Neue nasschemische Verfahren zur Bearbeitung von Solarzellen / 09.08.2017

Industrietechnologien zur chemischen und galvanischen Zell-Prozessierung

Simultaner Transport von 400 Wafern (in acht 50 Wafer-Kassetten) zwischen zwei Prozessbecken bei der Textur von Cz-Solarzellen. Die Verdopplung der simultan bewegten Zahl an Wafern von 200 auf 400 steigert den Durchsatz und senkt die Prozesskosten. © RENA Technologies

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und der Anlagenbauer RENA arbeiten gemeinsam daran, die nächste Generation von nasschemischen Prozessen für die Herstellung von industriellen hocheffizienten Silizium-Solarzellen zu entwickeln bzw. weiter zu optimieren.

Günstige Fertigungsverfahren für die PV-Industrie entwickeln

Heutzutage basieren mehr als 80% aller Solarzellen auf Wafern aus kristallinem, zumeist bordotiertem p-Typ Silizium. Im Projekt GROSCHEN entwickeln die Forscher nasschemische Ätz- und Metallisierungsprozesse und -verfahren zur Fertigung von kristallinen Silizium-Solarzellen weiter. Im nächsten Schritt können diese direkt in die industrielle Fertigung übertragen werden. Die Projektpartner erproben neue Technologien und Materialien, um die Produktion von Solarzellen auch zukünftig kontinuierlich effizienter, kostengünstiger und ressourcenschonender zu gestalten. Sie haben sich folgende wissenschaftlichen und technischen Ziele gesetzt:

 

  • Verbesserung der Texturprozesse für mono- und multikristalline Siliziumwafer in Fließfertigungs- und Batchverfahren sowie Prozesskontrolle,
  • Einfache, einseitige nasschemische Prozessfolgen, die Wafer mit texturierter Vorder- und polierter Rückseite erzeugen,
  • Entwicklung von Rückätzprozessen zur Einstellung von Emitterprofilen und Ermittlung von optimalen Oberflächeneigenschaften (Morphologie und Reinheit) vor der Passivierung,
  • Umsetzung von hocheffizienten Reinigungsprozessen im Inlineverfahren als Vorprozesse für die Herstellung von passivierenden Schichten,
  • Optimierung der Laserstrukturierungsprozesse hinsichtlich kleiner Kontaktgeometrien, Erzeugung schädigungsarmer Kontaktöffnungen und guter Kontakthaftung,
  • Optimierung des Ni-Galvanikprozesses hinsichtlich Abscheidehomogenität, Silizidierung des Kontaktinterface für bessere Kontakthaftung, Kontaktwiderstand und Erhöhung der Cu-Diffusionsdichtigkeit,
  • Optimierung des Cu-Galvanikprozesses hinsichtlich Abscheidehomogenität, insbesondere bei hohen Abscheideraten, der Erzeugung spannungsarmer Schichten und der galvanisch abgeschiedenen Cappingschicht zur Verhinderung der Cu-Oxidation,
  • Entwicklung neuer Verschaltungskonzepte (z. B. Smart Wire) für galvanisch metallisierte Solarzellen,
  • Demonstration der Langzeitstabilität von optimierten nasschemisch prozessierten Solarzellen auf Modulebene.

 

Die Prozesse sollen im Rahmen von Prozesssequenzen zur Herstellung von hocheffizienten Solarzellen (insbesondere PERC- aber auch IBC und Heterojunction-Solarzellen) eingesetzt werden; die erfolgreiche Umsetzung der Prozesse kann über einen signifikanten Wirkungsgradzugewinn gegenüber dem Stand der Technik bei gleichen bzw. verminderten Herstellungskosten überprüft werden.

Nasschemische Ätztechnologie zur Texturierung und Reinigung

Positionierung von 400 Wafern (in vier 100 Wafer-Kassetten) im vergrößerten Texturprozessbecken. © RENA Technologies

Im Projekt sollen industriell verwertbare nasschemische Prozesstechniken zur Herstellung hocheffizienter Solarzellenstrukturen entwickelt bzw. weiter optimiert werden. Die Partner werden Solarzellen fertigen und die Prozesse entsprechend testen. In der Vielzahl der Realisierungsmöglichkeiten höherwertiger Zellkonzepte finden sich immer wieder gleiche Anforderungen für die zu bearbeitenden Oberflächen:

 

  • Zur Verbesserung der internen Verspiegelung sowie der Passivierbarkeit sollte die Rückseite der Solarzelle möglichst poliert sein,
  • bei der Ausführung einseitiger Ätzprozesse darf es zu keiner Beeinflussung der nicht zu bearbeitenden Oberfläche kommen,
  • die Optimierung des niedrig dotierten Emitterbereiches zwischen den hochdotierten Kontaktfingerbereichen ist wesentlich für die Verbesserung der Blauempfindlichkeit der Solarzelle,
  • eine erfolgreiche Passivierung der Basisbereiche an der Solarzellenrückseite stellt hohe Anforderungen an die Reinigung bzgl. der Entfernung möglicher organischer und metallischer Kontaminationen dar.

 

Im Wesentlichen können für das Projekt vier verschiedene Entwicklungsfelder identifiziert werden:

 

  1. Umsetzung neuartiger, auf Nasschemie basierender, Texturierungsprozesse, die eine Bearbeitung multikristalliner Siliziumsolarzellen deutlich wirtschaftlicher gestalten,
  2. Optimierung und Anpassung von einseitigen Ätzprozessen, wie zum Polieren, Reinigen und selektiven Abtragen von Silizium-Oberflächen in unterschiedlichen Prozessstadien, an die Anforderungen der dielektrischen Passivierung,
  3. Entwicklung von kostengünstigen homogenen Emitter-Rückätzverfahren,
  4. Entwicklung und Charakterisierung von Prozesstechniken zur Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften (Morphologie, Reinheit) von Siliziumoberflächen vor Passivierung und deren prozesstechnische Umsetzung im Durchlaufverfahren.

Forschungsschwerpunkte in den Entwicklungsfeldern

Texturierter mono- kristalliner Siliziumwafer, der mittels eines verbesserten Batchverfahrens mit optimierter Prozesskontrolle und Kostenstruktur hergestellt wurde. © RENA Technologies

Das erste Feld umfasst die Weiterentwicklung heutiger Texturierungsverfahren für mono- und multikristalline Siliziumwafer. Zum einen soll das Potential der Textur durch Verwendung alternativer Prozesschemikalien (z. B. neuartiger Additivzusätze) verbessert werden, zum anderen sollen sowohl für alkalische als auch saure Texturierungsprozesse insbesondere eine einseitige Prozessanwendung entwickelt und untersucht werden. Eine einseitige Prozessführung würde zu einer stärkeren Entkopplung der vorder- und rückseitigen Optimierung der Waferoberflächen führen (texturierte Vorderseite, polierte Rückseite), was insbesondere für rückseitenpassivierte Solarzellen von Vorteil ist. Ein weiterer Schwerpunkt soll im Bereich der Prozesskontrolle gelegt werden, beispielsweise ist eine verbesserte Kontrolle der Pyramidengröße und -form bei alkalischen Texturierungsprozessen geplant. Die gezielte Steuerung der Texturausbildung soll helfen, für das jeweilige Solarzellenkonzept (Al-BSF, PERC, Heterojunction) optimierte Oberflächenmorphologien zu erzeugen.

 

Insbesondere bei hocheffizienten Solarzellenkonzepten gewinnt die seitenselektive Bearbeitung der Waferoberfläche durch Ätzprozesse an Bedeutung. In verschiedenen Prozessstadien werden einseitige Ätzschritte benötigt. Die Einseitigkeit wird dabei von der jeweils nicht zu bearbeitenden Seite beeinflusst.

 

In Verbindung mit einer selektiven Emitterstruktur kann der niedrig dotierte Zwischenfingerbereich unabhängig vom späteren Kontaktbereich optimiert werden. Kontrollierte Rückätzprozesse sollen hierbei die Oberflächenkonzentration an Phosphor absenken und somit in Verbindung mit einer angepassten Passivierung die Rekombinationsrate im Emitterbereich deutlich vermindern.

 

Basierend auf den entwickelten Reinigungen im Batchverfahren sollen Reinigungsverfahren im Inline-Verfahren entwickelt werden. Zur Charakterisierung und Umsetzung von Reinigungsprozessen in eine industrielle Fertigungsumgebung müssen zunächst die Anforderungen an die Reinheit für die verschiedenen Passivierungsprozesse ermittelt werden. Ziel ist, bestehende Lösungen in Ihrer Komplexität und ihrem Chemieeinsatz signifikant zu vereinfachen, ohne jedoch dabei drastisch an Reinigungseffizienz zu verlieren. Zur Erhaltung des Prozessflusses ist es zudem wünschenswert, diese Prozesse, wie auch alle anderen nasschemischen Prozesse im Rahmen des Projektes, auf Anlagen mit horizontalem Wafertransport zu realisieren. Damit wird es möglich, die Reinigungsprozesse in bereits bestehende Anlagenkonzepte zu integrieren und so die Investitionskosten für Produzenten zu senken.

 

Die verschiedenen Entwicklungsfelder sind eng miteinander verknüpft. Neben der technischen Prozessverbesserung ist somit ein wesentliches Ziel des Projektes, die entsprechenden Ätz- und Reinigungsprozesse auf die spätere Passivierung der Oberfläche abzustimmen. Je nach Art der Oberflächenpassivierung ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Vorbehandlung, insbesondere in Bezug auf Oberflächenrauigkeit und -reinheit.

Galvanische Prozesstechnologie zur Erzeugung von Vorderseitenkontakten

Im zweiten Teil des Projektes geht es darum, galvanische Prozesstechnologien zur Erzeugung von Vorderseitenkontakten zu entwickeln.

 

Durch die Einführung einer passivierten Rückseite konnten große Fortschritte im Wirkungsgrad industriell umsetzbarer Solarzellenkonzepte, wie z. B. PERC, erreicht werden. Dadurch wird es immer wichtiger, auch auf der Vorderseite der Solarzelle die Wirkungsgradverluste des Emitters und der Metallisierung weiter zu reduzieren. Die vielversprechendste Möglichkeit stellt hierbei die Absenkung der Dotierkonzentration im Emitter dar, wodurch neue Anforderungsprofile für einen industriell umsetzbaren Metallisierungsprozess geschaffen werden. Die Kombination von Lasermikrostrukturierung und galvanisch erzeugten Ni- / Cu- / Ag- Kontakten konnte im Labormaßstab bereits demonstrieren, dass diese Prozesstechnologien prinzipiell sehr gut mit dem Anforderungsprofil übereinstimmen. Allerdings ergeben sich im Hinblick auf eine erfolgreiche Umsetzung in industrielle Massenproduktion noch technologische Hürden bzw. Fragestellungen, die im Projekt untersucht werden müssen. Die wesentlichen Kriterien sind dabei:

 

  • Reduzierung der elektrischen Verluste durch die Laserkontaktstrukturierung,
  • Verbesserung der Umsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Laserverfahren für Massenfertigung,
  • Optimierung der Metallfinger-Geometrien hinsichtlich Abschattungs- und Serienwiderstandsverlusten,
  • Verbesserung der Kontakthaftung der galvanisch abgeschiedenen Kontakte,
  • Erhöhung des Wirkungsgrads von PERC-Solarzellen und Reduzierung der Wirkungsgradverluste bei der Modulintegration.

 

Für die Forscher und Entwickler ergeben sich daraus die folgenden vier Handlungsschwerpunkte:

 

  • Optimierung des Lasermikrostrukturverfahrens zur Herstellung von schädigungsarmen Kontaktöffnungen mit Strukturbreiten kleiner 15 µm,
  • Optimierung bzw. Entwicklung von galvanischen Abscheideverfahren für Ni, Cu und eine Capping-Schicht, die eine homogene und schmale Kontaktstrukturbreite erlaubt,
  • Entwicklung thermischer Nachbehandlungsschritte für moderne, flache Emitterprofile, die Kontakthaftungen größer 1 N/mm garantieren und gleichzeitig niedrige Kontaktwiderstände erlauben und zu keiner elektrischen Degradation in der Solarzelle führen,
  • Integration von galvanischen Kontakten in PERC-Solarzellen und Modulintegration von galvanisch metallisierten Solarzellen mit innovativen Modultechnologien.

 

Die Weiterentwicklung galvanischer Kontakte erfordert eine gekoppelte Optimierung der Prozesstechnologien der Lasermikrostrukturierung, der galvanischen Abscheidung und der thermischen Nachbehandlung. Dies ist notwendig, da sich die resultierenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Kontakte beim Einsatz in einer Solarzelle durch ein komplexes Zusammenspiel dieser drei Prozesse ergeben. Bei der Weiterentwicklung des Lasermikrostrukturierungsprozesses ergeben sich hierbei nicht nur eine technologische Herausforderung in der Umsetzung, sondern auch neue Problemstellungen in der elektrischen Charakterisierung sehr kleiner Kontaktstrukturen.

 

Bei der Weiterentwicklung der galvanischen Prozesse ist insbesondere die homogene Erzeugung von galvanischen Schichten mit sehr guten Kontakthaftungseigenschaften bei sehr hohen Durchsatzraten einer der Kernaspekte, der noch intensiven Forschungseinsatz erfordert. Dieser Aspekt ist allerdings auch stark gekoppelt an die Weiterentwicklung von thermischen Nachbehandlungsschritten. Hierbei steht die Vergrößerung des Prozessverständnisses der Silizidierung im Fokus. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, den thermischen Nachbehandlungsschritt nicht nur hinsichtlich verbesserter elektrischer und mechanischer Kontakteigenschaften zu optimieren, sondern auch Prozesskosten durch technologische Optimierungen zu reduzieren.

 

Beim Transfer galvanischer Kontakte in PERC-Solarzellen ergibt sich die Herausforderung der Prozessintegration bzw. Neugestaltung einer optimierten Herstellungskette, die das vollständige Potenzial zur Wirkungsgradsteigerung durch kleine Kontaktgeometrien und niedrige Kontaktwiderstände erlaubt. Des Weiteren müssen neue Ansätze gefunden werden, damit die Kombination aus neuen Modultechnologien, wie der Verschaltung durch Drahtelektroden in Kombination mit galvanischen Kontakten, auch alle elektrischen und mechanischen Anforderungen für eine industriell umsetzbare Modulherstellung erfüllt.

Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben:
GROSCHEN - Entwicklung einer nächsten Generation nasschemischer Prozesse für industrielle hocheffiziente kristalline Silizium Solarzellen

Förderkennzeichen:
0324012A,B

Laufzeit:
01.01.2016 - 31.12.2018

Projektbeteiligte

Projektleitung, Nasschemische Anlagen- und Prozesstechnologieentwicklung
RENA Technologies GmbH

Dr. Damian Pysch
damian.pyschatrena.com

Prozessentwicklung und Charakterisierung nasschemischer Prozesse für industrielle hocheffiziente c-Si Solarzellen
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.