unter einer deutlichen Beschleunigung von 60 auf 5 s ersetzen. Die Wirkungsgradsteigerung wurde einer verbesserten Passiviereigenschaft der amorphen sowie wasserstoffreichen (a)-Si:H-Schicht und einem verringerten Schichtwiderstand der Indiumzinnoxid (ITO)-Schicht zugeschrieben.
Der vielfältige und erfolgreiche Einsatz der laserbasierten Öfen hat daher das Potential traditionelle Öfen zu ersetzen, da neben der flexiblen Prozessgestaltung und dem daraus resultierenden breiten Anwendungsspektrum auch ein energieeffizienterer Anlagenbetrieb durch die selektive Erwärmung der Probe ermöglicht wird. Dabei stellen die gewonnenen Erkenntnisse über den laserbasierten RTP-Aufbau und dessen Prozessführung sowie die entwickelten Verfahren die Grundlage für zukünftige Prozess- und Anlagenentwicklungen dar
Abstract: In the production of solar cells, heat treatments are essential process steps. These include, for example, the passivation of the boron-oxygen (BO) defect as well as the high-temperature firing step to form a metal-semiconductor contact between silicon (Si) and aluminum (Al). The process efficacy depends greatly on the temperature and its variation over time. Therefore, the precise regulation or control of temperature has an important role in furnaces. Within the scope of this work, a laser-based Rapid Thermal Processing (RTP) setup was designed, built and continuously improved for this purpose. In order to achieve full-surface laser irradiation of the sample, so-called vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL) are used. The target substrate is heated primarily by absorption of the irradiation energy, resulting in selective heating of the sample. This enables not only high heating rates of up to 600 K/s, but also high carrier injection in silicon. Thus, compared to conventional furnaces, a more complex process design and additional applications besides pure thermal processing are enabled.
Firstly, an in-depth process and tool understanding of the laser-based RTP setup was developed. This includes, among other things, an established and experimentally verified simulation model of a laser-based heat treatment. Hence, it is possible to investigate the possible parameter space and process dynamics of potential applications as well as to design future laser-based RTP systems. In order to be able to identify the potential of a heat treatment quickly and easily over large parameter ranges, a method was developed that can analyze a wide temperature range from e. g. 100 to 500 °C with only one sample. This allows, on one hand, a complete picture of the temperature influence and, on the other hand, a significant reduction of the material and time required for process development and optimization. Compared to previous scientific publications, this provided a more comprehensive picture of the temperature behavior of the processes studied. The processes identified and developed within the scope of this work are listed below:
Through a regeneration process, the so-called boron-oxygen (BO) defect can be transferred into a low-recombination active state, which can prevent a loss of efficiency of 1 %abs. The process duration as well as efficiency are mainly dependent on the temperature and the charge carrier injection. In this work, the influencing parameters of the regeneration process for boron-doped Czochralski-silicon (Cz-Si) solar cells were identified and a procedure for an efficient process optimization was developed. As a result, an almost complete regeneration of the BO defects could be achieved within an industry-relevant process time of a few seconds. In addition, the efficiency advantage could also be demonstrated on an inline tool as well on the module level in a field test.
For electrodeposited nickel/copper/silver (Ni/Cu/Ag) contacts, a subsequent annealing step improves the contact resistance. In this work, a combined process of an annealing step and a BO regeneration was developed for boron-doped Cz-Si solar cells with plated Ni/Cu/Ag contacts. The process-relevant parameters were investigated and a process suitable for industrial use was developed. In addition to a successful BO regeneration, a significant reduction of the contact resistance within 10 s was achieved. Hence, the developed process simplifies the process sequence and leads to a significant acceleration of the contact annealing from 120 s in a conventional post-plating furnace to 10 s.
The Light and elevated Temperature Induced Degradation (LeTID) occurs under moderate temperatures and illumination over a period of several years in the field. As a result, a loss of efficiency of up to 14 % can occur. The degradation phase is followed by a regeneration phase, in which the efficiency recovers again. Thereby, the defect kinetics and thus the LeTID-induced efficiency loss can be influenced by a heat treatment with a high charge carrier injection. In the present work, a characteristic quantity was introduced which expresses the effect of LeTID to a single value and thus allows a simple comparison between different processes. Within the scope of an extensive parameter study, the various influencing parameters were identified and evaluated. On this basis, process conditions were developed for a time-optimized process. This resulted in a significant reduction of the irradiation time from 600 to 30 s with a comparable process efficiency. Thereby, the LeTID-related energy yield loss was reduced by up to 60 %.
For Si-Heterojunction (SHJ) solar cells, an efficiency increase of 0.3 %abs was achieved by a so-called light soaking (LS) step at moderate temperatures. For this purpose, the developed temperature screening method was used to identify and optimize the process-relevant parameters. Consequently a successful process transfer to an inline tool was achieved. Thereby, the developed process can replace a standard used annealing step under a significant acceleration from 60 to 5 s. The increase in efficiency was attributed to an improved passivation properties of the amorphous and hydrogen-rich (a)-Si:H layer and a reduced sheet resistance of the indium tin oxide (ITO) layer.
Hence, the diverse and successful use of laser-based furnaces has the potential to replace traditional furnaces, since besides the flexible process design and the resulting wide range of applications, a more energy-efficient system operation is enabled by selective heating of the sample. In this context, the knowledge gained about the laser-based RTP setup and its process control, as well as the methods developed, provide the basis for future process and RTP system developments

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Deutsch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2023

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Solarzelle ; Silicium ; Wärmebehandlung ; Lasererwärmung ; Solarzelle

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2023
• Urheber: Roder, Sebastian
• Beteiligte Personen und Organisationen: Reindl, Leonhard M. ; Paul, Oliver ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Institut für Mikrosystemtechnik ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/236656
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2366563
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 14.08.2025, 10:52 MESZ