Laserdotieren für Siliziumsolarzellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wir untersuchten die Defektbildung in einkristallinem Silizium nach gepulster Laserbestrahlung mit unterschiedlichen Laserfoki mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sowie Defektätzen. Hierfür erzeugten wir runde Laserfoki mit unterschiedlichem Durchmesser D mit gaußförmiger Energiedichteverteilung und linienförmige Foki mit Breite b, die entlang der kurzen Achse ebenfalls eine gaußförmige Energieverteilung besaßen, während die Energieverteilung entlang der langen Achse einem Rechteckprofil entsprach. Des Weiteren erzeugten wir rechteckige Laserfoki mit Rechteckprofil entlang beider Achsen. Wir konnten zeigen, dass die Bestrahlung mit einem runden Fokus zur Ausbildung von Rissen innerhalb der Probe führt. Dies galt für alle untersuchten Durchmesser im Bereich 30 µm < D < 130 µm, sobald eine kritische Schwellenenergiedichte EP,C überschritten wurde. Diese Risse sind bei ausreichender Pulsenergiedichte EP bereits mittels Lichtmikroskop zu erkennen. Bei der Bestrahlung mit Linienfokus bilden sich keine Risse aus, lediglich eine Modulation der Oberfläche ist zu beobachten. Eine versetzungsfreie Rekristallisierung ist - abhängig von den gewählten Laserparametern - möglich. Dabei hat die Kristallorientierung einen Einfluss auf die für eine defektfreie Rekristallisation zulässige Pulsenergiedichte und Fokusbreite. Bei Wafern mit einer (100)-Orientierung konnten wir keine Ausbildung von Versetzungen im analysierten Parameterbereich mittels TEM beobachten. Andererseits bilden sich bei Verwendung von (111)-orientierten Wafern Versetzungen aus, sobald eine von der Linienbreite b abhängige Schwellenenergie überschritten ist. Hierbei treten die Versetzungen in Form einer quasiparallel liegenden Reihe periodisch in der wellenförmig modulierten Oberfläche auf und ihre Burgersvektoren liegen hauptsächlich parallel zur (111)-Waferoberfläche. Nur bei einem linienförmigen Fokus mit einer Breite b ≤ 5 µm beobachteten wir diese Defektbildung bei allen verwendeten Energiedichten EP nicht. Bei den rechteckigen Foki bilden sich meist keine Defekte heraus, die mittels Defektätze nachweisbar sind. Lediglich bei bestrahlten Wafern mit (111)-Orientierung wurden bis jetzt in den überlappenden Eckbereichen vereinzelt Versetzungsstrukturen nachgewiesen. Zum Zeitpunkt der Antragsstellung waren bereits p-Typ Laborzellen mit einem Phosphoremitter mit einem Spitzenwirkungsgrad von 18,9% hergestellt worden. Bis zum 31.12.2011 waren die ersten n-Typ Zellen mit einer Fläche von 2 cm x 2 cm und einem durch Laserdotierung erzeugten Boremitter hergestellt worden, die einen Wirkungsgrad von maximal 16,3% erreichen. Der bis heute für eine solche Zelle maximal erreichte Wirkungsgrad liegt bei 18,2%. Im Moment der Antragstellung war überdies bekannt, dass sich das Dotierprofil bei der Dotierung mit Phosphor für kurze Pulse im Bereich einiger Nanosekunden mit Hilfe der Wärmetransportgleichung und der Diffusionsgleichung berechnen lässt. Es konnte jetzt in einem ersten Experiment gezeigt werden, dass auch der Aufschmelz- und Dotierprozess mit den Dotieratomen Antimon und Bor mittels dieser Gleichungen beschreibbar ist. Um dies zu zeigen, haben wir das am ipv entwickelte numerische Simulationstool für die Dotierstoffe Antimon und Bor erweitert. Dieses Tool berechnet gleichzeitig den Temperaturverlauf und somit den Aufschmelzprozess, während der Laserbestrahlung mittels der diskretisierten zweidimensionalen Differentialgleichung für den Wärmetransport und den Diffusionsprozess mittels zweidimensionaler Diffusionsgleichung. Die hieraus ermittelten Dotierprofile stimmen mit den durch Sekundärionen-Massenspektrometrie-Messungen (SIMS-Messungen) bestimmten Profilen überein. Das Simulationstool wurde außerdem so modifiziert, dass die Ausdiffusion von Dotieratomen untersucht werden kann. Schmilzt hochdotiertes Silizium, findet neben der Diffusion der Dotieratome ins Silizium auch eine Ausdiffusion von bereits in das Silizium eingebauten Dotieratomen an der Oberfläche statt, wodurch nach wiederholtem Aufschmelzen ohne Dotierquelle eine negative Steigung der Dotierkonzentration in Richtung Oberfläche entsteht. Durch Vergleich der Simulationsergebnisse mit SIMS-Messungen konnten wir erstmalig nachweisen, dass die Ausdiffusionsgeschwindigkeit DP,aus von Phosphor temperaturunabhängig ist und DP,aus = 8 ± 1 cm/s beträgt. Erste Experimente zur Ausdiffusion von Bor deuten ebenfalls auf eine temperaturunabhängige Ausdiffusionsgeschwindigkeit von Bor DB,aus hin. Hinsichtlich der während der Laserdotierung stattfindenden Prozesse sind noch zahlreiche Fragen offen, welche es in Zukunft zu klären gilt. Bisher konnten wir den Laserparameterbereich bestimmen, in dem Defekte entstehen; verstanden ist die Defektbildung jedoch noch nicht. Hierfür ist eine genaue Analyse der Versetzungsstruktur nötig, mit der wir bereits begonnen haben. Die Entwicklung eines Modells, das die Defektentstehung beschreibt, erfordert allerdings noch eine große Anzahl genau definierter Experimente, in denen Fokusgeometrie, Pulsenergiedichte, Pulsdauer und Kristallorientierung variiert werden. Weiterhin ist noch unklar, ob sich der für eine defektfreie Rekristallisierung geeignete Laserparameterbereich durch Aufbringen einer Schicht, welche die Dotierquelle (z. B. Antimon) enthält, verschiebt. Die hierzu notwendigen Experimente wurden bereits durchgeführt. Die Analyse der Proben steht aber noch aus. Weiter sind Experimente geplant, welche die Tatsache, dass die Diffusion der Phosphor-, Bor- und Antimonatome durch die zweidimensionale Diffusionsgleichung beschreibbar ist, noch weiter untermauern, beziehungsweise den Einfluss weiterer Transportprozesse, wie z. B. konvektive Wärme und Stofftransport, aufzeigen. Experimente zur Dotierung mit Gallium und Aluminium führen wir im Rahmen dieser Untersuchungen ebenfalls durch. Die gewonnenen Ergebnisse sollen eine Wirkungsgradsteigerung der mit Laserdotierung erzeugten monokristallinen Solarzellen ermöglichen und auch die Laserdotierung von multikristallinen Solarzellen erlauben. Zurzeit wird die Laserdotierung in der industriellen Solarzellfertigung zum Nachdotieren eines Ofenemitters verwendet, um selektive Emitter zu erzeugen. Der selektive Emitter führt zu einer Wirkungsgradsteigerung von bis zu 0,5 %. Ein verbessertes Verständnis der für die Bildung von Defekten verantwortlichen physikalischen Vorgänge ist Voraussetzung für die großflächige Anwendung der Laserdotierung, um z. B. strukturierte Emitter, wie sie für rückseitenkontaktierte Solarzellen notwendig sind, ohne vorangegangene Ofendiffusion zu erzeugen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Prog. Photovolt: Res. Appl. 18 , 505 (2010)
T. Röder, S. Eisele, P. Grabitz, C. Wagner, G. Kulushich, J. R. Köhler und J. H. Werner
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IEEE J. Photovoltaics 1, 183 (2011)
K. Ohmer, Y. Weng, J. R. Köhler, H.P. Strunk, und J.H. Werner
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Proc. 4th GCOE (Honolulu, USA, 2011)
K. Ohmer, Y. Weng, J. R. Köhler, H.P. Strunk, und J.H. Werner
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EDS 2012 (Thessaloniki, Greece, 2012)
Y. Weng, B. Kedjar, K. Ohmer, J. R. Köhler, J. H. Werner and H. P Strunk
