Neuartige, höchsteffiziente, rückseitenkontaktierte Solarzellen mit beidseitiger Lichtempfindlichkeit

Ziel dieser Arbeit war es, durch geschickte Ausnutzung geeigneter physikalischer Prinzipien eine einfach herzustellende höchsteffiziente kristalline Siliziumsolarzelle zu realisieren und damit in Zukunft die Kosten von Solarstrom erheblich zu reduzieren. Zu diesem Zweck wurde eine neuartige Zellstruktur entwickelt, die rückseitenkontaktiert und beidseitig lichtempfindlich ist. Die so genannte Back-OECO-Solarzelle basiert auf einer mechanisch strukturierten Rückseite und auf im Vakuum schräg aufgedampften Aluminiumkontakten. Benutzt wurden Al-Si-Kontakte für die Basis und Al/SiOx/n-Si-Tunnelkontakten für den Emitter. Detailliert wurden die speziellen Anforderungen der Back-OECO-Solarzelle analysiert und technologische Lösungsmöglichkeiten realisiert. Insbesondere wurde der Einfluss des Basismaterials, der Vorderseitenpassivierung und der Rückseitenpassivierung untersucht. Da wegen der strukturierten Rückseite die effektive Basisdicke der Back-OECO-Solarzelle sehr einfach auf extrem dünne Werte eingestellt werden kann, lassen sich auch auf schlechtem Ausgangsmaterial wie Czochralski- oder multikristallinem-Silizium gute Wirkungsgrade erreichen. Für die Rückseitenpassivierung spielen die festen positiven Ladungen in der SiNx-Schicht eine wichtige Rolle. Diese können im Si eine Inversionsschicht und einen leitenden Inversionskanal erzeugen. Dieser äußert sich in einem parasitären Shunt. Dieser Shunt konnte zum ersten Mal direkt nachgewiesen und mit Coronaladungen reversibel manipuliert werden. Durch eine geänderte Prozessierung wurde eine passivierende SiNx-Beschichtung realisiert - ohne den negativen Einfluss eines parasitären Shunts und mit verbesserter Passivierqualität. Durch eine neue Strukturierung parallel zu (110)-Flächen erreicht man in Verbindung mit der OECO-Technologie in einem anisotropen Ätzschritt eine Oberflächentexturierung unter Beibehaltung von ebenen Kontaktflächen. Dadurch wird die Fingerleitfähigkeit erhöht, die Kontaktfläche verkleinert und die Temperaturstabilität des MIS-Kontaktes erhöht. Mit zweidimensionalen numerischen Berechnungen wurde die spezielle Geometrie der Back- OECO-Solarzelle untersucht. Durch die schmalen Stege erreicht man eine extrem inhomogene Minoritätsladungsträgerdichteverteilung. Das Injektionsniveau in den Stegen wird dadurch um über zwei Größenordnungen reduziert. Durch diesen Abschottungs-Effekt erreicht man zu ersten Mal eine Art Passivierung allein durch geometrische Anpassung. Insbesondere dadurch werden bei der Back-OECO-Solarzelle sehr hohe Kurzschlussstromdichten trotz der zahlreichen und ansonsten unpassivierten Basiskontakte erzielt. Aufbauend auf den zuvor beschriebenen Erkenntnissen konnte die Back-OECO-Solarzelle mit wenigen Einzelschritten realisiert werden. Auf 4 cm 2 großen Laborzellen wurden Spitzenwirkungsgrade von 21,5 % und 17,7 % unter Vorderseiten- und Rückseitenbeleuchtung erreicht (gemessen vom Fraunhofer ISE CALLAB). Dies sind weltweit die höchsten Wirkungsgrade für rückseitenkontaktierte, bifaciale Solarzellen, die ohne Photolithographie hergestellt wurden. Mit der vorliegenden Arbeit wurde eine Solarzelle entwickelt, die sowohl vom Wirkungsgrad, von der einfachen Zellherstellung als auch wegen ihrer beidseitigen Lichtempfindlichkeit und der vereinfachten Modulherstellung zu einer deutlichen Verringerung der Gestehungskosten photovoltaisch erzeugter Energie beitragen kann.