Makroporöses Silizium als Absorber für ultradünne monokristalline Solarzellen

Ty­pi­sche So­lar­zel­len aus mono­kris­talli­nen Si­li­zi­um­wa­fern ha­ben der­zeit eine Di­cke von etwa 180 µm. Bei der Her­stel­lung der Si­li­zi­um­wa­fer aus ei­nem Si­li­zi­um-In­got ent­ste­hen Sä­ge­ver­lus­te, wel­che in etwa der Wa­fer­di­cke ent­spre­chen. Die hoch­rei­nen Si­li­zi­um­wa­fer ma­chen da­bei ei­nen ho­hen Kos­ten­an­teil von etwa 40 % am fer­ti­gen Solar­mo­dul aus. Hohe Wir­kungs­gra­de – gute Licht­ein­kopp­lung vo­raus­ge­setzt – las­sen sich hin­ge­gen schon mit viel ge­rin­ge­ren Wa­fer­di­cken er­zie­len.

Eine Mög­lich­keit der Ma­te­ri­al­ein­spa­rung und da­mit der Kos­ten­re­duk­ti­on bie­tet der so ge­nann­te MacP­Si-Pro­zess (MacroP­o­rous Si­li­con) der am ISFH ent­wi­ckelt wird.¹ Die­ser Pro­zess er­mög­licht das Ab­tren­nen vie­ler dün­ner mak­ro­po­rö­ser Schich­ten von ei­nem mono­kris­talli­nen Si­li­zi­um­wa­fer; die­se Schich­ten sol­len als Aus­gangs­ma­te­ri­al für Ab­sor­ber­schich­ten in dün­nen Si­li­zi­um­so­lar­zel­len ge­nutzt wer­den. Ab­bil­dung 27 zeigt eine 8 × 8 cm² gro­ße und nur 20 µm di­cke mak­ro­po­rö­se Schicht, wel­che von ei­nem 6“-Si­li­zi­um­wa­fer ab­ge­löst wur­de². Der Wa­fer kann an­schlie­ßend zur Her­stel­lung wei­te­rer Schich­ten wie­der­ver­wen­det wer­den.

Um in dem MacP­Si-Pro­zess eine Soll­bruchstel­le in ei­ner Tie­fe von 20 µm zu er­zeu­gen, wer­den elekt­ro­che­misch Mak­ro­po­ren in das n-Typ Si­li­zi­um­sub­strat ge­ätzt. Dies sind klei­ne Lö­cher mit ei­nem Durch­mes­ser von we­ni­gen Mik­ro­me­tern. Die­se Mak­ro­po­ren wer­den in ei­ner Tie­fe von etwa 20 µm so ver­brei­tert, dass eine Soll­bruchstel­le ent­steht und die mak­ro­po­rö­se Schicht nur noch über sehr schma­le Ste­ge mit dem Sub­strat ver­bun­den ist. Ab­bil­dung 28 a) zeigt im Quer­bruch eine ras­tere­lekt­ro­nen­mik­ro­sko­pi­sche Auf­nah­me ei­ner 18 µm di­cken mak­ro­po­rö­sen Schicht, der spä­te­ren Ab­sor­ber­schicht und der hoch­po­rö­sen Soll­bruchstel­le, der Trenn­schicht. Die Po­ro­si­tät der Ab­sor­ber­schicht liegt bei etwa 20 %, die Po­ro­si­tät der Trenn­schicht liegt nahe bei 100 % und ihre Di­cke be­trägt etwa 5 µm. Bei der Aus­bil­dung der Trenn­schicht ent­steht auf der dem Sub­strat zu­ge­wand­ten Sei­te eine tex­tu­rier­te Ober­flä­che. Da­her ent­fällt hier bei der Her­stel­lung ei­ner So­lar­zel­le die sonst üb­li­che Text­urie­rung der Ober­flä­che. In Ab­bil­dung 28 b) ist eine Schräg­auf­sicht die­ser tex­tu­rier­ten Ober­flä­che ge­zeigt, nach­dem die Schicht von ih­rem Sub­strat ge­trennt wur­de. Die­se tex­tu­rier­te Ober­flä­che lässt eine hohe op­ti­sche Ab­sorp­ti­on er­war­ten.

Die Krei­se in Ab­bil­dung 29 zei­gen die ge­mes­se­ne op­ti­sche Ab­sorp­ti­on ei­ner 26 µm di­cken mak­ro­po­rö­sen Schicht, die kei­ne zu­sätz­li­che An­ti­re­flex­schicht auf­weist. Im Ver­gleich dazu ist eine si­mu­lier­te Ab­sorp­ti­ons­kur­ve als schwar­ze Li­nie ein­ge­zeich­net, wel­che im Fal­le Lam­bert­schen Light-trap­pings er­war­tet wür­de. Der Wen­de­punkt der Lam­bert­schen Ab­sorp­ti­ons­kur­ve liegt bei ei­ner Wel­len­län­ge, die nur um 30 nm grö­ßer ist als die der MacP­Si-Schicht. Dies zeigt die hohe Ef­fi­zi­enz des Light-trap­pings der mak­ro­po­rö­sen Struk­tur. Der Pho­to­ge­ne­ra­ti­ons­strom der ge­mes­se­nen Ab­sorp­ti­on be­trägt j_SC* = 37,6 mA/cm². Er be­rech­net sich aus der In­teg­ra­ti­on von 200 nm bis 1180 nm über dem Pro­dukt aus dem Pho­to­nen­fluss des AM 1,5 G Spek­trums bei 0,1 W/cm², der Ab­sorp­ti­on so­wie der Ele­men­tar­la­dung. Zum Ver­gleich: Eine 230 µm di­cke nicht-po­rö­se Pro­be mit ein­sei­tig tex­tu­rier­ter Ober­flä­che, die eine zu­fäl­li­ge Py­ra­mi­den­ver­tei­lung und eben­falls kei­ne An­ti­re­flex­schicht auf­weist, hat ei­nen Pho­to­ge­ne­ra­ti­ons­strom j_SC* = 39,2 mA/cm².

Die elekt­ri­sche Qua­li­tät ab­ge­lös­ter mak­ro­po­rö­ser Schich­ten wird an pas­si­vier­ten Schich­ten mit 15 bis 32 µm Di­cke un­ter­sucht. Dazu lässt man, wäh­rend die mak­ro­po­rö­se Schicht noch mit dem Sub­strat ver­bun­den ist, in ei­ner tro­cke­nen Oxi­da­ti­on bei 900° C eine 30 nm di­cke pas­si­vie­ren­de SiO₂-Schicht auf­wach­sen. Die ef­fek­ti­ve La­dungs­trä­ger­le­bens­dau­er der mak­ro­po­rö­sen Schicht wird nach dem Ab­tren­nen vom Sub­strat ge­mes­sen und liegt zwi­schen 2 und 3 µs. Dies ent­spricht Dif­fu­si­ons­län­gen, wel­che etwa das Drei­fa­che der Schicht­di­cke ent­spricht. In Ab­bil­dung 30 sind die ef­fek­ti­ven Le­bens­dau­ern für ver­schie­den di­cke mak­ro­po­rö­se Schich­ten auf­ge­tra­gen. Mit Hil­fe ei­nes ana­ly­ti­schen Mo­dells wird eine mitt­le­re Re­kom­bi­na­ti­ons­ge­schwin­dig­keit an der Ober­flä­che von S = 75 cm/s er­mit­telt.

Mak­ro­po­rö­ses Si­li­zi­um eig­net sich auf­grund sei­ner op­ti­schen und elekt­ri­schen Ei­gen­schaf­ten als Ab­sor­ber für dün­ne mono­kris­talli­ne So­lar­zel­len. Im Ätz­pro­zess wird bei der Aus­bil­dung der Trenn­schicht eine tex­tu­rier­te Ober­flä­che er­zeugt, die für eine sehr ef­fi­zi­en­te Licht­ein­kopp­lung sorgt. Pas­si­vier­te mak­ro­po­rö­se Schich­ten ha­ben ef­fek­ti­ve Le­bens­dau­ern, wel­che die hohe elekt­ri­sche Qua­li­tät von MacP­Si-Schich­ten be­stä­tigen.