Hocheffiziente beidseitig lichtempfindliche BACK OECO-Solarzelle

Im Unterschied zur Standard OECO-Solarzelle ist die BACK OECO-Solarzelle beidseitig lichtempfindlich. Beide Kontakte befinden sich auf der Rückseite der Solarzelle. In Abbildung 14 ist die BACK OECO-Solarzelle schematisch dargestellt. Sie wird ohne Photolithographie-, Maskierungsoder Justierschritte hergestellt. Die Zellenvorderseite weist eine chemisch hergestellte pyramidale Textur auf, während die Rückseite unter Einsatz eines schnell rotierenden Schleifwerkzeuges mechanisch strukturiert wird. Nach Herstellung einer lokalen Diffusionsbarriere wird ein tiefer Phosphor-Emitter erzeugt, der nahezu die gesamte rückseitige Fläche bedeckt. Die Aluminium-Kontaktfinger werden unter Einsatz der OECO-Technologie im Vakuum schräg aufgedampft. Der Emitterkontakt weist ein dünnes Tunneloxid zwischen Metall und Halbleiter auf. Im Bereich der Kontakte sind keine zusätzlichen lokalen Tiefdiffusionen bzw. selektive Emitter notwendig. Zur Passivierung der Halbleiteroberflächen wird bei 400° C abgeschiedenes Remote-PECVD Siliciumnitrid eingesetzt. Im Berichtszeitraum konzentrierte sich die Arbeit auf drei Punkte:

• die Optimierung der Rückseitenstruktur - einerseits zur Erzielung geringster Serienwiderstände und andererseits, um qualitativ hochwertige Basis- und Emitterkontakte zu erhalten,
• die Optimierung der vorderseitigen Oberflächenpassivierung unter Vermeidung einer zusätzlichen Diffusion sowie
• die Reduktion parasitärer Shunt-Widerstände.

Zur Optimierung der Rückseitengeometrie wurden zweidimensionale numerische Bauelementsimulationen durchgeführt.

Mit diesen Simulationen entdeckten wir einen interessanten Effekt, der in Abbildung 15 illustriert wird: Schmale Stege zeigen im Gegensatz zu breiten Stegen unter Kurzschlussbedingung eine Verminderung der Minoritätsladungsträgerdichte Δn im Bereich der Basiskontakte. Die Konzentration reduziert sich um mehr als zwei Größenordnungen, was eine Reduktion des Rekombinationsstromes am Basiskontakt zur Folge hat. Dieser Effekt der "Minoritätsträger-Abschirmung" wird dadurch verursacht, dass die Elektronen von dem sich in der Nähe befindenden Emitter abgesaugt werden. Die rechte Hälfte von Abbildung 15 zeigt die Simulation für breite Stege. Weil der sammelnde Emitter weiter vom Basiskontakt entfernt ist, ergibt sich eine höhere Elektronendichte am Basiskontakt. Die "Minoritätsträger-Abschirmung" ist weniger effizient.

Eine der Voraussetzungen zur Herstellung hocheffizienter Siliciumsolarzellen ist eine qualitativ hochwertige Oberflächenpassivierung. Mit Si-reichem Remote-PECVD Siliciumnitrid (SiN_x) mit Brechungsindizes im Bereich von n ≈ 2,4 konnten auf Silicium effektive Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten (SRV) von S_eff = 20 cm/s erzielt werden. Diese Schichten sind jedoch infolge ihrer hohen optischen Absorption nicht für die Vorderseite der BACK OECO-Solarzelle geeignet. Andererseits weisen die als Antireflexionsschicht geeigneten SiN_x-Filme mit n = 2,05 und d = 105 nm nur mäßige Passiviereigenschaften mit S_eff = 240 cm/s auf. Als möglicher Ausweg aus dieser Problematik wurde eine SiN_x-Doppelschicht bestehend aus einer ersten dünnen Lage mit n = 2,5 und einer darauf folgenden 100 nm dicken Schicht mit n = 2,05 untersucht. Trotz der niedrigen Abscheidetemperatur von nur 400° C konnte die effektive SRV mit diesem Schichtsystem auf 50 cm/s auf einem texturierten 0,5 Ωcm Siliciumwafer reduziert werden. Die Absorptionsverluste der nur 5 nm dünnen ersten Schicht sind sehr gering und werden durch die hohe Passivierqualität mehr als aufgewogen. Damit können unter Verwendung dieses SiN_x-Doppelschichtsystems gute optische Eigenschaften und eine hohe Oberflächenpassivierqualität miteinander verbunden werden. Es stellt somit ein für rückkontaktierte Siliciumsolarzellen verwendbares Passiviersystem dar, durch dessen Einsatz ein diffundierter sog. "Floating Junction" (Bezeichnung für einen elektrisch nicht kontaktierten passivierenden pn-Übergang an einer Halbleiteroberfläche) auf der Zellenvorderseite vermieden werden kann.

Auch bei der Rückseitenpassivierung der BACK OECO-Solarzelle wurden wichtige Veränderungen eingeführt. Der Wirkungsgrad früher hergestellter Zellen wurde durch einen niedrigen Füllfaktor limitiert, was auf Shunts zurückgeführt werden konnte, welche durch die SiN_x-Passivierung verursacht werden.

Der Einsatz einer elektrisch isolierenden SiO₂-Barriere zwischen Basis-Kontakt und Emitter konnte dieses Problem beseitigen. Im Falle der Labor-Solarzellen wurde die Barriere durch thermische Oxidation des bereits strukturierten Wafers hergestellt. Anschließend musste der zu diffundierende Bereich durch einen weiteren Schleifprozess geöffnet werden. Nach der Diffusion wurden mit Hilfe eines dritten Schleifvorgangs die Öffnungen für den Basiskontakt hergestellt. Daraus resultiert eine Kontaktanordnung, wie sie in Abbildung 16 dargestellt ist.

Das rückseitige Passiviersystem wurde ebenfalls als SiN_x-Doppelschicht ausgeführt und im Hinblick auf die Vermeidung von Shunts und die Temperaturstabilität des MIS-Kontaktes optimiert. Das optimierte Schichtsystem führt zu Shunt-Widerständen von mehr als 9 kΩcm² und einer Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit, die von vormals 1.000 cm/s auf 200 cm/s gesenkt wurde. Alle beschriebenen Entwicklungsarbeiten resultierten in einer Erhöhung des Wirkungsgrades der BACK OECO-Solarzelle auf über 20%.

Auf 2x2 cm² FZ-Si (300 µm dick, 0,5 Ωcm) konnten unter Standard-Testbedingungen (STC) Wirkungsgrade von 20,3% unter Beleuchtung von vorne und 16,9% unter Beleuchtung von hinten gemessen werden (s. Abbildung 17).

Dies sind die unseres Wissens nach höchsten Wirkungsgrade für rückseitenkontaktierte bifaciale Solarzellen, welche ohne Photolithographie hergestellt wurden.