CHIP - Kosteneffiziente Ionen-Implantation in der Photovoltaik

Im Rahmen des Verbundprojekts CHIP soll die Technologie der Ionen-Implantation und deren Anwendbarkeit für die Herstellung von kristallinen Siliziumsolarzellen untersucht werden. Hierzu werden zusammen mit dem Projektpartner ISFH hocheffiziente PERT-Solarzellen (Passivated Emitter and Rear, Totally Doped) auf monokristallinen n-Typ Wafern hergestellt, bei denen mittels Ionen-Implantation die Vorderseite lokal selektiv p-hochdotiert und die Rückseite selektiv n-hochdotiert ist. Als Dotierstoffe werden dabei Phosphor und Arsen für die n-Hochdotierung und Bor für die p-Hochdotierung in unterschiedlichen Zusammensetzungen untersucht. Der für die Ausheilung, der durch die Ionen-Implantation hervorgerufenen Schädigungen notwendige Temperaturschritt, ist ein damit eng verbundenes Untersuchungsziel des Projekts. Hier soll ein Prozess gefunden werden, welcher beide Dotiertypen gleichzeitig ausheilen kann. Dazu werden verschiedene Temperaturprozesse miteinander verglichen, welche sich hauptsächlich in Dauer und Temperaturverlauf unterschieden. Die Partner führen gemeinsam mit Industriepartnern das BMU-geförderte Verbundvorhaben durch. Das Projekt evaluiert die Möglichkeiten der Ionen-Implantation für die Herstellung hocheffizienter kristalliner Photovoltaik-Siliziumsolarzellen. Im Rahmen des Projektes wurde ein nur 1 Jahr alter Ionen-Implanter am LNQE der LUH aufgebaut. Die aktuelle Entwicklung von kristallinen Siliziumsolarzellen ist gekennzeichnet durch die Reduktion der Herstellungskosten einerseits und die sukzessive Erhöhung des Zellwirkungsgrades andererseits, sodass insgesamt die Kosten pro Watt Peak verringert werden können und die Photovoltaik gegenüber anderen alternativen Energieformen, sowie gegenüber fossilen Energieträgern konkurrenzfähig wird.

Zur Steigerung des Wirkungsgrades gehen die meisten Hersteller einen evolutionären Weg, der zunächst die Weiterentwicklung des bisherigen Standardzellkonzeptes – beidseitig kontaktierte p-Typ-Solarzelle mit n-Typ-Vorderseitenemitter (Abb. 1a) - verfolgt, aber in mittlerer Zukunft auch zu einer Änderungen des Zellkonzeptes führen wird. Eine wichtige Weiterentwicklung der heute üblichen „Standardzelle“ ist die Passivierung der Zellrückseite. Die führt zum einen zu verbesserten optischen Eigenschaften und zum anderen zu geringeren Rekombinationsverlusten der Solarzellen. In dem, bei heutigen Standardzellen verwendeten p-Typ-Basismaterial, das mit dem Czochralski-Verfahren gewonnen wird und daher einen signifikanten Sauerstoffanteil aufweist, findet unter Beleuchtung die Bildung von rekombinationsaktiven Bor-Sauerstoffkomplexen statt, wodurch die Zellleistung mit der Zeit abnimmt. Verhindert werden kann diese Degradation durch den Wechsel zu n-Typ Basismaterial. Ein typisches Zellkonzept mit n-Typ-Basismaterial sind so genannte PERT-Zellen (Passivated Emitter and Rear, Totally doped) wie Abbildung 1b schematisch skizziert. Der Wechsel hin zu n-Typ-Basismaterial erfordert jedoch einseitig wirkende Verfahren zur p-Typ Dotierung der einen und zur n-Typ Dotierung der anderen Zellseite. Basierend auf dem heute in der industriellen Solarzellenproduktion überwiegend eingesetzten Diffusionsverfahren, bei dem eine Vorbelegung des Wafers mit Phosphor- (bzw. Bor-) glas erfolgt und danach in einem Ofen-Hochtemperaturschritt der Phosphor (bzw. das Bor) in den Siliziumwafer diffundiert wird, impliziert die Erzeugung von einseitigen Dotierungen viele Prozessschritte und ist somit sehr teuer. Eine interessante Alternative hierfür ist die Dotiertechnik der Ionenimplantation, die die Mikroelektronik seit mehreren Jahrzehnten zur Dotierung verwendet. Hierbei werden die Dotieratome (z.B. Phosphor und Bor) in einer Ionenquelle ionisiert, mittels eines elektrischen Feldes auf mehrere Kiloelektronenvolt beschleunigt und in den Wafer implantiert. Die Kristallschäden werden in einem nachfolgenden Hochtemperaturschritt mittels Rapid Thermal Processing (RTP) weitestgehend ausgeheilt und die Dotieratome aktiviert, d.h. in reguläre Kristallgitterplätze eingebaut. Auch wenn die Ionen-Implantation heute in der Mikroelektronik die vorherrschende Dotiermethode ist, so konnte sie sich bisher in der Photovoltaik nicht etablieren. Ein wichtiger Punkt, die Prozesskosten, werden maßgeblich durch den Zelldurchsatz bestimmt. Seit wenigen Jahren gibt es jedoch immer mehr Geräte, mit denen hohe Durchsätze bei geringen Kosten pro Prozess möglich sind. Der zweite Punkt ist die Ausheilung nach der Implantation. Die durch die Implantation entstehenden Kristalldefekte führen zu stark erhöhten Verlusten durch Rekombination in der späteren Solarzelle. Eine Verringerung der Kristalldefekte ist nur über, im vergleich zur Mikroelektronik, deutlich längere (teurere) Ausheilprozesse möglich. Grundlegendes Ziel des CHIP-Projektes ist es, die Ionen-Implantation für die Herstellung von industrienahen Silizium-Solarzellen zu evaluieren. Hierzu ist Grundlagenforschung zu den Mechanismen der Ausheilprozesse der Kristallschäden notwendig, um einerseits exzellente Bauelementcharakteristiken zu erhalten, andererseits die dafür notwendige Prozesszeit zu minimieren und die Prozesse so wirtschaftlich zu gestalten. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen für die Herstellung der in Abbildung 1b skizzierten n-Typ PERT Solarzelle angewendet werden.

Abb. 1: Schematische Zellquerschnitte für (a) „Standardzellen“ und (b) PERT- Zellen (Quelle: LUH LNQE)

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