Kurzbeschreibung des Promotionsvorhabens:

„Entwicklung und Charakterisierung von Laserablationsverfahren für die Silizium – Solarzellenherstellung“

Neben der Verwendung von immer dünnerem und größerem Material wird eine Steigerung des Wirkungsgrads bei der industriellen Fertigung von Solarzellen angestrebt. Dieser ist bei industriell hergestellten Solarzellen verglichen mit im Labor gefertigten hocheffizienten Solarzellen durch verschiedene Faktoren und bestehende Prozessierungstechnologien limitiert. Für die Umsetzung von hocheffizienten Solarzellenstrukturen ist vor allem die Verwendung von dielektrischen Passivierungsschichten zur verbesserten Passivierung der Oberflächen unumgänglich. Darüber hinaus müssen alternative Metallisierungskonzepte zum Siebdruck von Metallpasten eingesetzt werden. Die angestrebten Alternativtechnologien setzen meist eine bereits vorhandene lokale Öffnung in der dielektrischen Schicht voraus, so dass die Strukturierung dieser Schichten eine Schlüsselposition einnimmt. Für eine Vielzahl von Zellkonzepten muss darüber hinaus nicht nur die auf den Oberflächen aufgebrachte Beschichtung, sondern auch das Siliziummaterial selbst strukturiert werden. Laserprozesse bieten sich aufgrund ihrer Selektivität und Flexibilität für die Strukturierung der unterschiedlichsten Materialien an.

Thematische Schwerpunkte der Arbeit:

Bearbeitung von Silizium: Weiterentwicklung der im industriellen Einsatz bereits erprobten Laserkantenisolation, bei welcher mit Hilfe eines am Rand der Solarzelle eingebrachten Grabens die Vorder- und Rückseite elektrisch isoliert werden. Für die Trennung der n- und p-Bereiche von Rückseitenkontaktzellen soll ein analoger Laserprozess entwickelt werden. Dabei nimmt die notwendige Grabenlänge um ein Vielfaches zu.

Das Bohren von Via-Löchern zur Stromleitung der Ladungsträger von Vorder- zu Rückseite ist bei der Herstellung von MWT- und EWT-Rückseitenkontaktzellen notwendig. Hierbei müssen pro Solarzelle bis zu > 10^5 Löcher erzeugt werden. Wichtiges Kriterium hier, wie auch bei der Kantenisolation, ist die eingebrachte Schädigung, welche durch Auswahl der geeigneten Laserparameter unter Berücksichtigung der erzielbaren Prozesszeit beeinflusst werden kann.

Bearbeitung von dielektrischen Schichten: Für die Herstellung von selektiven Dotierstrukturen müssen dielektrische Diffusionsbarrieren verwendet werden, welche an den gewünschten Stellen lokal geöffnet sind. Die Laserablation kann auch zur Strukturierung von Ätzbarrieren eingesetzt werden, wobei in Abhängig der gewünschten Ätztiefe die laser-generierte Schädigung sogar eine etwas geringere Rolle spielt. Für neuartige Metallisierungsansätze mit relativ reinen Metallschichten muss eine selektive Öffnung der Antireflex-Beschichtung auf der Vorderseite erfolgen. Diese Ablation kann mit Hilfe des Lasers erfolgen, wobei hier auf eine möglichst schädigungsarme Entfernung der über dem empfindlichen Emitter liegenden Schicht zu achten ist.

Für die Versuche zur Laserablation stehen eine umfangreiche Laserinfrastruktur zur Verfügung. Nach einer grundlegenden Evaluation der Laserprozesse sollen unter deren Verwendung Teststrukturen sowie hocheffiziente Solarzellen zu Optimierungs- und Charakterisierungszwecken hergestellt werden. Diese Charakterisierungen können mit Hilfe von zahlreichen am Fraunhofer ISE vorhandenen Messapparaturen erfolgen. So stehen beispielsweise ein Rasterelektronenmikroskop, verschiedene Profilometer, Thermographiekameras, Lebensdauer- und Kennlinienmessplätze zur Verfügung (sowie TEM und SIMS extern). Ein wichtiger Teil der Dissertation ist die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses für die evaluierten Prozessschritte und die laserinduzierte Schädigung. Die Auswirkung der Lasereinwirkung auf die hergestellten Solarzellen soll ebenfalls analysiert und anschließend modelliert werden.