Präzise numerische Simulationen von Industriesolarzellen

Verbesserungen im Emitter führen in den meisten Industriesolarzellen zu den größten Wirkungsgraderhöhungen. Solche Verbesserungen führen jedoch auch zu einer Erhöhung des Schichtwiderstandes im Emitter, und um die Widerstandsverluste in Grenzen zu halten, muss die Distanz zwischen den Frontmetallfingern verkleinert werden. Dabei müssen die Metallfinger aber wesentlich schmäler gemacht werden, sonst verschlechtert sich der Wirkungsgrad durch die erhöhten Abschattungsverluste. Deshalb können erhebliche Verbesserungen des Emitters nur erreicht werden, wenn die Metallisierungstechnologie geändert und die Siebdrucktechnologie verbessert wird.

Wer einen Wechsel zu einer neuen Metallisierungstechnologie vollzogen hat, kann die Zellen in mehreren Bereichen verbessern, so auch an der Rückseite. Dies führt zu erheblichen Wirkungsgradverbesserungen, im Gegensatz zu den graduellen Verbesserungen in den letzten Jahren. Um sich für eine neue Metallisierungstechnologie zu entscheiden, sollten die zu erwartenden Wirkungsgraderhöhungen bekannt sein, denn diese limitieren die erschwinglichen Produktionskosten.

Numerische Modelle sind gut geeignet, um die zu erwartenden Wirkungsgraderhöhungen vorherzusagen. Seit neuem stehen physikalische Modelle zur Verfügung, mit denen man gemessene I/U-Kurven von Industriesolarzellen präzise beschreiben kann, ohne Parameter anpassen zu müssen. Wir verwenden als Parameter nur unabhängig gemessene Größen wie Dotierprofile, Fingergeometrie, Lebensdauer usw. und erreichen damit hinreichend gute Genauigkeit.

Mit Hilfe solcher Modelle haben wir die Rekombinationsverluste von typischen Czochralski (Cz) Solarzellen eruiert. Die Abb. 34 zeigt die Resultate in Form von Sättigungsstromdichten J_0,i des Emitters, der Basis und des Back-Surface-Feldes (BSF). Meistens werden Emitter mit gemessenen J_0,em Werten im Bereich von 900-2100 fA/cm² hergestellt, wie in der Abb. 34 als rote Fläche dargestellt ist. Unsere Modelle reproduzieren diese Werte genau, falls dabei das gemessene Dotierprofil und PV-spezifische Modelle für die Oberflächenrekombination verwendet werden. Die gemessenen J_0,BSF Werte der BSFs betragen typischerweise zwischen 600 fA/cm² und 900 fA/cm² und sind als blaue Fläche dargestellt. Doch ergeben die Simulationen zu kleine Werte, und die gemessenen J_0,BSF Werte können nur reproduziert werden, wenn Aluminium-Sauerstoff Komplexe hinzugenommen werden.

Falls die Solarzellen auf Cz-Material hergestellt sind, limitiert der Bor-Sauerstoff (B-O) Komplex die Shockley-Read-Hall Lebensdauer t_SRH in der Basis. Wegen der Eigenschaften der B-O-Komplexe erhöht sich t_SRH zehnfach, wenn man von Niedrig- zu Hochinjektion geht, und deshalb erniedrigt sich das simulierte J_0,base (schwarze Linien in Abb. 34), wenn man zu Hochinjektion geht, d.h. mit steigender Spannung V und bei kleiner Akzeptordichte N_A. Abgesehen davon, hängt J_0,base stark von der Sauerstoffdichte ab. Gegenwärtig hergestelltes Cz-Material enthält typischerweise eine Sauerstoffdichte im Bereich von (7-8)×10¹⁷ cm^-3.

Eine bekannte Möglichkeit der Emitterverbesserung ist, ihn selektiv zu gestalten, d.h. die Dotierdichte zwischen den Fingern niedrig zu halten und nur unter den Metallfingern zu erhöhen. Unsere Simulationen zeigen, dass sich mit solchen Verbesserungen J_0,em zu 120 fA/cm² erniedrigt, so dass die Gesamtverluste in den Zellen dann vom BSF limitiert werden. Daher werden bedeutende Wirkungsgradverbesserungen nur erreicht, wenn gleichzeitig auch das BSF verbessert wird.

Eine Möglichkeit ist, das BSF defektfrei herzustellen, z.B. mit Bor Diffusionen. Dann reduziert sich J_0,BSF zu etwa 200 fA/cm², so dass der Zellwirkungsgrad durch die Verluste in der Basis limitiert wird. Dasselbe gilt für Rückseitenstrukturen mit lokalem BSF und passivierter Oberfläche. Deshalb werden in naher Zukunft hohe Ansprüche an die Qualität des Cz Materials gestellt, wenn in der Solarzellenproduktion verbesserte Metallisierungstechnologien eingesetzt werden.