Die Buried-Emitter Solarzelle

Rückseitensammelnde und -kontaktierte Solarzellen besitzen auf ihrer Vorderseite keine Kontakte. Abschattungsverluste durch Frontkontakte sind bei diesen Solarzellentypen somit nicht vorhanden, wodurch ein höherer Generationsstrom erreicht werden kann als bei konventionellen Solarzellen. Rückkontaktsolarzellen müssen jedoch Basiskontakte und Emitterkontakte auf der Rückseite unterbringen. Folglich ist das Design von Rückseiten-sammelnden und Rückseiten-kontaktierten Solarzellen ein Kompromiss zwischen Stromsammlung durch den Rückseitenemitter, effizienter Kontaktierung der Basis und Minimierung von Serienwiderstandsverlusten innerhalb der Metallisierung.

Das neue "buried-emitter" Solarzellenkonzept erlaubt es, das Design des Strom sammelnden Emitters und das der Rückseitenmetallisierung zu entkoppeln. Diese Entkopplung wird durch „Vergraben“ des p-Typ Emitters unter einer oxidierten n-Typ Oberflächenschicht erreicht: In bestimmten Bereichen der Solarzelle wird der Emitter einer „back surface field“ (BSF) Diffusion ausgesetzt. Ein Beispiel für ein Majoritätsladungsträgerkonzentrationsprofil gemessen in einem doppelt-diffundierten Bereich ist in Abbildung 24 gezeigt. Der Bor-dotierte Emitter weist einen Schichtwiderstand von 89 Ohm/sq. auf und ist unter einer Phosphor dotierten Oberflächenschicht mit Schichtwiderstand von 150 Ohm/sq. vergraben.

Abbildung 25 zeigt im Querschnitt eine Solarzellenstruktur, bei der der vollflächige p-Typ-Emitter durch eine nachfolgende n⁺-Typ BSF-Diffusion vergraben wird, um den p-Typ-Emitter in den Bereichen der Basismetallisierung von der Waferoberfläche fernzuhalten. Mit diesem Design können wir – sogar ohne dielektrische Isolationsschicht – eine effiziente Stromsammlung durch einen großflächigen Emitter mit einer optimalen Metallisierung, nämlich 50% Basis- und Emittermetallisierung, kombinieren. Auf der rauhen Oberfläche von Siliciumwafern, die für die industrielle Photovoltaikproduktion verwendet werden, stellt die Herstellung einer zuverlässigen großflächigen dielektrischen Isolationsschicht eine Herausforderung dar, daher bietet das „buried emitter“ Konzept hier einen technologischen Vorteil.

Wir nennen diese Solarzellenstruktur (Abbildung 25) „partial buried emitter Solarzelle“, da nur ein Teil des Emitters unter einer Basis-artigen Oberflächenschicht vergraben („buried“) ist.

Siliciumwafer können n- oder p-Typ dotiert hergestellt werden. Die p-Typ Dotierung wird meistens mit Bor als Dotand realisiert. N-Typ Dotierung wird entsprechend mit Phosphor als Dotand erreicht. Die kostengünstigste Kristallwachstumstechnik für monokristallines Silicium ist der Czochralski (Cz) Prozess, der jedoch in erheblichem Maße zum Einbau von Sauerstoff in das Silicium führt. Aufgrund einer langsamen chemischen Reaktion zwischen Bor und Sauerstoff ist die Qualität von n-Typ Cz-Siliciumwafern deutlich höher als die von Bor-dotierten Cz-Siliciumwafern. In Solarzellen mit n-Typ Basismaterial müssen jedoch p-Typ Emitter verwendet werden, welche mit den heutigen industriellen Techniken zur Oberflächenpassivierung wie Siliciumnitrid (SiN) oder Oxidation nicht optimal passiviert werden können.

Das „Vergraben“ des p-Typ Emitters unter einer n-Typ Oberflächenschicht vermeidet diese Problematik, da n-Typ Oberflächen sehr gut mittels Oxidation und SiN-Schichten passiviert werden können. Das volle Wirkungsgradpotenzial der Buried-Emitter-Solarzelle wird somit ausgenutzt, wenn die n-Typ Oberflächenschicht auf die gesamte Emitterfläche ausgedehnt wird, wie in Abbildung 26 dargestellt. Wir nennen dieses Design „full area buried emitter“ Solarzelle. Um die Vorteile dieser Struktur zu nutzen, ist eine zuverlässige dielektrische Isolation zwischen n-Typ Oberflächendiffusion und den Emittermetallisierungsfingern notwendig.

Beide Arten von Buried-Emitter-Solarzellen (vergleiche Abbildungen 25 und 26) wurden am ISFH auf n-Typ Silicium experimentell umgesetzt. Wir verwendeten das Inkjet-Drucken von Schutzlack auf SiO₂ mit anschließender HF-Behandlung als Strukturierungstechnik zur Herstellung des Rückseitendiffusionsdesigns.

Für die “partial buried emitter“ Solarzelle erreichen wir derzeit einen Wirkungsgrad von 21,0%, für die „full area buried emitter“ Solarzelle liegt unser derzeitig maximaler Wirkungsgrad bei 21,8% (Abb. 27a/b).

Entsprechend der großen Emitterbelegung erreichen wir für beide Solarzellstrukturen sehr hohe Kurzschlussströme von 41 mA/cm². Die hohen Füllfaktoren von ungefähr 80% zeigen, dass trotz der großflächigen n⁺-p⁺-Überlappung in den vergrabenen Emitterbereichen Störstellen-unterstützte Tunnelprozesse keine signifikanten Verlustmechanismen in unseren Bauteilen sind.