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Optimale Passivierung von Defekten in kristallinen Silizium-Solarzellen

Kurzfassung

Monokristalline Solarzellen, die nach dem Czochralski-Verfahren (Cz-Verfahren) vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden, erleiden in den ersten Stunden unter Sonneneinstrahlung erhebliche Wirkungsgradeinbußen von zum Teil 1 % abs. und mehr. Dieser Effekt wird Light-Induced-Degradation (LID) genannt. Da Solarzellen und Module nach ihrer Leistung verkauft werden, steckt in der Aufhebung des LID ein erhebliches wirtschaftliches Potential.

2006 bereits wurde an der Universität Konstanz ein einfaches Verfahren zur Regeneration der Solarzellen entwickelt, welches bei moderaten Temperaturen und Lichteinstrahlung sehr gut funktioniert. Dieses bekannte Verfahren wurde nun entscheidend weiter entwickelt und modifiziert: Schon während der Herstellung wird die Degradation der Cz-Silizium-Solarzellen weitgehend aufgehoben. Die Regeneration wird bei deutlich höheren Temperaturen als bisher und unter Einsatz von aus Siliziumnitrid eindiffundiertem Wasserstoff durchgeführt und gewinnt dadurch erheblich an Effizienz und Geschwindigkeit. Idealerweise schließt sich dieser Prozess in der Produktion an den Ko-Feuerungsschritt an.

Hintergrund

Monokristalline Solarzellen, die mit dem Czochralski-Verfahren (Cz-Verfahren) hergestellt werden, erfahren erhebliche Leistungseinbußen in den ersten Stunden unter Sonneneinstrahlung. Der Effekt ist bekannt unter Light-Induced-Degradation (LID). Hier sind Bor-Sauerstoff-Defekte im Material der Cz-Silizium-Solarzellen die Hauptverursacher des verminderten Wirkungsgrads. Verfahren, die zur Passivierung der Defekte beitragen, sind von großer wirtschaftlicher Bedeutung, da die kostengünstige Fertigung von Cz-Silizium-Wafern diese besonders attraktiv für die Massenproduktion von Solarzellen macht.

Problemstellung

Das Basispatent der Universität Konstanz zur "Regeneration des LID-Effekts" (Patentnummer: DE 10 2006 012 920) beschreibt ein Verfahren, das die Regeneration von Cz-Silizium-Solarzellen ermöglicht. Bei diesem Ansatz wird der Wirkungsgrad von Solarzellen schon während der Produktion auf einem Niveau stabilisiert, das deutlich über dem degradierten Zustand liegt.
Die Wirtschaftlichkeit des Prozesses hängt allerdings stark von der erreichbaren Regenerationsrate bzw. der Zeit ab, die zur Passivierung der Defekte benötigt wird.

Lösung

Wissenschaftler der Universität Konstanz haben nun nachgewiesen, dass das bereits patentierte Verfahren bei höheren Temperaturen durchgeführt werden kann und so erheblich an Effizienz gewinnt, wenn während des Regenerationsschrittes Wasserstoff im Siliziumsubstrat zur Verfügung steht.
Verschiedene Möglichkeiten sind geeignet, um Wasserstoff in ausreichender Menge und mit homogener Verteilung während des Herstellungsprozesses in das Siliziumsubstrat einzubringen. So kann z. B. eine Schicht aus hydrogeniertem Siliziumnitrid als Wasserstoffquelle eingesetzt werden. Das Siliziumnitrid strukturiert sich während des Hochtemperaturschrittes um und setzt dabei Wasserstoff frei. Dieser kann dann in das Siliziumsubstrat eindiffundieren. Geeignete Temperaturführung gewährleistet eventuell in Verbindung mit der Generierung von Minoritätsladungsträgern (z. B durch Beleuchtung oder Einleiten eines externen Stromes), dass genügend Wasserstoff eindringen und sich homogen im Siliziumsubstrat verteilen kann.
Wasserstoff kann sich dann während des Regenerationsverfahrens an die Bor-Sauerstoff-Defekte anlagern und diese deaktivieren. Diese Regeneration kann bei deutlich höheren Temperaturen als bisher durchgeführt werden, was den Gesamtprozess so sehr beschleunigt, dass das Verfahren nun in der industriellen Massenproduktion einsetzbar ist. Die derart hergestellten Solarzellen haben einen auf hohem Niveau stabilisierten Wirkungsgrad und können kostengünstig hergestellt werden.

Graph der Regenerationsrate über diffundierte Wasserstoffmenge
Steigerung der Regenerationsrate abhängig vom eindiffundierten Wasserstoff aus der Siliziumnitrid-Schicht.

Vorteile

  • Ausschöpfen des vollen Leistungspotentials von Solarzellen
  • Verkürzung der Prozesszeiten im Regenerationsschritt
  • Erhöhte Wirtschaftlichkeit der Regeneration
  • Kostengünstig und einfach integrierbar in bestehende Fertigungsprozesse

Anwendungsbereiche

Aufhebung der Light-Induced-Degradation (LID) bei nach dem Czochralski-Verfahren hergestellten Silizium-Solarzellen

Exposé
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Entwicklungsstand
Konzept / TRL2
Patentsituation
DE 11 2013 005 591 erteilt
DE 20 2020 103 521.5 erteilt
SG 11201510423Y erteilt
US 2016/0141445 anhängig
KR 10-1807381 erteilt
CN ZL201380077813.4 erteilt
EP 3 014 663 anhängig
MY PI 2015704636 anhängig
JP 6 266 768 erteilt
Referenznummer
13/072TLB
Service
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