In dem Projekt sollen die Limitierungen der besten aktuellen, industrierelevanten Si-Materialien - mit erwarteten Lebensdauern über 1 ms - untersucht werden. Die Lebensdauerproben und Zellvorläuferstrukturen werden dabei auch den für bestimmte Hocheffizienzzelltechnologien spezifischen Hochtemperatur-, Getter- und H-Passivierschritten unterzogen, um das Vorliegen der Defekte nach Abschluss des Zellprozesses nachzustellen, welches für den erzielbaren Wirkungsgrad relevant ist. Auch sogenannte Regenerationsschritte werden zur Anwendung kommen. Über temperatur- und injektionsabhängige Lebensdauermessungen werden die Shockley-Read-Hall-Parameter der nichtstrahlenden Rekombination erfasst, die einen Fingerabdruck für die dominierenden und somit limitierenden Verunreinigungen darstellen. Welche Zellkenngrößen nach einem gegebenen Prozessfluss erwartet werden können, lässt sich anschließend mittels Simulationen vorhersagen. Hierbei können auch sehr unterschiedliche Zelltypen mit vergleichsweise geringem Aufwand untersucht und verglichen werden. Ebenso sollen die Auswirkungen von Prozessvariationen analysiert und Optimierungsstrategien entworfen werden.
Bei höchsteffizienten Solarzellen spielen Materialdefekte, die die Ladungsträgerlebensdauer limitieren, eine große Rolle. Selbst beste aktuelle Si-Materialien erreichen nicht immer Lebensdauern von mehreren Millisekunden. Im Projekt soll untersucht werden, welche Defekte Lebensdauern im ms-Bereich in aktuell besten, industrierelevanten Si-Materialien limitieren, wie sich die Defekte bei unterschiedlichen Höchsteffizienzprozessen verhalten und wie sich die negativen Auswirkungen durch optimierte Prozesse einschränken lassen. Das Vorhaben gliedert sich in vier Teilprojekte, in Teilprojekt 1 Materiallimitierende Defekte in TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)-Solarzellen: 'Analyse und Materialoptimierung', in Teilprojekt 2 'Analyse der materiallimitierenden Defekte in TOPCon-Solarzellen', in Teilprojekt 3 'Prozesseinflüsse auf die Ladungsträgerlebensdauer in Si-Materialien für höchsteffiziente Solarzellen' und in Teilprojekt 4 'Materialbedingte Limitierung in kristallinem Silizium und' Einfluss von Solarzellenprozessschritten.
Höchsteffiziente Solarzellen benötigen Basismaterialien mit Ladungsträgerlebensdauern von deutlich über 1 ms, um möglichst wenig durch die Materialqualität limitiert zu werden. Die besten aktuellen Materialien p- (implatieren von Fremdatomen) und n- (implantieren von Elektronen-Donatoren) Typ Cz-Si (Czochralsky Silizium), p-Typ HPM-Si (multikristallines Blockguss-Silizium), aber auch p- und n-Typ FZ-Si-(Float Zone - Silizium)) erreichen zwar sehr hohe Lebensdauern größer als 1 ms, weisen dennoch eine Begrenzung unterhalb des intrinsischen Auger-Limits auf. Über die limitierenden Defekte ist sehr wenig bekannt. Das Projekt hat zum Ziel, die limitierenden Defekte nach verschiedenen Höchsteffizienzprozesssen zu identifizieren, die Limitierung der Solarzellparameter zu quantifizieren und Optimierungsstrategien für ein hohes Wirkungsgradpotenzial zu erarbeiten. Das Vorhaben gliedert sich in vier Teilprojekte, in Teilprojekt 1 Materiallimitierende Defekte in TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)-Solarzellen: Analyse und Materialoptimierung, in Teilprojekt 2 'Analyse der materiallimitierenden Defekte in TOPCon-Solarzellen', in Teilprojekt 3 'Prozesseinflüsse auf die Ladungsträgerlebensdauer in Si-Materialien für höchsteffiziente Solarzellen' und in Teilprojekt 4 'Materialbedingte Limitierung in kristallinem Silizium und Einfluss von Solarzellenprozessschritten'.
Die Ziele, die Hennecke in diesem Projekt verfolgt sind sehr stark orientiert an Verbesserungen und Neuentwicklungen der Waferinspektionsautomaten, die in der Folge einen Vorsprung vor den Mitbewerbern am Markt und erhöhte Chancen im Verkauf der Anlagen bedeuten. Insbesondere ein Waferratingverfahren und eine inline-Kornstrukturanalyse können für die Hennecke-Messtechnik ein Alleinstellungsmerkmal und Verkaufsargument sein.
Die Firma ALD als führender Hersteller von Kristallisationsöfen zur Herstellung von Blöcken aus Solarzilizium als Vormaterial für die Solarzellenproduktion beabsichtigt im Rahmen des Forschungsvorhabens 'Q-Crystal' die industriellen Herstellungsprozesse für die Materialklassen 'High-Performance-Multi-Silizium' und 'Mono-Cast-Silizium' zu optimieren, um das Potenzial dieser Materialien hinsichtlich der Effizienz der daraus hergestellten Solarzellen voll auszuschöpfen. Dieser Optimierungsprozess schließt die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von High-Performance-Multikristallinen Blöcken mit erhöhtem Gewicht ein, um den spezifischen Energieverbrauch für diese Materialklasse zu senken und die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens zu steigern.
Das Gesamtziel des Vorhabens Q-Crystal ist es mit Hilfe von schnellen und neuartigen Verfahren der Qualitätsbewertung von Säulen und Wafern die Herstellungsprozesse von Blocksilizium unter industriellen Bedingungen zielgerichtet zu optimieren und damit die Qualität der daraus hergestellten Siliziumwafer zu steigern. Dies soll an einer hocheffizienten industriellen Solarzellenstruktur demonstriert werden.
In den vergangenen Jahren konnte der Diamantdrahtsägeprozess für monokristalline Wafer erfolgreich in die Industrie eingeführt werden, was insbesondere zu geringeren Kosten dieser Wafer geführt hat. Ebenso haben diamantdrahtgesägte multikristalline Wafer ein großes Potential zu einer kostengünstigen Alternative zu konventionell gesägten Wafern zu werden. Dies ist bislang aber noch nicht erreicht, da zwei wesentliche Hürden einer wirtschaftlichen Markteinführung entgegen stehen: Zum einen kann der Drahtsägeprozess seine Vorteile noch nicht auf multikristallinen Wafern entfalten und zum anderen gibt es noch keinen industriereifen Prozess solche Wafer zu texturieren. Während die erste Hürde in parallel laufenden Drahtsägeprojekten aufgegriffen ist, sollen in dem hier skizzierten Projekt geeignete Textur- und Charakterisierungsmethoden entwickelt werden. Ein besonderes Augenmerk wird hierbei auf eine industrielle Umsetzbarkeit sowie die Integrationsmöglichkeit in bestehende Solarzellenfertigungslinien gelegt werden. Zur Erreichung dieser Ziele wird ein grundlegendes Verständnis erarbeitet, wie ein Texturprozess eventuell mit chemischen oder mechanischen Vorprozess auf diamantdrahtgesägten multikristallinen Wafern umsetzbar und auf Großanlagen übertragbar ist. Begleitend werden die benötigten Messverfahren weiterentwickelt, die die elektrischen und mechanischen Eigenschaften dieser Wafer im Rahmen des Eingangstests klassieren sollen. Das Projekt umfasst insgesamt fünf Arbeitspakete (AP), AP 1: Projektkoordination AP 2: Entwicklung einer Textur für DWS-Wafer AP 3: Mess- und Charakterisierungstechnologien AP 4: Solarzellenherstellung und Demonstration AP 5: Ökonomische Bewertung einer Fertigungssequenz. Die Gesamtkoordination des Projektes liegt bei SCHMID.
In den vergangenen Jahren konnte der Diamantdrahtsägeprozess für monokristalline Wafer erfolgreich in die Industrie eingeführt werden, was insbesondere zu geringeren Kosten dieser Wafer geführt hat. Ebenso haben diamantdrahtgesägte multikristalline Wafer ein großes Potential zu einer kostengünstigen Alternative zu konventionell gesägten Wafern zu werden. Dies ist bislang aber noch nicht erreicht, da zwei wesentliche Hürden einer wirtschaftlichen Markteinführung entgegen stehen: Zum einen kann der Drahtsägeprozess seine Vorteile noch nicht auf multikristallinen Wafern entfalten und zum anderen gibt es noch keinen industriereifen Prozess solche Wafer zu texturieren. Während die erste Hürde in parallellaufenden Drahtsägeprojekten aufgegriffen ist, sollen in dem hier skizzierten Projekt geeignete Textur- und Charakterisierungsmethoden entwickelt werden. Ein besonderes Augenmerk wird hierbei auf eine industrielle Umsetzbarkeit sowie die Integrationsmöglichkeit in bestehende Solarzellenfertigungslinien gelegt werden. Zur Erreichung dieser Ziele wird ein grundlegendes Verständnis erarbeitet, wie ein Texturprozess eventuell mit chemischem oder mechanischem Vorprozess auf diamatdrahtgesägten multikristallinen Wafern umsetzbar und auf Großanlagen übertragbar ist. In diesem Teilvorhaben werden die benötigten Messverfahren weiterentwickelt, die die elektrischen und mechanischen Eigenschaften dieser Wafer im Rahmen des Eingangstests klassieren sollen.
Die CIGS-Technologie weist innerhalb der Dünnschichttechnologien die höchsten Wirkungsgrade von 21,7% an Zellen auf Glas auf (ZSW, 2014) und hat zwischenzeitlich mit Rekordwerten an industriellen Modulen von 16% (Samsung, 2014) die Reife für den PV-Massenmarkt erreicht. Um im weltweiten Wettbewerb mit der c-Si Technologie jedoch konkurrieren zu können, müssen die Herstellkosten für CIGS-Module weiter gesenkt werden. Wesentliche Hebel hierzu sind die Erhöhung der Wirkungsgrade und die Reduktion der Materialkosten. Ziel des beantragten Vorhabens ist es durch ein tieferes Verständnis des CIGS-Wachstums und des Einflusses von Grenzflächen und Fremddotieratomen, den Wirkungsgrad auf einen neuen Rekordwert für Laborzellen von 23 % zu steigern und für 30x30 cm2 Module einen herausfordernden Wirkungsgrad von größer als 18 % zu erzielen. Dieses vertiefte Verständnis der CIGS-Wachstumsprozesse unterstützt wesentlich die unter Kostenaspekten notwendige weitere Reduzierung der Prozesszeiten. Letztlich ist am Markt der Modulertrag die relevante Kenngröße für das PV-Modul. Die ihn begrenzenden Einflussgrößen sollen durch neue Untersuchungsmethoden identifiziert werden. Der Einfluss von Prozess- und Materialvariationen auf das Langzeitverhalten der CIGS-Module soll sowohl im Labor als auch im Freifeld unter Echtbedingungen bewertet werden. Auch das Verhalten unter hohen Spannungen wird evaluiert und die Zusammenhänge zwischen Herstellparametern und Moduleigenschaften geklärt. Die für die weitere Verbesserung der Wirkungsgrade relevanten Parameter werden an Testzellen kleiner Fläche (0,5cm2) identifiziert und danach auf den industrienahen Inline-Modus übertragen, um letztlich die Wirkungsgrade an Modulen bis 30x30 cm2 zu verbessern. Begleitend wird materialanalytisch und mit elektrischen / optischen Untersuchungsverfahren ein vertieftes Verständnis der Verlustmechanismen und deren Einfluss auf das Bauelement gewonnen.
Entwicklung einer selektiv kontaktierenden Paste, die mittels Schablonen- und Extrusionsdruck aufgebracht werden kann. Die Arbeitsplanung umfasst die Hauptpunkte 'Materialentwicklung, Technologieentwicklung und den Transfer ins industrielle Umfeld'. Durch die systematische Auswahl und Charakterisierung von Kontaktsystemen soll eine selektive Kontaktbildung erreicht werden, welche die Rekombinationsverluste auf der Solarzellenvorderseite reduziert. Durch die gezielte Auswahl an Dispergiermitteln und oberflächenaktivierenden Netzmittel sollen die Pasten sowohl für den Sieb- bzw. Schablonendruck als auch für den Extrusionsdruck geeignet sein.
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| Bund | 65 |
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