Es herrscht typische Reinraum-Atmosphäre – zum ersten Mal im Produktionsablauf einer Solarzelle. Zuvor haben die metallurgischen Prozesse dominiert. Doch nun arbeiten Menschen in Weiß an den Zellen, sie tragen Hauben und je nach Tätigkeit auch Handschuhe. Sie hantieren an den Maschinen, die zum Teil nasschemisch arbeiten. Es ist eine vollständige Forschungsproduktionslinie für die Herstellung von kristallinen Siliziumsolarzellen, die im PV-Tec-Labor des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg aufgebaut ist. Sie zeigt auf, was heute Standard und morgen Option ist bei der hochkomplexen Prozessierung eines Wafers zur Solarzelle.
Das PV-Tec ist ein Zukunftslabor der Photovoltaikbranche. Es wurde geschaffen, um die Lücke zwischen Laborforschung und industrieller Anwendung zu schließen. Daniel Biro hat das Labor in den Jahren 2004/2005 mit aufgebaut. Er ist Physiker und leitet heute die Abteilung Hochtemperatur- und Druckverfahren. Zusammen mit seinem Kollegen Jochen Rentsch, Abteilungsleiter Nass- und plasmachemische Verfahren, arbeiten sie an den Prozessen der Zellfertigung, um die Energieausbeute in kleinen Schritten von Zehntelprozentpunkten zu steigern – damit am Ende Hocheffizienzmodule entstehen können.
Die Herausforderung beginnt bereits beim Anätzen des bislang noch rohen Siliziumwafers. Dieser Prozessschritt ist vor allem wichtig, um die Reflexionsverluste der Zelle zu verringern, was gelingt, indem man auf die Oberfläche Mikrostrukturen aufprägt. Bei Zellen aus Monokristallen erlangen sie in einem alkalischen Ätzprozess eine Pyramidenstruktur, bei polykristallinen Zellen wird die Oberfläche durch Säure eher muldenartig strukturiert. „Die Pyramiden haben etwa fünf Mikrometer Kantenlänge, die Mulden einen Durchmesser von 20 bis 30 Mikrometer“, erklärt Forscher Rentsch. Dass die Antireflex-Struktur durch eine Vergrößerung der Oberfläche erkauft wird, ist unvermeidbar – eine größere Oberfläche erhöht den Zerfall von Ladungsträgern und damit die Verluste. Aber die Texturierung des Siliziums muss sein, daran führt kein Weg vorbei. Zudem beseitigt das Ätzen auch Sägeschäden an den Kristallen. Die nasschemischen Verfahren sind die Klassiker. Kali- oder Natronlauge zusammen mit Isopropanol kommen bei den monokristallinen Wafern zum Einsatz, Flusssäure oder Salpetersäure sind es bei den polykristallinen.
Da man beim Ätzen viel über Additive optimieren kann, wird hier so manches durchprobiert. „Aber auch trockenchemische Verfahren sind möglich“, sagt Rentsch. Und zwar mit Fluor- oder Chlorgasen in einem Unterdruckreaktor. Allerdings werfen neue Verfahren der Silizium-Kristallisation auch immer neue Fragen bei den folgenden Prozessschritten auf: „Bei Quasimono-Wafern steht man vor einem Dilemma“, sagt Rentsch, „soll man sie sauer oderalkalisch behandeln?“ Denn sie haben zumeist von beiden Typen etwas, den Monozellen und den polykristallinen. „Bevorzugt ätzt man diese heute aber alkalisch“, sagt Rentsch.
Positiv – negativ
Nach dem Ätzen werden die Wafer dotiert. Während der Kristallisation des Siliziums wurde bereits Bor zur positiven Dotierung eingebracht, nun folgt in der obersten Schicht eine negative Dotierung mit Phosphor – denn am Ende braucht man einen sogenannten p-n-Übergang. Das geschieht entweder, indem Phosphoroxychlorid (POCl3) in einen Diffussionsofen eingebracht wird, wo das Phosphor 400 Nanometer in das Silizium eindringt. Oder der Dotierstoff wird durch Ionenimplantation platziert: Die Ionen werden im Hochvakuum in das Material eingeschossen. Auf diese Weise lässt sich die Dotierung sehr präzise steuern.
Das Ausmaß der Dotierung beeinflusst später den Wirkungsgrad – wobei das Optimum von vielen Faktoren abhängt, etwa von der Waferdicke und der Art der Kontaktierung. Zudem wird die Ausbeute besser, wenn man die Zelle nicht homogen behandelt, sondern die Kontaktbereiche selektiv höher dotiert. Man spricht dann von einem selektiven Emitter. Diese werden bereits von zahlreichen Herstellern eingesetzt.
Typisch war bislang die sogenannte p-Dotierung mit elektrisch positivem Bor in der Zelle und negativem Phosphor in der Oberfläche. Einige Hersteller setzen inzwischen jedoch auf die n-Dotierung, wie Yingli mit seiner Panda-Zelle. Die n-Typ-Solarzellen böten „grundlegende Vorteile“, heißt es bei Yingli. Sie seien unempfindlich gegenüber metallischen Verunreinigungen, könnten infrarotes Licht effizienter nutzen und hätten eine geringe Anfangsdegradation. Auch durch besseres Verhalten bei höheren Temperaturen steige der Energieertrag einer Photovoltaikanlage mit n-Typ-Zellen, erklärt die Firma Yingli. Allerdings habe es „einige Herausforderungen bei der Prozessführung“ gegeben, die Yingli jedoch in Kooperation mit dem„Energy research Centre of the Netherlands“ (ECN) und dem ebenfalls niederländischen Maschinenbauer Tempress habe lösen können.
Prozess birgt Herausforderungen
Auch ISE-Forscher Biro bestätigt: „Das Potenzial von n-Typ-Zellen ist sehr hoch.“ Allerdings berge die Herstellung von n-dotierten Zellen Herausforderungen, weil der Phosphor, der hier als Basisdotierung dient, leichter als das Bor zur Segregation führen kann – das sind Entmischungsvorgänge während der Kristallisation. Auch beherrschten die Bor-Diffusion auf der Oberfläche nur wenige Hersteller, sagt Biro. Ein Nachteil des n-Typs sei ferner der relativ hohe Silberverbrauch. Denn die Rückseitenkontakte dieses Typs können nicht aus Aluminium hergestellt werden.
Bevor die Wafer zur Zelle weiterverarbeitet werden, müssen die Oberflächen passiviert werden. Denn in der Grenzschicht existieren noch freie, ungesättigte Bindungen, weil der nächste Atomnachbar fehlt – mit der Konsequenz, dass hier in großem Stil Ladungsträger rekombinieren.
Die klassische Art der Vorderseitenpassivierung erfolgt durch Siliziumdioxid (SiO2 ), ein Verfahren, das aus der Mikroelektronik bekannt ist. Mit der hohen Temperatur gingen allerdings „ein hoher Energiebedarf, extreme Reinheitsanforderungen und komplizierte Herstellungsprozesse einher“, heißt es am Institut für Solarenergieforschung (ISFH) in Emmerthal.
Aber man kann auch mit Siliziumnitrid (SiNx) passivieren. Dann wird die Schicht bei etwa 400 Grad Celsius aus einem Plasma der Gase Silan und Ammoniak abgeschieden. Aufgrund der im Vergleich zum SiO2 niedrigeren Abscheidetemperatur eignet sich die SiNx-Passivierung „gut für eine kommerzielle Anwendung“, heißt es am ISFH. Inzwischen können auch die Rückseiten der p-Typ-Zellen passiviert werden, womit sich der Wirkungsgrad weiter verbessert. Auch diese Technik wird inzwischen von verschiedenen Firmen eingesetzt, etwa von Trina beim Honey-Modul.
Viele Ansätze
So gibt es eine Vielfalt an technischen Ansätzen und Verfahren, um die Ausbeute der Siliziumzellen weiter zu verbessern. Sanyo setzt bereits seit Mitte des vergangenen Jahrzehnts auf die HIT-Technologie (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer), eine Eigenentwicklung: Die Solarzellen bestehen aus einem dünnen monokristallinen Wafer, der mit ultradünnem amorphem Silizium beschichtet ist. Damit reduziere man den Energieverlust an der Oberfläche, erklärt der Hersteller.
Im Produktionsprozess folgt, wenn die Zelle dotiert und passiviert ist, als Nächstes auf der Vorderseite die Antireflexschicht. Sie besteht aus Siliziumnitrid, das etwa 80 Nanometer dick durch plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung aufgetragen wird. Der Reflexionsgrad des Wafers, der nach der Texturierung noch bei 20 bis 23 (polykristallin) beziehungsweise zehn bis elf Prozent (monokristallin) liegt, sinkt damit auf sieben bis acht respektive zwei bis drei Prozent ab. Und schließlich folgt die Kontaktierung der
Zelle im Siebdruckverfahren. Das geschieht über Pasten, die thixotropisch sind. Das heißt: Sie werden bei Scherbelastung flüssig, lassen sich damit gut auftragen und verfestigen sich anschließend wieder. Sie bestehen bei der Vorderseiten-Kontaktierung überwiegend aus Silber, ferner aus Bindemitteln und Bleioxiden. Für die Rückseitenkontakte wird bei den p-Typ-Zellen aluminiumhaltige Paste eingesetzt, die aber auch Silber enthält, weil man Aluminium alleine schwer löten kann. Etwa ein Prozentpunkt am Effizienzgewinn der vergangenen Jahre sei den neuen Pasten bei der Kontaktierung zu verdanken, heißt es am ISE.
Pasten mit Know-how
Ein Hersteller der Pasten ist die Firma Dupont. „Die Frontseitenpasten haben heute einen geringeren Kontaktwiderstand zum Emitter als früher“, sagt Peter Weigand, Manager für Photovoltaik bei Dupont. Das verbessert die Ausbeute. Und billiger wurde die Kontaktierung auch, weil sowohl auf der Frontseite wie auf der Rückseite der Materialauftrag vermindert werden konnte: „Noch vor einigen Jahren benötigte man 300 Milligramm Paste pro Sechs-Zoll-Wafer, heute reichen durchschnittlich 200 Milligramm“, sagt Weigand.
Zum großen Teil besteht die Paste aus Silber. Auf der Vorderseite liegt der Anteil des Edelmetalls bei rund 88 Prozent, auf der Rückseite kann er bis auf 45 Prozent heruntergehen. Aber es gibt heute auch Alternativen zum Silber, Suntech zum Beispiel nutzt für seine Pluto-Module Kupferpaste, diese ist billiger. In den Pasten steckt viel Know-how, und auch sie dürften noch zu weiteren Effizienzverbesserungen und Preissenkungen beitragen. Fortschritte seien absehbar durch weitere Verringerung des Kontaktwiderstandes und die weitere Reduzierung zum einen des Materialauftrages und zum anderen des Silberanteils, heißt es bei Dupont.
Schmale Finger
Außerdem bringen schmalere Leitungsbahnen nicht nur Materialersparnis, sie erhöhen auch die Ausbeute, weil durch geringere Eigenverschattung der Verlust an aktiver Fläche verringert wird. Dieses Prinzip nutzen zum Beispiel Trina Solar (Honey-Technologie) und Suntech (Pluto-Technologie). Suntech spricht von „ultraschmalen Metallfingern“ mit einer Breite von nur 80 bis 120 Mikrometern. Als Standard galten lange 150 bis 300 Mikrometer. Dadurch wird auch die erforderliche Metallmenge reduziert. Suntech setzt sogar auf eine Breite der Kontaktbahnen von nur noch 25 Mikrometer. Dafür sind sie im Abstand von einem Millimeter aufgebracht. Die Eigenverschattung werde um ein Viertel reduziert, das bringe der Zelle einen Mehrertrag zwischen fünf und zehn Prozent, wirbt Suntech.
Am wenigsten Zelloberfläche verliert man jedoch durch die komplette Rückseitenkontaktierung: Über Bohrungen von 100 Mikrometer Durchmesser, die per Laser gesetzt werden, werden die Elektronen dann direkt auf die Rückseite geführt und dort abgeleitet. Das Verfahren ist unter dem Namen Emitter-Wrap-Through (EWT) bekannt.
Deutlicher Gewinn
Die Fläche der Leiterbahnen auf der Vorderseite, die zwangsläufig die aktive Fläche des Siliziums reduziert, lässt sich so auf ein Minimum senken. „Die Rückseitenkontaktierung hat auch den Vorteil, dass man bei der späteren Verlötung der einzelnen Zellen zu Strings die Kontaktbänder nur auf einer Seite anbringen muss“, sagt Forscher Biro. Das erleichtert die Zusammenführung der Zellen zum Modul. Bei anderen Zellen, die im Modul stets in Reihe geschaltet werden, muss man das Kontaktband jeweils von der Vorderseite der einen Zelle auf die Rückseite der nächsten Zelle führen.
Nun gibt eine ganze Reihe von Verfahren der Rückseitenkontaktierung, wobei das EWT das weitestgehende ist. Am meisten verbreitet ist das sogenannte Metal-Wrap-Through-Konzept (MWT). Das Zellkonzept einer MWT-Solarzelle ist dem einer industriellen Standardzelle sehr ähnlich – mit dem Unterschied, dass die Sammelbusse von der Vorder- auf die Rückseite der Solarzelle verlegt werden, um die Abschattung zu reduzieren. Der Gewinn an Erträgen durch MWT ist gleichwohl deutlich: Hersteller Canadian Solar spricht bei seiner Elps-Technik von einem Mehrertrag von sieben Prozent. „Dieses Konzept hat das größte Wirkungsgradpotenzial, aber auch die höchsten Ansprüche an die Materialqualität, weshalb hier meistens n-Typ-Silizium verwendet wird“, heißt es am ISE.
Nicht so auskunftsfreudig
Viele Hersteller unterdessen bleiben zurückhaltend, wenn sie nach den technischen Details ihrer Module gefragt werden. So waren von den Herstellern Sunpower (Produktname Maxeon), JA Solar (Secium, Maple, Cypress), Jinko Solar (Wing) und Hanwha (Mono) über die verfügbaren Prospektinformationen hinaus keine technischen Details zu erfahren. Aber auch sie dürften intensiv nach neuen Technologien für hocheffiziente Zellen forschen.
