Fraunhofer ISE mit Spitzenwirkungsgrad für p-type-TOPCon-Solarzelle

Fortschritte mit Siebdruck-Kontakten

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben die besten Metallisierungspasten identifiziert, die helfen, den Kontaktwiderstand und die Kontaktrekombination in p-type-TOPCon-Solarzellen zu reduzieren. Sie brachten eine Siliziumnitridschicht durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung auf beiden Seiten einer Zelle auf und erreichten einen Wirkungsgrad von 21,2 Prozent. Emiliano Bellini beschrieb den Vorgang am 08.04.2021 auf pv magazine.

Silizium-Solarzelle – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

p-type-Silizium-Solarzellen sind immer noch die Arbeitspferde der Photovoltaik-Gemeinde. Die Mehrzahl dieser Solarzellen wird als passivierte Emitter- und Rückseitenzellen (PERC) hergestellt. Derzeit besteht jedoch großes Interesse an Solarzellen mit passivierenden Kontakten, die aus einem Grenzflächenoxid in Kombination mit einer dotierten abgeschiedenen Siliciumschicht bestehen, und die z. B. als Tunnel-Oxid-passivierte Kontakte (TOPCon) bezeichnet werden. Bei den meisten derartigen Solarzellen befindet sich die TOPCon-Schicht auf der Rückseite der Zelle, wo in der Regel ein High-Low-Übergang gebildet wird, d.h. Basissubstrat und TOPCon-Schicht haben die gleiche Dotierung. Da der n-Typ Passivierungskontakt einige physikalische und technische Vorteile gegenüber dem p-type Gegenstück hat, wie z. B. die Passivierungsqualität oder eine einfachere Metallisierung durch siebgedruckte Silberpasten, werden die meisten TOPCon-Solarzellen auf n-type-Wafern hergestellt. Die Verwendung von p-type-Wafern könnte es jedoch erleichtern, die Produktion dieser Zellen in bestehende PERC-Zelllinien zu integrieren, ohne zu viele Änderungen in den derzeitigen Produktionsprozessen vornehmen zu müssen.

Vor diesem Hintergrund haben Forscher des Fraunhofer ISE versucht, den Produktionsprozess für hocheffiziente p-type-TOPCon-Zellen zu verbessern. Sie haben die besten Metallisierungspasten identifiziert, die helfen, den Kontaktwiderstand und die Kontaktrekombination zu reduzieren und eine Prozesssequenz für die Herstellung solcher Zellen zu entwickeln. Sie testeten dafür zunächst eine Gruppe von elf Silber oder Silber-Aluminium-Metallisierungspasten. Nachdem sie die am besten geeigneten identifiziert hatten, integrierten sie diese in den Produktionsprozess. „Insgesamt stellen wir fest, dass für eine effektive Kontaktierung hauptsächlich dedizierte TOPCon-Pasten verwendet werden sollten, und einige der Pasten, die für n-dotierte TOPCon-Schichten beworben werden, funktionieren auch recht gut für p-dotierte TOPCon-Schichten“, erklärten die Wissenschaftler. Und: „Wir haben gezeigt, dass die besten Gesamtergebnisse bei einer Polysilizium-Schichtdicke von 240 Nanometern erzielt werden“, erklärten die Freiburger Wissenschaftler weiter und fügten hinzu, sie hätten unter dieser Konfiguration einen Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 21,2 Prozent erreicht.

Zusammenfassung der kürzlich in Solar RRL veröffentlichten Publikation „Progress in p-type Tunnel Oxide-Passivated Contact Solar Cells with Screen-Printed Contacts“ (CC-BY 4.0)

„Hierin wird ein Update der Arbeiten über hocheffizienten p-type-Solarzellen mit p-type-passivierenden Rückkontakten, die durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung und siebgedruckte Kontakte gebildet werden, gegeben. Es wird gezeigt, dass dünne Polysiliziumschichten zwar eine hohe Oberflächenpassivierung ermöglichen, aber einen erhöhten Kontaktwiderstand und insbesondere eine erhöhte Kontaktrekombination aufweisen. Es werden kommerziell erhältliche Pasten und die Abhängigkeit des Kontaktwiderstandes und der Kontaktrekombination von der Polysiliziumschichtdicke und der Firing-Set-Temperatur untersucht. Für 240 nm dicke Poly-Si-Schichten werden Werte bis zu 4 m? cm² und 60 fA cm^-2 beobachtet. Für die vorgestellte Prozessfolge wird eine verbesserte Hydrierung als eine Möglichkeit zur Erhöhung der Passivierungsqualität der passivierenden Kontaktstruktur identifiziert. Bei Umsetzung aller Erkenntnisse in eine fertige Solarzelle wird ein maximaler Gesamtflächenwirkungsgrad von 21,2 % berichtet.

Eine mögliche Integration in bestehende PERC-Linien wäre jedoch wesentlich einfacher, wenn große Teile des Prozessablaufs unverändert belassen werden können, was das Interesse an p-type TOPCon-Solarzellen erklärt und warum wir diesen Ansatz als industriell relevant einschätzen. Bei p-type-Solarzellen mit p-type passivierenden Rückkontakten konzentrieren sich die Arbeiten oft auf die Simulation, da bestimmte Eingangsparameter aus Teststrukturen oder deren Charakterisierung gewonnen werden können. Die tatsächliche Demonstration einer Solarzelle mit siebgedruckter Metallisierung, die an die in der Simulation ermittelten Wirkungsgrade herankommt, kann jedoch aus den bereits erläuterten Gründen eine Herausforderung darstellen, was nur zu einer begrenzten Anzahl von Veröffentlichungen führt. Alternativ wird in anderen Beiträgen häufig die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) für die Rückseitenmetallisierung verwendet, weil diese Technologie nicht invasiv ist. Da die Laserschädigung durch den lokalen Abtrag der dielektrischen Deckschichten gering gehalten werden kann, wenn die Polysiliziumschicht eine bestimmte Dicke nicht unterschreitet, sollten die TOPCon-Grenzflächeneigenschaften durch die Metallisierung idealerweise nicht beeinträchtigt werden. Dennoch ist und bleibt der Siebdruck in der Photovoltaik-Fertigung aufgrund der geringen Komplexität, des geringen Kapitalaufwands und des hohen Durchsatzes wahrscheinlich noch für Jahre die Technologie der Wahl. Für den Siebdruck gilt es, geeignete Metallisierungspasten für p-type-TOPCon-Schichten zu entwickeln, die gleichzeitig einen niedrigen Kontaktwiderstand und eine geringe Ladungsträgerrekombination ermöglichen.

In dieser Arbeit zeigen wir, dass es große Unterschiede in der Kontaktbildung von siebgedruckten Ag- und Ag/Al-Pasten gibt, wenn es darum geht, p+-dotierte Polysiliziumschichten zu kontaktieren. Innerhalb eines großen Experiments mit 132 Gruppen nur für Teststrukturen haben wir mehrere kommerziell erhältliche Ag-Pasten identifiziert, die ein eher niedriges ?c von 4-5 m? cm² ermöglichen und gleichzeitig nur niedrige J_0,met von 60 fA cm^-2 für typische Firing-Set-Temperaturen, wie sie in Solarzellen verwendet werden, liefern. Wir zeigen, dass die besten Gesamtergebnisse für eine Polysilizium-Schichtdicke von 240 nm erzielt wurden. Schließlich haben wir die vielversprechendsten Metallisierungspasten auf Solarzellen aufgebracht, um ihre Kompatibilität mit der Solarzellensequenz zu prüfen. Indem wir die p⁺-Polysiliziumschicht auf der Rückseite der Solarzelle anbrachten und einen verbesserten Hydrierungsschritt durch Implementierung einer SiN_x:H-Opferschicht einschlossen, konnten wir den iV_oc der Solarzellenvorläufer ohne Metallisierung um 14 mV und den Solarzellenwirkungsgrad auf 21,2 % für dieses Solarzellenkonzept erhöhen. Des Weiteren haben wir einen Einblick in die Herausforderungen dieses Solarzellenkonzepts gegeben und einen Ausblick auf mögliche Routen gegeben, die die vorgestellten Ergebnisse nutzen könnten.

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