In den vergangenen Jahren konnte der Diamantdrahtsögeprozess für monokristalline Wafer erfolgreich in die Industrie eingeführt werden, was insbesondere zu geringeren Kosten dieser Wafer geführt hat. Ebenso haben diamantdrahtgesägte multikristalline Wafer ein großes Potential zu einer kostengünstigen Alternative zu konventionell gesägten Wafern zu werden. Dies ist bislang aber noch nicht erreicht, da zwei wesentliche Hürden einer wirtschaftlichen Markteinführung entgegen stehen: Zum einen kann der Drahtsägeprozess seine Vorteile noch nicht auf multikristallinen Wafern entfalten und zum anderen gibt es noch keinen industriereifen Prozess solche Wafer zu texturieren. Während die erste Hürde in parallellaufenden Drohtsägeprojekten aufgegriffen ist, sollen in dem hier skizzierten Projekt geeignete Textur- und Charakterisierungsmethoden entwickelt werden. Ein besonderes Augenmerk wird hierbei auf eine industrielle Umsetzbarkeit sowie die Integrationsmöglichkeit in bestehende Solarzellenfertigungslinien gelegt werden. Zur Erreichung dieser Ziele wird ein grundlegendes Verständnis erarbeitet, wie ein Texturprozess eventuell mit chemischem oder mechanischem Vorprozess auf diamatdrahtgesägten multikristallinen Wafern umsetzbar und auf Großanlagen übertragbar ist. Begleitend werden die benötigten Messverfahren weiterentwickelt, die die elektrischen und mechanischen Eigenschaften dieser Wafer im Rahmen des Eingangstests klassieren sollen.
Es sollen folgende Prozesserweiterungen des SolarTeC durchgeführt werden: - Implementierung der ICP AlOx Abscheidung auf der SINGULAR Anlage des ISFH. - Aufbau eines LP-CVD Ofens zur Abscheidung von unterschiedlich dotierten poly-Si Schichten. - Erweiterung des Stringers auf 4, 5 und 6 Busbar Konfigurationen in Kombination mit Ganz- und Halbzellen. - Aufbau eines ICP-MS-Messsystem (Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry) zur Spurenanalyse in wässrigen Lösungen und Beurteilung der Effizienz von vereinfachten Reinigungssequenzen. Die ICP AlOx Abscheidung ist aktuell nur mit einer Laboranlage am ISFH mit extrem geringem Durchsatz möglich. Der Stringer kann derzeit nur 3 Busbar Zellen im Format 156 mm x 156 mm verlöten. Die LP-CVD Abscheidung ist zurzeit nur bei einem externen Partner möglich, jedoch nur mit sehr geringem Durchsatz. Das ProSolar Projekt würde es ermöglichen, diese drei neuen Prozesse am ISFH in Kooperation mit der deutschen PV Industrie auf industriellen Prozessanlagen weiterzuentwickeln. Ein weiteres Ziel des ProSolar-Projektes ist es, mit Hilfe eines neu zu installierenden ICP-MS Messgerätes geringste Metallverunreinigungen des Silizium-Wafers nachweisen zu können. Das ICP-MS-Verfahren soll zur Entwicklung von effektiven und dennoch kostengünstigen Reinigungssequenzen genutzt werden. Das Projekt gliedert sich in folgende 4 Arbeitspakete. AP1: Implementierung der ICP AlOx Abscheidung auf der SINGULAR. AP2: Aufbau eines LP-CVD Ofens. AP3: Erweiterung des Stringers auf 4, 5 und 6 Busbar Konfigurationen in Kombination mit Ganz- und Halbzellen. AP4: Aufbau eines ICP-MS-Messsystem (Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry). Innerhalb der ersten 12 Monate werden entsprechende Anlagen evaluiert und aufgebaut. Anschließend werden diese Anlagen eingefahren, so dass die Nutzung möglich ist.
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.
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').
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'.
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.
In diesem Projekt soll die Entwicklung von Materialien, Technologien und Solarzellenstrukturen erfolgen, die es erlauben, den Wirkungsgrad für industriell produzierbare Solarzellen auf bis zu 21,5Prozent anzuheben. Entsprechend ist ein Hauptziel des Projektes die Entwicklung von industrierelevanten Solarzellenprozessen, mit welchen Solarzellenwirkungsgrade von 22Prozent in der Spitze und 21,5Prozent im Mittel in PV-TEC erreicht werden können. Dies soll unter der Verwendung von industriell verfügbaren monokristallinem Silicium bewirkt werden. Auf multikristallinem Silizium werden Wirkungsgrade von 20Prozent in der Spitze und 19,5Prozent im Mittel angestrebt. Es wird angestrebt, dies mit Wafern zu erreichen, die aus am Fraunhofer ISE hergestellten Blöcken gefertigt sind.
Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Qualitätsbewertung von mc-Si Wafern für die Solarzellenproduktion mittels Photolumineszenz (PL)-Bildern. Im Projekt sollen die PL-Merkmale verfeinert, erweitert oder reduziert werden. Es soll untersucht werden, welche Informationen die PL-Bilder für eine erfolgreiche Vorhersage mindestens enthalten müssen. Im Sekundentakt zu erreichende Bildaufnahmen und Bildauswertungen sind Basis für die Qualitätsbewertung. Hierfür muss ein repräsentativer Querschnitt an Wafern von unterschiedlichen Herstellern aus unterschiedlichen Prozessführungen untersucht werden. Die Wafer werden bei Zellherstellern mit unterschiedlichen Zellprozessen zu (Hocheffizienz-)Solarzellen prozessiert werden. Aufgrund des höheren Wirkungsgradpotentials weisen diese neuartigen Solarzellenstrukturen eine höhere Empfindlichkeit für die Materialqualität auf, was dem hier entwickelten Verfahren des Waferratings zusätzliche Relevanz verleiht. Darüber hinaus kann mit dem Verfahren in Zukunft ein unmittelbares Feedback an die Qualität der Kristallisation gegeben werden. Der Verbund besteht aus Institut, Materialhersteller, Solarzellenhersteller, Messtechnikanbieter. Der Materialhersteller stellt eine repräsentative Probe unterschiedlichster Materialqualitäten zusammen. Diese werden am Institut u.a. mittels PL untersucht und anschließend am Institut und Solarzellenhersteller zu Zellen prozessiert. Die Ergebnisse der Zellen sind Feedback an das Material.
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.
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.
| Organisation | Count |
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| Bund | 63 |
| Wissenschaft | 22 |
| Zivilgesellschaft | 1 |
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| Förderprogramm | 63 |
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| Offen | 63 |
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| Deutsch | 63 |
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| Keine | 3 |
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