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OfenSiK- Test von Maßnahmen zur Weiterentwicklung von Öfen zur Kristallisation von Silizium für Einsatz in der Photovoltaik, Teilvorhaben: Evaluierung und Korrelation der Silizium Blockeigenschaften mit der Prozesstechnologie

Im Rahmen des Verbundvorhabens geht es um die Entwicklung einer Technologie zur Herstellung von kostengünstigem und qualitativ hochwertigem multikristallinem Wafermaterial. Dabei ist die Zielstellung des Gesamtvorhabens fokussiert auf die Beeinflussung der initialen Gefügestruktur und der Reduktion des Verunreinigungshaushaltes für das hergestellte Kristallmaterial. Das Ziel der Arbeiten am Fraunhofer IISB in Erlangen und an seiner Außenstelle am Fraunhofer THM in Freiberg ist es, die Technologieentwicklung des Verbundvorhabens zur Herstellung von qualitativ hochwertigen multikristallinen Siliziumblöcken durch die Materialpräparation, Materialevaluierung und die Weiterentwicklung von Charakterisierungsmethoden zielführend zu begleiten.

Hocheffiziente und kostengünstige PERx-Solarzellen als Wegbereiter für eine wirtschaftliche Umsetzung speicherunterstützter PV-Systeme (HELENE), Teilvorhaben: Drucktechnologie-spezifische Pasten zur lokalen Kontaktierung von Hocheffizienz-Emittern und PERx-Zellrückseiten

Entwicklung einer selektiv kontaktierenden Paste, die mittels Schablonen- und Extrusionsdruck aufgebracht werden kann. Die Arbeitsplanung umfasst die Hauptpunkte 'Materialentwicklung, Technologieentwicklung und den Transfer ins industrielle Umfeld'. Durch die systematische Auswahl und Charakterisierung von Kontaktsystemen soll eine selektive Kontaktbildung erreicht werden, welche die Rekombinationsverluste auf der Solarzellenvorderseite reduziert. Durch die gezielte Auswahl an Dispergiermitteln und oberflächenaktivierenden Netzmittel sollen die Pasten sowohl für den Sieb- bzw. Schablonendruck als auch für den Extrusionsdruck geeignet sein.

Black Silicon' Oberflächenstruktur und 'Defect Engineering' für Hocheffizienz-Solarzellen und Module

In den letzten Jahren sind die Stromgestehungskosten aus Photovoltaik-Anlagen stark gesunken. Um in naher Zukunft auch ohne staatliche Förderung konkurrenzfähig zu konventioneller Stromerzeugung zu werden, muss PV-Strom noch günstiger werden. Einen erheblichen Anteil der Systemkosten stellen mittlerweile die Installationskosten pro Modul dar. Durch höhere Modulleistungen kann bei identischem Installationsaufwand mehr elektrische Leistung erzeugt werden. Begrenzt wird die Modulleistung durch verschiedene Verlustmechanismen. Zwei der wesentlichsten sind: - Reflektionsverluste von der Vorderseite der Solarzelle, und - Sogenannte Rekombinationsverluste, durch die optisch erzeugte Elektronen bereits in der Solarzelle verloren gehen, bevor sie die Kontakte erreichen. Dieses Projekt hat zwei Hauptziele: - Stark verminderte Reflektionsverluste durch Verwendung einer speziellen Oberflächenstrukturierung (sogenanntes 'Black Silicon'), und - Reduzierung der Rekombinationsverluste durch gezielte Beeinflussung von Defekten, die für diese Verluste verantwortlich sind ('Defect Engineering'). Das Potential der Schlüsselideen des Projekts wurde bereits im Labormaßstab demonstriert. Die Herausforderung besteht nun darin, diese Ideen so weiterzuentwickeln, dass sie im industriellen Maßstab in der Zell- und Modulfertigung eingesetzt werden können. Lieferobjekte des Vorhabens sind: (i) Prototyp eines Industrie-Standard Moduls aus Zellen mit 'Black-Silicon' (b-Si) Textur. (ii) Signifikante Verbesserung des Wirkungsgrads von Zellen aus Wafern, die aus dem Randbereich eines multikristallinen bzw. Quasi-Mono Silizium Blocks stammen. Dies soll erreicht werden durch Reduzierung der wirkungsgradlimitierenden 'Red Zone', die aus Eindiffusion von Metallen herrührt. (iii) Demonstration einer modifizierten Sequenz eines industriellen Zellprozesses mit dem Ziel, den Effekt der 'Licht-induzierten Degradation' (LID) zu vermeiden.

LIMES - Limitierende Defekte in Si-Materialien für höchsteffiziente Solarzellen, Teilvorhaben: Materialbedingte Limitierungen in kristallinem Si und Einfluss von Solarzellen-Prozessschritten

In dem Projekt sollen die Limitierungen der besten aktuellen, industrierelevanten Si-Materialien - mit erwarteten Lebensdauern über 1 ms - untersucht werden. Die Lebensdauerproben und Zellvorläuferstrukturen werden dabei auch den für bestimmte Hocheffizienzzelltechnologien spezifischen Hochtemperatur-, Getter- und H-Passivierschritten unterzogen, um das Vorliegen der Defekte nach Abschluss des Zellprozesses nachzustellen, welches für den erzielbaren Wirkungsgrad relevant ist. Auch sogenannte Regenerationsschritte werden zur Anwendung kommen. Über temperatur- und injektionsabhängige Lebensdauermessungen werden die Shockley-Read-Hall-Parameter der nichtstrahlenden Rekombination erfasst, die einen Fingerabdruck für die dominierenden und somit limitierenden Verunreinigungen darstellen. Welche Zellkenngrößen nach einem gegebenen Prozessfluss erwartet werden können, lässt sich anschließend mittels Simulationen vorhersagen. Hierbei können auch sehr unterschiedliche Zelltypen mit vergleichsweise geringem Aufwand untersucht und verglichen werden. Ebenso sollen die Auswirkungen von Prozessvariationen analysiert und Optimierungsstrategien entworfen werden.

LIMES - Limitierende Defekte in Si-Materialien für höchsteffiziente Solarzellen, Teilvorhaben: Prozesseinflüsse auf die Ladungsträgerlebensdauer in Si-Materialien für höchsteffiziente Solarzellen

In diesem Projekt soll der Einfluss von Prozessschritte wie sie für die Herstellung höchsteffizienter Solarzellen erforderlich sind auf die Ladungsträgerlebensdauern in solarzellenrelevanten monokristallinen p- und n-Typ Czochralski-Silizium-Materialien und in blockgegossenem multikristallinen Silizium sowie in geringem Umfang in hochreinem Float-Zone-Silizium als Referenzmaterial untersucht werden. Ziel ist es, Prozessfolgen zu finden, die zu Ladungsträgerlebensdauern führen, die mit sehr hohen Wirkungsgraden größer als 25% kompatibel sind. Dies soll mit numerischen Bauelementsimulationen belegt werden. Die Untersuchungen sollen aufgrund der höheren Flexibilität und Aussagekraft der Ergebnisse in erster Linie an Lebensdauerteststrukturen durchgeführt werden, auf die der Einfluss verschiedener einzelner Prozesse bzw. Kombinationen von Prozessen, insbesondere Hochtemperaturschritte, Getterschritte und die Wechselwirkung von Volumendefekten mit Wasserstoff, analysiert werden soll. Auch Vor- und Nachbehandlungen des Materials sollen untersucht werden, wie z.B. die 'Tabula Rasa'-Vorbehandlung des Materials oder die nachträgliche Deaktivierung von Defekten bei gleichzeitiger Temperung und Ladungsträgerinjektion ('Regeneration').

LIMES - Limitierende Defekte in Si-Materialien für höchsteffiziente Solarzellen, Teilvorhaben: Analyse der materiallimitierenden Defekte in TOPCon-Solarzellen

Bei höchsteffizienten Solarzellen spielen Materialdefekte, die die Ladungsträgerlebensdauer limitieren, eine große Rolle. Selbst beste aktuelle Si-Materialien erreichen nicht immer Lebensdauern von mehreren Millisekunden. Im Projekt soll untersucht werden, welche Defekte Lebensdauern im ms-Bereich in aktuell besten, industrierelevanten Si-Materialien limitieren, wie sich die Defekte bei unterschiedlichen Höchsteffizienzprozessen verhalten und wie sich die negativen Auswirkungen durch optimierte Prozesse einschränken lassen. Das Vorhaben gliedert sich in vier Teilprojekte, in Teilprojekt 1 Materiallimitierende Defekte in TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)-Solarzellen: 'Analyse und Materialoptimierung', in Teilprojekt 2 'Analyse der materiallimitierenden Defekte in TOPCon-Solarzellen', in Teilprojekt 3 'Prozesseinflüsse auf die Ladungsträgerlebensdauer in Si-Materialien für höchsteffiziente Solarzellen' und in Teilprojekt 4 'Materialbedingte Limitierung in kristallinem Silizium und' Einfluss von Solarzellenprozessschritten.

LIMES - Limitierende Defekte in Si-Materialien für höchsteffiziente Solarzellen, Teilvorhaben: Materiallimitierende Defekte in TOPCon-Solarzellen: Analyse und Materialoptimierung

Höchsteffiziente Solarzellen benötigen Basismaterialien mit Ladungsträgerlebensdauern von deutlich über 1 ms, um möglichst wenig durch die Materialqualität limitiert zu werden. Die besten aktuellen Materialien p- (implatieren von Fremdatomen) und n- (implantieren von Elektronen-Donatoren) Typ Cz-Si (Czochralsky Silizium), p-Typ HPM-Si (multikristallines Blockguss-Silizium), aber auch p- und n-Typ FZ-Si-(Float Zone - Silizium)) erreichen zwar sehr hohe Lebensdauern größer als 1 ms, weisen dennoch eine Begrenzung unterhalb des intrinsischen Auger-Limits auf. Über die limitierenden Defekte ist sehr wenig bekannt. Das Projekt hat zum Ziel, die limitierenden Defekte nach verschiedenen Höchsteffizienzprozesssen zu identifizieren, die Limitierung der Solarzellparameter zu quantifizieren und Optimierungsstrategien für ein hohes Wirkungsgradpotenzial zu erarbeiten. Das Vorhaben gliedert sich in vier Teilprojekte, in Teilprojekt 1 Materiallimitierende Defekte in TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)-Solarzellen: Analyse und Materialoptimierung, in Teilprojekt 2 'Analyse der materiallimitierenden Defekte in TOPCon-Solarzellen', in Teilprojekt 3 'Prozesseinflüsse auf die Ladungsträgerlebensdauer in Si-Materialien für höchsteffiziente Solarzellen' und in Teilprojekt 4 'Materialbedingte Limitierung in kristallinem Silizium und Einfluss von Solarzellenprozessschritten'.

Optimierung von Waermetransformatoren zur wirtschaftlichen Nutzung von Abwaerme, Teilvorhaben: Messtechnik zur Qualitätsbewertung von Säulen und Wafern

Die Ziele, die Hennecke in diesem Projekt verfolgt sind sehr stark orientiert an Verbesserungen und Neuentwicklungen der Waferinspektionsautomaten, die in der Folge einen Vorsprung vor den Mitbewerbern am Markt und erhöhte Chancen im Verkauf der Anlagen bedeuten. Insbesondere ein Waferratingverfahren und eine inline-Kornstrukturanalyse können für die Hennecke-Messtechnik ein Alleinstellungsmerkmal und Verkaufsargument sein.

Optimierung von Waermetransformatoren zur wirtschaftlichen Nutzung von Abwaerme, Teilvorhaben: LAUE-Scanner zur Ermittlung der Kornorientierungen von polykristallinen Bricks und Wafern

Mit dem geplanten Vorhaben 'Q-Crystal' sollen mit Hilfe von schnellen und neuartigen Verfahren der Qualitätsbewertung von Säulen und Wafern die Herstellungsprozesse von Blocksilizium unter industriellen Bedingungen optimiert werden. In den vergangenen Jahren hat die Weiterentwicklung des multikristallinen Blocksiliziums zur Entwicklung der beiden Materialtypen des 'Mono-Cast' (MC) Siliziums und des 'High-Performance-Multi' (HPM) Siliziums geführt. Da sowohl in MC-Si als auch in HPM-Si die Art, Geometrie und Form der multikristallinen Körner und Korngrenzen eine zentrale Rolle spielen, muss die Kornstruktur zu 100% in einer Produktion gemessen werden können. Durch Kombination der Daten aus der optischen Kornstrukturanalyse mit diffraktometrischen Daten eines scannenden Laue-Messsystems soll eine Referenzmessmethode zur vollflächigen Analyse der kristallographischen Kornorientierungen und Korngrenztypen an ganzen Wafern so weiterentwickelt werden, dass hinreichend große Stichproben entlang eines Bricks in vertretbarer Messzeit vermessen werden können, um diese Messdaten auch tomographisch aufbereiten zu können.

Optimierung von Waermetransformatoren zur wirtschaftlichen Nutzung von Abwaerme, Teilvorhaben: Industrielle Kristallisationsprozesse im G6-Format für die Solarzellenproduktion

Die Firma ALD als führender Hersteller von Kristallisationsöfen zur Herstellung von Blöcken aus Solarzilizium als Vormaterial für die Solarzellenproduktion beabsichtigt im Rahmen des Forschungsvorhabens 'Q-Crystal' die industriellen Herstellungsprozesse für die Materialklassen 'High-Performance-Multi-Silizium' und 'Mono-Cast-Silizium' zu optimieren, um das Potenzial dieser Materialien hinsichtlich der Effizienz der daraus hergestellten Solarzellen voll auszuschöpfen. Dieser Optimierungsprozess schließt die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von High-Performance-Multikristallinen Blöcken mit erhöhtem Gewicht ein, um den spezifischen Energieverbrauch für diese Materialklasse zu senken und die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens zu steigern.

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