Emitter-Wrap-Through Solarzelle prozessiert auf n-Typ Cz-Si erreicht 21,6 % Wirkungsgrad

Die Be­zeich­nung „Emit­ter-wrap-through“ (EWT) be­zieht sich auf die spe­zi­el­le Geo­me­trie die­ser rück­kon­tak­tier­ten So­lar­zel­le. Ab­bil­dung 38 zeigt, dass der Vor­der­sei­te­ne­mit­ter durch La­ser-ge­bohr­te EWT-Lö­cher mit dem Rück­sei­te­ne­mit­ter ver­bun­den ist. Da­durch wird es mög­lich, den Ba­sis- und den Emit­ter­me­tall­kon­takt auf die Rück­sei­te zu le­gen, um Ab­schat­tungs­ver­lus­te zu ver­mei­den. Auf­grund der beid­sei­ti­gen Ein­samm­lung von pho­to­ge­ne­rier­ten La­dungs­trä­gern wer­den Re­kom­bi­na­ti­ons­ver­lu­ste mi­ni­miert und hohe Kurz­schluss­strö­me (J_sc) er­reicht

Die vor­lie­gen­de So­lar­zel­le wur­de auf phos­phor­do­tier­tem n-Typ Cz-Si Wa­fern mit ei­nem spe­zi­fi­schen Wi­der­stand von 2 Ωcm pro­zes­siert. Dar­aus er­gibt sich die Not­wen­dig­keit, p-lei­ten­de Emit­ter zu dif­fun­die­ren. In die­sem Fall wur­de eine Bor­dif­fu­si­on an­ge­wen­det, die bei 890° C in ei­nem Rohro­fen Schich­ten mit ei­nem Schicht­wi­der­stand von 50 Ω/sq in den Wa­fer ein­bringt. Zu­sätz­lich wird ein n-lei­ten­des, phos­phor­do­tier­tes „back sur­face field“ (BSF) mit ei­nem Schicht­wi­der­stand von 80 Ω/sq in die So­lar­zel­le dif­fun­diert. Da­mit wird die Ge­samt­leit­fä­hig­keit der Ba­sis er­höht und ein nied­ri­ger Wi­der­stand zwi­schen den Me­tall­kon­tak­ten und dem Halb­lei­ter ge­währ­lei­stet.

Die Her­aus­for­de­rung be­steht dar­in, so­wohl die n- als auch die p-lei­ten­den Ober­flä­chen auf der Rück­sei­te zu pas­si­vie­ren, um hohe Leer­lauf­span­nun­gen (V_OC) zu er­zie­len. Hier­zu wur­de auf dem n-lei­ten­den BSF ein ther­mi­sches Oxid (SiO₂) ge­wach­sen und auf dem p-lei­ten­den Emit­ter eine Dop­pel­schicht be­ste­hend aus Alu­mi­ni­u­mo­xid und SiN zur Pas­si­vie­rung ab­ge­schie­den (Al₂O₃-SiN).

Ab­bil­dung 39 zeigt die um J_SC-ges­hif­te­te Hell­kenn­li­nie, die J_SC/V_OC-Kenn­li­nie und die Kenn­li­ni­en­pa­ra­me­ter. Die Hell­kenn­li­nie wird auf­ge­nom­men, in dem man eine Be­leuch­tungs­stär­ke vor­gibt (hier 1 Son­ne) und die ex­tern an­ge­leg­te Span­nung un­ter gleich­zei­ti­ger Mes­sung der Strom­dich­te va­ri­iert. Die J_SC/V_OC-Kenn­li­nie wird ge­mes­sen, in­dem man die Be­leuch­tungs­stär­ke va­ri­iert und da­bei J_SC und V_OC auf­nimmt. Dar­aus er­gibt sich eine se­ri­en­wi­der­stands­be­rei­nig­te Hell­kenn­li­nie, die fast frei von trans­port­be­ding­ten Re­kom­bi­na­ti­ons­ver­lu­sten ist und nur die Re­kom­bi­na­ti­on durch Er­hö­hung von La­dungs­trä­ger­dich­ten in der Zel­le be­rück­sich­tigt.

Bei­de Kenn­li­ni­en in Abb. 39 wei­chen nur we­nig von­ein­an­der ab. Die­ses sehr po­si­ti­ve Ver­hal­ten wur­de durch die nu­me­ri­sche Op­ti­mie­rung von in­ter­nen Strom­flüs­sen er­zielt. Hier­für wur­de ein drei­di­men­sio­na­les EWT-Mo­del mit der Si­mu­la­ti­ons­soft­ware SEN­TAU­RUS er­stellt. Se­ri­en­wi­der­stands- und Re­kom­bi­na­ti­ons­ver­lu­ste konn­ten auf ein Mi­ni­mum re­du­ziert wer­den. Als be­son­ders her­vor­zu­he­ben­des Er­geb­nis wird ein Füll­fak­tor (FF) von 80,8 % er­reicht, der den bis dato höch­sten ge­mes­se­nen Wert für eine EWT So­lar­zel­le dar­stellt.

Die Ge­samt­sät­ti­gungs­strom­dich­te der So­lar­zel­le be­trägt 277 fA/cm² und setzt sich haupt­säch­lich aus den Bei­trä­gen der hoch­do­tier­ten Ober­flä­chen zu­sam­men, die die nö­ti­gen Leit­fä­hig­kei­ten für den Strom­trans­port in der Zel­le lie­fern.

Die Kurz­schlus­strom­dich­te von 40,4 mA/cm² un­ter­streicht die Stär­ke der EWT-Struk­tur im Ver­gleich zu beid­sei­tig kon­tak­tier­ten So­lar­zel­len. Ab­bil­dung 40 zeigt die ge­mes­se­ne in­ter­ne Quan­ten­aus­beu­te und die Re­fle­xi­on der So­lar­zel­le, bei­des als Funk­ti­on der Wel­len­län­ge. Die Ge­sam­tre­fle­xions­ver­lu­ste be­tra­gen 2 mA/cm², die sich im we­sent­li­chen aus Re­fle­xi­on bei Wel­len­län­gen un­ter 400 nm und Wel­len­län­gen über 1000 nm zu­sam­men­setzt.

Bei der Quan­ten­aus­beu­te­mes­sung wird die So­lar­zel­le mit Licht ei­ner be­stimm­ten Wel­len­län­ge be­strahlt. Da Licht als Teil­chen­strom auf­ge­fasst wer­den kann, ist es mög­lich, die An­zahl der Licht­teil­chen mit der An­zahl der pho­to­ge­ne­rier­ten La­dungs­trä­ger, die den Strom bil­den, zu kor­re­lie­ren. Im Ide­al­fall er­gibt sich der Wert eins. In­ter­ne Strom­ver­lu­ste wer­den in Abb. 40 durch Wer­te klei­ner eins er­kenn­bar. In­ter­ne Ver­lu­ste im Be­reich von 300 bis 600 nm kom­men haupt­säch­lich durch Au­ger-Re­kom­bi­na­ti­on im hoch­do­tier­ten Vor­der­sei­te­ne­mit­ter zu Stan­de und be­tra­gen 0,6 mA/cm². Ver­lu­ste für Wel­len­län­gen ober­halb von 900 nm re­sul­tie­ren aus pa­ra­si­tä­rer Ab­sorp­ti­on von Licht and frei­en La­dungs­trä­gern.

Zu­sam­men er­ge­ben alle drei Pa­ra­me­ter ei­nen ge­mes­se­nen Wir­kungs­grad von 21,6 %.

Die vor­ge­stell­te So­lar­zel­le ist die er­ste do­ku­men­tier­te EWT-Struk­tur, die auf phos­phor­do­tier­tem n-Typ Cz-Si her­ge­stellt wur­de. Die tech­no­lo­gisch an­spruchs­vol­le Bor­dif­fu­si­on ist er­folg­reich in den Pro­zess im­ple­men­tiert und ga­ran­tiert in Ver­bin­dung mit der Al₂O₃-Pas­si­vie­rung höch­ste Leer­lauf­span­nun­gen und So­lar­zel­len­wir­kungs­gra­de. Die nu­me­ri­sche Op­ti­mie­rung der EWT-So­lar­zel­le durch drei­di­men­sio­na­le SEN­TAU­RUS-EWT-Mo­dell ist ein Schlüs­se­le­le­ment zum Ver­ständ­nis der in­ter­nen Strom­flüs­se. Es ist ge­lun­gen, Trans­port­ver­lu­ste auf ein Mi­ni­mum zu re­du­zie­ren. Der Füll­fak­tor ist der Höch­ste, der bis­lang bei der EWT-So­lar­zel­len­struk­tur er­reicht wurde.