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MuSkAD - Multikristallines Silizium für kostengünstige bifaziale Solarzellen mittels APCVD und Co-Diffusion, Teilvorhaben: Entwicklung eines Co-Diffusion-Prozesses aus APCVD abgeschiedenen Dotierschichten für Wafer aus multikristallinem Silizium

Multikristalline Siliziumwafer werden einem Co-Diffusionsprozess, bei dem gleichzeitig Bor und Phosphor in den Wafer eingebracht werden, unterzogen. Dies stellt den Basisschritt für die Herstellung bifazialer Solarzellen dar. Ziel hierbei ist es, einen Dotierprozess zu entwickeln, der für multikristallines Wafermaterial unterschiedlicher Qualität geeignet ist. Hierbei steht vor allem die Auswirkung des Getterns auf vorhandene Defektstrukturen und Verunreinigungen im Vordergrund. Die Arbeiten im Projekt werden von den Projektpartnern SCHMID Group und der Universität Konstanz in Zusammenarbeit ausgeführt. Der Fokus der SCHMID Group liegt auf der Entwicklung eines ökonomischen Verfahrens für die beidseitige Dotierung. Die Universität Konstanz nutzt ihre Expertise im Bereich der Charakterisierung der Prozessergebnisse ein, um diese detailliert bewerten zu können.

Optimierung von Waermetransformatoren zur wirtschaftlichen Nutzung von Abwaerme, Teilvorhaben: LAUE-Scanner zur Ermittlung der Kornorientierungen von polykristallinen Bricks und Wafern

Mit dem geplanten Vorhaben 'Q-Crystal' sollen mit Hilfe von schnellen und neuartigen Verfahren der Qualitätsbewertung von Säulen und Wafern die Herstellungsprozesse von Blocksilizium unter industriellen Bedingungen optimiert werden. In den vergangenen Jahren hat die Weiterentwicklung des multikristallinen Blocksiliziums zur Entwicklung der beiden Materialtypen des 'Mono-Cast' (MC) Siliziums und des 'High-Performance-Multi' (HPM) Siliziums geführt. Da sowohl in MC-Si als auch in HPM-Si die Art, Geometrie und Form der multikristallinen Körner und Korngrenzen eine zentrale Rolle spielen, muss die Kornstruktur zu 100% in einer Produktion gemessen werden können. Durch Kombination der Daten aus der optischen Kornstrukturanalyse mit diffraktometrischen Daten eines scannenden Laue-Messsystems soll eine Referenzmessmethode zur vollflächigen Analyse der kristallographischen Kornorientierungen und Korngrenztypen an ganzen Wafern so weiterentwickelt werden, dass hinreichend große Stichproben entlang eines Bricks in vertretbarer Messzeit vermessen werden können, um diese Messdaten auch tomographisch aufbereiten zu können.

Optimierung von Waermetransformatoren zur wirtschaftlichen Nutzung von Abwaerme, Teilvorhaben: Vermeidung mikrostruktureller Defekte und Verfahren zur Qualitätsbewertung

Im geplanten Vorhaben werden im Labor- und Industriemaßstab hochwertige Kristallisationsprozesse für High-Performance-Multi (HPM) und Mono-Cast (MC) Silizium entwickelt, deren verbesserte Materialqualität und Ausbeute an einer hocheffizienten PERC-Solarzellenstruktur demonstriert wird. Der Schlüssel zur zielgerichteten Optimierung der Kristallisationsprozesse und zur Bestimmung der Einflüsse von Feedstock und Keimmaterial auf die Defektentwicklung liegt in der im Projekt zu entwickelnden schnellen Mess- und Analysetechnik, die eine Bestimmung der relevanten Kristalleigenschaften am Brick bzw. Rohwafer erlaubt und damit ein schnelles Feedback in die Kristallisation und eine Vorhersage der erwarteten Solarzellenperformance ermöglicht.

Black Silicon' Oberflächenstruktur und 'Defect Engineering' für Hocheffizienz-Solarzellen und Module

In den letzten Jahren sind die Stromgestehungskosten aus Photovoltaik-Anlagen stark gesunken. Um in naher Zukunft auch ohne staatliche Förderung konkurrenzfähig zu konventioneller Stromerzeugung zu werden, muss PV-Strom noch günstiger werden. Einen erheblichen Anteil der Systemkosten stellen mittlerweile die Installationskosten pro Modul dar. Durch höhere Modulleistungen kann bei identischem Installationsaufwand mehr elektrische Leistung erzeugt werden. Begrenzt wird die Modulleistung durch verschiedene Verlustmechanismen. Zwei der wesentlichsten sind: - Reflektionsverluste von der Vorderseite der Solarzelle, und - Sogenannte Rekombinationsverluste, durch die optisch erzeugte Elektronen bereits in der Solarzelle verloren gehen, bevor sie die Kontakte erreichen. Dieses Projekt hat zwei Hauptziele: - Stark verminderte Reflektionsverluste durch Verwendung einer speziellen Oberflächenstrukturierung (sogenanntes 'Black Silicon'), und - Reduzierung der Rekombinationsverluste durch gezielte Beeinflussung von Defekten, die für diese Verluste verantwortlich sind ('Defect Engineering'). Das Potential der Schlüsselideen des Projekts wurde bereits im Labormaßstab demonstriert. Die Herausforderung besteht nun darin, diese Ideen so weiterzuentwickeln, dass sie im industriellen Maßstab in der Zell- und Modulfertigung eingesetzt werden können. Lieferobjekte des Vorhabens sind: (i) Prototyp eines Industrie-Standard Moduls aus Zellen mit 'Black-Silicon' (b-Si) Textur. (ii) Signifikante Verbesserung des Wirkungsgrads von Zellen aus Wafern, die aus dem Randbereich eines multikristallinen bzw. Quasi-Mono Silizium Blocks stammen. Dies soll erreicht werden durch Reduzierung der wirkungsgradlimitierenden 'Red Zone', die aus Eindiffusion von Metallen herrührt. (iii) Demonstration einer modifizierten Sequenz eines industriellen Zellprozesses mit dem Ziel, den Effekt der 'Licht-induzierten Degradation' (LID) zu vermeiden.

Diadem - Entwicklung von Säge- und Texturverfahren für diamantdrahtgesägte multikristalline Wafer, Teilvorhaben: Entwicklung eines Texturierungsadditivs und eines Prozesses für die saure Texturierung von diamantdrahtgesägten multikristallinen Wafern

Diamantdrahtgesägte multikristalline Wafer haben 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 diamatdrahtgesägten 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 Konsortium besteht aus verschiedenen Firmen und einem Forschungsinstitut, die mit ihren jeweiligen Expertisen dieses Projekt erfolgreich bearbeiten wollen. Die Ergebnisse des Projektes sollen es den Partnern ermöglichen, neue Anlagen oder Upgrades zu bestehenden Anlagen oder Messsystemen zu vermarkten und die Alleinstellungsmerkmale der jeweiligen Firmen weiter auszuprägen. Das Verbundprojekt umfasst 5 Arbeitspakete (AP): AP 1 Projektkoordination; AP 2 Entwicklung einer Textur für diamantdrahtgesägte-Wafer; AP 3 Mess- und Charakterisierungstechnologien; AP 4 Solarzellen-Herstellung und Demonstration; AP 5 Ökonomische Bewertung.

Diadem - Entwicklung von Säge- und Texturverfahren für diamantdrahtgesägte multikristalline Wafer, Teilvorhaben: Textur- und Charakterisierungsentwicklung

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.

Diadem - Entwicklung von Säge- und Texturverfahren für diamantdrahtgesägte multikristalline Wafer, Teilvorhaben: Inline-Messtechnik für Diamantdraht-gesägte multikristalline Wafer

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.

Diadem - Entwicklung von Säge- und Texturverfahren für diamantdrahtgesägte multikristalline Wafer, Teilvorhaben: Entwicklung Anlagentechnologie für die Textur von diamantdrahtgesägten multikristallinen Wafern

In den vergangenen Jahren konnte der Diamantdrahtsögeprozess 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 Drohtsägeprojekten 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. Begleitend werden die benötigten Messverfahren weiterentwickelt, die die elektrischen und mechanischen Eigenschaften dieser Wafer im Rahmen des Eingangstests klassieren sollen.

MuSkAD - Multikristallines Silizium für kostengünstige bifaziale Solarzellen mittels APCVD und Co-Diffusion, Teilvorhaben: Auswirkungen der Co-Diffusion aus mittels APCVD abgeschiedener Dotierschichten auf die Materialqualität von multikristallinem Silizium

Im Rahmen des Projekts soll der Einfluss des Co-Diffusionsprozesses auf multikristalline Wafer unterschiedlicher Qualität untersucht werden. Hierbei soll insbesondere die Wirkung des Co-Getterns, bei dem sowohl hoch bor- als auch phosphordotierte Bereiche metallische Verunreinigungen binden, evaluiert werden. Co-Gettern kann bei höheren Temperaturen entscheidend zur Verbesserung der Ladungsträgerlebensdauer im multikristallinen Material beitragen. Ziel ist es, ein besseres Verständnis des Einflusses der Co-Diffusion auf die Materialqualität für die Entwicklung von geeigneten Prozesssequenzen für möglichst viele multikristalline Silizium-Materialien zu entwickeln. Ein weiteres Ziel des Projekts ist es, die für den Diffusionsprozess notwendige thermische Ofentechnik radikal zu vereinfachen. Basierend auf Dotierquellen, die mittels APCVD (Atmosphärendruck-Gasphasenepitaxie) aufgebracht wurden, sollen Wafer für den Diffusionsprozess einfach aufeinander gestapelt werden. Dies macht den Einsatz der gegenwärtig noch verwendeten, vergleichsweise komplexen Öfen und Automationsanlagen überflüssig und trägt zu einer wesentlichen Reduktion der Betriebs- und Investitionskosten bei.

LIMES - Limitierende Defekte in Si-Materialien für höchsteffiziente Solarzellen, Teilvorhaben: Materialbedingte Limitierungen in kristallinem Si und Einfluss von Solarzellen-Prozessschritten

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.

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