PERC-Solarzellen weiter verbilligt

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Forscher senken Kosten durch Plasma-Prozesskontrolle

Das Forschungsprojekt SIMPLEX*) zieht eine positive Zwischenbilanz: Auf Basis der plasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) ist es gelungen, den Fertigungsprozess von hocheffizienten PERC-Solarzellen (siehe: solarify.eu/perc-solarzellen) wesentlich zu verbessern und zugleich die Kosten zu senken. So konnten PERC-Solarzellen mit 4 nm dicken Aluminiumoxid-Schichten, statt der heute üblichen 20 bis 30 nm, und einem Wirkungsgrad von 21 Prozent hergestellt werden.

[note *) Die Effizienz von Solarzellen lässt sich mit der sogenannten PERC-Technologie (Passivated Emitter Rear Cell) erhöhen. Die Stromausbeute steigt, weil die Rückseite der Solarzelle passiviert wird. Dazu werden bei der Herstellung allerdings zusätzliche Prozessschritte mit hochpassivierenden und zugleich kostengünstigen Schichtsystemen benötigt. Spezielle Passivierungsschichten wie Aluminiumoxid (Al2O3) oder Siliziumnitrid (SiNx), die mittels Plasmatechnologien auf die Zelle abgeschieden werden, spielen hier eine wichtige Rolle. Ein Ziel des Forschungsprojekts SIMPLEX ist der Vergleich von Al2O3-Abscheidungen mittels unterschiedlicher Plasma-unterstützer Gasphasenabscheidungs-Verfahren (PECVD – Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) hinsichtlich Schichtqualität und Kostenstruktur. Hierbei werden Experimente in unterschiedlichen Prozessmodulen durchgeführt und gegenübergestellt. Gegenüber dem heutigen Stand der Technik sollen die Prozesse optimiert und der Materialeinsatz reduziert werden. Außerdem werden weitere Al-basierte Schichten für ihre Eignung in kristallinen Silizium-Solarzellen untersucht und entwickelt (siehe: solarstromforschung.de/simplex.]

„Für den industriellen Plasmabeschichtungsprozess konnte die Dicke der für die PERC-Zelle wesentlichsten Schicht erfolgreich auf ein Viertel verringert werden, ohne die Zell-Effizienz zu senken“, sagt Projektkoordinator Dr. Bernhard Cord von der Firma SINGULUS TECHNOLOGIES AG. Die drastische Reduktion der Schichtdicke der Passivierung unter Anwendung eines industrieüblichen Plasmabeschichtungsverfahrens sei möglich geworden, weil im Forschungsverbund Plasmatechnik und Solarzelltechnologie in Kombination weiterentwickelt worden seien. Derartige Schichtqualitäten hätten bisher nur per Atomic Layer Deposition (ALD) – einem verglichen mit der PECVD wesentlich aufwändigerem Verfahren – erreicht werden können. Die Forschungsergebnisse eröffneten große Potenziale für Material-, Energie- und Zeitersparnis.

Essenzieller Fertigungsschritt

Das Aufbringen geeigneter Passivierungsschichten ist ein essenzieller Fertigungsschritt bei der Produktion von Solarzellen auf der Basis von kristallinem Silicium (c-Si). Im Gegensatz zu herkömmlichen c-Si-Siebdruckzellen mit vollflächigem Al-Rückseitenfeld, zeichnet sich die PERC-Technologie durch eine beidseitige Oberflächenpassivierung mittels dünner Schichten aus. Immer mehr Zellhersteller setzen auf die hocheffiziente PERC-Technologie. Der Marktanteil beträgt derzeit bereits rund 22 Prozent bei steigender Tendenz.

Üblicherweise kommen in der PERC-Technologie bei der Beschichtung Siliciumnitrid (SiNy) und Aluminiumoxid (AlOx) zum Einsatz, wobei in der industriellen Zellfertigung die Schichten großflächig homogen sein müssen, zum Beispiel bei der Dicke und der optische Dichte der Schichten. Gleichzeitig gefordert werden hohe Abscheideraten bei geringem Einsatz von Material und Energie. Im Projekt SIMPLEX setzen die Forscher auf PECVD-Prozesse auf Basis induktiv gekoppelter Plasmen (ICP), weil sie damit die hohen Anforderungen erfüllen können – sofern eine präzise Prozesskontrolle, basierend auf in-situ-Diagnostiken, vorhanden ist.

An der Prozesskontrolle hat der Verbund aus fünf Industrieunternehmen und zwei Forschungsinstituten intensiv gearbeitet. Das Ergebnis ist, dass während des Beschichtungsprozesses drei sehr unterschiedliche in-situ-Messtechniken eingesetzt werden: Bei dem spektralen Plasmamonitoring (SPM), und der Self-Excited Electron Resonance Spectroscopy (SEERS) handelt es sich um Diagnostiken zur Charakterisierung des Plasmas, während in der in-situ-Laser-Ellipsometrie das Schichtwachstum direkt beobachtet werden kann. „Dieser einzigartige Aufbau ermöglicht Einblicke in die kausalen Zusammenhänge von den Grundlagen der Plasmaphysik bis hin zur Dynamik und Qualität der Schichtabscheidung mit dem Nutzen, weitere Steigerungen von Schichtqualität und -wachstumsrate zu erzielen“, erläutert Cord. „Neben dem Einsatz in der PERC-Technologie ist dies auch für die Fertigung weiterer Hocheffizienzzellen, wie Heterojunction-Zellen, von großem Interesse.“

Der Erfolg des anwendungsnahen Forschungsprojekts zeigt sich auch an der wirtschaftlichen Perspektive: „Die Partner beabsichtigen, die neuen Erkenntnissen zu den Möglichkeiten eines verringerten Materialeinsatzes, zum Aufbau von Plasmareaktoren für eine effiziente Schichtabscheidung und der Analyse und Kontrolle des Schichtprozesses in den Bau neuer Anlagen zur kostengünstigen, industriellen Produktion von Hocheffizienz-Solarzellen einfließen zu lassen“, so Cord. Die Zusammensetzung des Projektkonsortiums aus Firmen und Institutionen mit unterschiedlichem Arbeitshintergrund habe sich durch eine sehr gute Zusammenarbeit als außerordentlich fruchtbar für das Projekt erwiesen.

Als nächstes wollen die Forscher einen verbesserten Plasmareaktor einsetzen, der sich noch in der Aufbauphase befindet. Außerdem sollen die Erkenntnisse aus den in-situ Messungen und Simulationen des Plasmaabscheideprozesses ausgewertet und weitere Solarzellen hergestellt werden, um die erreichte Reduzierung der passivierenden AlOx-Schichtdicken abzusichern.

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