Lasertechnik in der Silicium-Wafer

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FVS-Jahrestagung 2007
Von der Solarzellenfertigung zur Modultechnologie
Lasertechnik in der Silicium-Wafer-Photovoltaik
N.-P. Harder, A. Grohe, R. Hendel, D. Huljic
Gliederung
Lasertechnologie und Photovoltaik: In der Produktion
Eine bewährte Partnerschaft
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Schneiden von Silicium
Beschriften / Markieren
Schicht-Strukturierung bei Dünnschichtmodulen
Kantenisolation bei Siliciumwafer-Zellen und bei Dünnschicht-Photovoltaikmodulen
Siliziumstrukturierung für „Buried-Contact“-Solarzellen
Lasertechnologie und Photovoltaik: In Forschung und Entwicklung
Befähigung neuer Konzepte für Zelle und Modul
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Laser-gefeuerte Kontakte: Light-Trapping und verringerte Rekombination
Laser-Bohren von Löchern: Hohe Solarzellen-Effizienzen mit günstigem Silicium
Siliziumstrukturierung: Rückkontakt-Hocheffizienzzellen
Laserdotierung: Herstellung selektiver Emitter
Ablation von Dielektrika auf Silizium: Kontaktöffnungen für Hocheffizienzzellen
Laserprozessbasierte Zellentwicklung: Prototyp für industrielle Massenproduktion
Laserlöten auf Laminierfolien: Berührungslose Zellverbindungstechnik
Schneiden von
Silicium-Wafern
Beschriften
und Markieren
Spot-Größe: ca. 50 µm
Effektive Schneidegeschw: 200mm/s
Scanner
Strukturieren und Kantenisolieren bei
Dünnschicht- und Si-Wafer-Zellen
laser beam
Amorphes
Silicium
Rück Kontakt (Metall)
Kantenisolations-Schnitt
(Entkopplung des Front-Emitters
von Kante und rückseitigem Al-BSF)
Glas
laser beam
TCO
(transparent conducting oxide)
Film
Substrat
laser beam
Front Kontakt
n+
Si (p)
p+ -Al-BSF
Siliziumstrukturierung
für „Buried-Contact“-Solarzellen
Laser Graben mit versenkten
Kontakten
Laser Strahl
SchmelzAustrieb
V
n+
Plasma
Si (p)
Rück-Kontakt
Neue Laser
ermöglichen Neue Prozesse
und befähigen dadurch Neue Konzepte
•
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•
•
•
•
•
Industriell einsetzbare Alternativen zur Photolithograpie
Schnelles Strukturieren sehr großer Flächen
Schnelles Bohren zehntausender Löcher durch Siliciumwafer
Berührungsloses Verfahren zur Prozessierung dünner Wafer
Lokale Dotierung von Silizium
Laserprozess-basierte Solarzellenentwicklung: Das Quebec-Projekt
Minimierten Hitzeeintrag bei Lötprozessen
Laser-Gefeuerte Kontakte (LFC)
Schneiderlöchner et al., 17th EC-PVSEC, 2001, 1303.
Herkömmliche Solarzelle
Solarzelle mit LFC-Rückseite
• ganzflächiges (Al-) BSF
mittels gefeuertem Siebdruck
• dicke Metallisierung Æ Bow
• geringe Rückseiten Reflexion
• nur lokale Kontakte mit (Al-) BSF
mittels lokalen Laser-Feuerns
• dünne Metallisierung möglich
• hohe Rückseiten Reflexion
durch SiOx-Schicht
Elektronenmikroskop-Aufnahme:
LFC-Punkt:
• geringe Rückseiten
150 µm Reflexion
durch SiOx-Schicht
gebogene
flache
Siebdruck-Zelle
LFC-Zelle
• geringe Rückseiten Reflexion
durch SiOx-Schicht
1.0
IQE, R
0.8
Quanten• ganzflächiges
(Al-) BSF
0.6
effizienz
Al-BSF Siebdruck
mittels gefeuertem
LFC
0.4
und• dicke Metallisierung
Æ Bow
0.2
Relexions• geringe Rückseiten Reflexion
0.0
messung
900
1000
1100
1200
20.0 9.2 007, D:\ B
. ac k u
p \ Mes s wert \e nrp - u
e \ Verg e
l i ch e\ AlBSFv s LFC. opj
wavelength λ (nm)
durch SiOx-Schicht
Hocheffizienz-Vorderseite
mit Photolithographie
22.0 % Wirkungsgrad
(2 x 2 cm2 FZ p-Typ Silicium)
LFC-Rückseite
Glunz et al., 4th WCPEC, Hawaii 2006, pp. 1016
Laser-bohren von Löchern
Solarzelle mit EWT-Struktur
(„Emitter Wrap Through“)
• Kontaktierung des Front-Emitters durch laser-gebohrte EWT-Löcher
• Kein Metall auf Vorderseite Æ keine Abschattung Æ Hoher Strom
• Vergrößerte Fläche des p-n Überganges Æ Effiziente Stromsammlung
Ablationstiefe
pro Laser-Schuss
Körner et al., Appl. Phys. A, 63 (1996) 123-131
Ätzen des Laser-induzierten
Kristallschadens in EWT-Löchern
Eidelloth et al., Diploma Thesis, ISFH / FH Münster, 2006
Starcut Disc 100 ICQ
Starcut Disc 100 ICQ
Loch-Durchmesser: 500 µm
Æ Rate: 25 Löcher / Sek.
Loch-Durchmesser: 65 µm
Æ Rate:
bis zu 3000 Löcher / Sek.
Flächige Strukturierung von Silicium
Grabentiefe nach verschieden langem Ätzen [µm]
Engelhart et al., Proc. 25th ICALEO Conference, 2006, 218
Nic
ht
la
( Ba ser-b
sis eha
-Fin nd
ger e lt
)
Laser-ablatierte Fläche (Emitter)
λ = 1064 nm
t Puls
z min
30 ns
10 − 25 µm
λ = 532 nm
λ = 355 nm
30 ns
30 ns
(4 ± 1) µm
(3 ± 1) µm
Laser-gebohrte Löcher
Wirkungsgrad:
21.4 %
RISE-EWT Solarzelle
Rear Interdigitated Single Evaporation
Engelhart et al., Proc. PVSEC-15, Shanghai, 2005, 802
Engelhart et al., Prog. Photovolt. Res. Appl. 15 (2007), 237
Hermann et al., 21st EC-PVSEC, Milano, 2007
Laser-Dotierung
2. Lokales Laser-Feuern 3. Epitaktisches Erstarren
(„Eintreiben“)
mit Dotierstoff-Einbau
1. Dotierstoff
aufbringen
surface
liquidFlüssiger
dopand
precursor
Dotierstoff
laser beam
dislocations
laser focus
Siliziumwafer
silicon wafer
20
10
target
HV
silicon
wafer
phosphorus
-3 ] -3]
Konzentration
[cm
concentration C[cm
electrode
EP = 1.5, 2.5, 3.5 J/cm 2
E p = overlap
1.5, 2.5,O3.5= J/c
pulse
0.5m²
y
Puls überlapp O y = 0.2
melt depth
100 nm
scanning
direction
electrode
19
10
18
10
0
J. R. Köhler, M. Ametowobla, and A. Esturo-Breton in Proc.
20th
EC-PVSEC (2006)
100
200
300
depth
z d[nm]
Tiefe
depth
[nm]
[nm ]
400
500
Laser-Dotierung
Solarzellen-Ergebnisse:
Homogene Vorderseiten Diffusion: 90 Ohm/sq
Emitter
VOC [mV]
JSC [mA/cm²]
FF [%]
η [%]
Nur homogene
Diffusion
623.9
33.06
77.8
16.0
Selektive Laserdotierung
unter Kontakten
628.7
32.65
77.5
15.9
Homogene Vorderseiten Diffusion: 150 Ohm/sq
Emitter
VOC [mV]
JSC [mA/cm²]
FF [%]
η [%]
Nur homogene Diffusion
611.1
33.25
71.6
14.6
Selektive Laserdotierung
unter Kontakten
632.5
32.87
75.5
15.7
A. Grohe, Dissertationschrift (in Bearbeitung);
S. Hopman et al., 21st EC-PVSEC (2007) Milano
Typisches
Anwendungs-Beispiel:
Laser
Ablation dielektrischer Schichten
Metall
dielektrische Schicht
n+-Typ Diffusion
p-Typ Si
Ziel: Definition von Schichtöffnungen für z.B. Punktkontakte
Vorteil: Berührungslose Laser-Prozessierung
Herausforderung: 1. Vollständige Öffnung/Entfernung der Schicht bei
2. … gleichzeitiger Vermeidung von Si-Kristallschaden
Ablation dielektrischer Schichten: SixNy
VOC : 634 mV
JSC : 40.6 mA/cm2
FF : 76.4 %
η : 19.7 %
VOC
J SC
FF
η
[mV]
[mA/ cm²]
[%]
[%]
LaserAblation
639
38,0
78,6
19,1
Photolithographie
637
38,0
78,5
19,0
Ablation
von SixNy
anschließend:
Galvanik
SiNx
Si
approx. 25 µm
P.Engelhart et al., Proc. WCPEC-4 (2006) p. 1024
100 µm
A.Knorz et al., 21st EC-PVSEC (2007) Milano
Ablation
von SiO2
SiO2
mittels
Kurzpuls-Laser
Si
Si
O2
Pikosekunden-Laserpulse zur
Ablation von Kontaktpunkten
Kontaktpunkte
VOC : 663 mV
JSC : 39.9 mA/cm2
FF : 81.5 %
η
: 21.5 %
S. Hermann et al., 21st Europen Photovoltaic Solar Energy Conference (2006) Milano
Laser-basierte Solarzellenentwicklung
Quebec-Projekt:
D. Huljic et al., 21st EC-PVSEC (2006) Milano
Laser-basierte Solarzellenentwicklung
Bau einer Testlinie
für Umsetzung der Quebec-Zelle bei Q-Cells:
Vorderseite der Solarzelle
Pyramiden-Textur
n++-“back-surface-field“
Anti-Reflex-Schicht
Passivierschicht
p-Typ Silicium-Wafer
p++-Emitter
Passivierschicht
n-Typ Kontaktfinger
p-Typ Kontaktfinger
„back-surface-field“
Kontaktlöcher durch die Passivierschicht
Rückseite
Reiner-Lemoine-Center
Ort der Pilot- und Testlinie
Herkömmliche Modulverschaltung
Handling
Handling
Auf-Laminat-Löten: „pick and place“
monitor
contro ler
d ata
d ata
data
CW HDL
pyrome ter
o ptical
fibre
CCD
p rocessing h ead
le ns
La ser ra diation
λ=980 nm
emit ted
inf rare d rad iation
tinned coppe r ribbo ns
EVA
glass
o n-laminate
solar cell
xy-table
ho using
M. Gast, M. Köntges, R. Brendel “Lead-Free On-Laminat-Laser-Soldering: A new module assembling concept”,
Progress in Photovoltaics: Research and Application. (in press)
Zusammenfassung
Lasertechnologie und Photovoltaik:
Eine bewährte Partnerschaft mit Innovationspotential für die Zukunft !
• Lasertechnik befähigt neue Solarzellenkonzepte
• Schnelle Perforation und großflächige Bearbeitung
von Silicium-Wafern durch
moderne leistungsstarke Laser
• Kurzpulslaser als produktionsrelevante
Alternative zu klassischer Photolithographie
• Selektive Kontaktierung und Dotierung mittels Laser
• Auf-Laminat-Laser-Löten für
vereinfachte Modulverschaltung
Danksagung: Die hier dargestellten Erfolge basieren auf
der effektiven Forschungsförderung der öffentlichen Hand !
Danksagung

Lasertechnik in der Silicium-Wafer

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