Mit einer neuen Druck- und Ätztechnik fertigt die Firma Schmid in Freudenstadt neuartige kristalline Solarzellen mit selektiven Emittern. Die "inline Selective Emitter Cell Technology", kurz inSECT, steigert den Wirkungsgrad um bis zu 0,7 Prozentpunkte und lässt sich einfach in den Fertigungsprozess integrieren.
Wie das menschliche Auge sind Solarzellen UV-blind. Schon unter 600 Nanometer Wellenlänge - das entspricht der Farbe Gelborange - fällt die so genannte Quanteneffizienz ab. Bei blauvioletten 400 Nanometern an der Grenze zum unsichtbaren UV-Bereich liegt sie bei etwa 0,67. Das bedeutet, dass die Solarzelle in diesem kurzwelligen Spektralbereich fast ein Drittel der Photonen nicht in Ladungsträger umwandelt. Die Photonen erzeugen im Halbleitermaterial zwar weiterhin Paare aus Ladungsträgern und Löchern. Doch bevor diese die Elektroden erreichen und elektrische Verbraucher antreiben können, rekombiniert ein Teil von ihnen und erzeugt dabei nutzlose Wärme.
Die Ursache dieser UV-Blindheit kennen die Hersteller kristalliner Solarzellen seit Jahrzehnten: Im üblichen Fertigungsprozess wird der etwa 200 Mikrometer dicke Siliziumwafer zunächst mit Bor-Atomen dotiert und ist somit p-leitend. Im nächsten Prozessschritt diffundieren Phosphor-Atome bei 850 Grad Celsius in den Wafer und wandeln eine dünne Zone an der Oberfläche in einen n-Leiter um, der als Emitter fungiert - die Solarzelle ist somit nichts anderes als eine großflächige Diode. Die n-Dotierung des Emitters nimmt mit zunehmender Tiefe ab, in 300 bis 500 Nanometer Tiefe ist die Zahl der Phosphor-Atome mit der Zahl der Bor-Atome im Gleichgewicht: Auf 1022 Silizium-Atome pro Kubikzentimeter kommen dort etwa 1016 Atome Phosphor beziehungsweise Bor. Direkt an der Oberfläche, dort wo die Phosphor-Atome eingedrungen sind, ist die n-Dotierung allerdings weit höher. Hier ist jedes zehnte Atom ein Phosphor-Atom. Das gewährleistet einen möglichst geringen Übergangswiderstand zwischen dem Halbleiter und den Metallkontakten, die anschließend im Siebdruck aufgebracht werden. Diese hohe Konzentration von Phosphor-Atomen stört den Silizium-Kristall allerdings so stark, dass fast alle Ladungsträger aus dieser Schicht rekombinieren, ehe sie die Kontakte erreichen. Man bezeichnet die obersten 50 Nanometer einer kristallinen Solarzelle deshalb als "dead layer" - sie ist für die Stromgewinnung nutzlos.
Konzepte, um das Problem zu lösen gibt es bereits seit den 1970er Jahren: sogenante Selektive Emitter, die einen geringen Widerstand des Emitters direkt unter den Kontakten (hohe n-Dotierung) mit einem etwas höheren Widerstand in den Flächen zwischen den Kontakten (niedrige n-Dotierung) vereinbaren. Doch erforderten diese Ansätze stets zwei getrennte Prozesse zur Diffusion des Phosophors, bei denen die jeweils anderen Bereiche mit einer Maske verdeckt werden mussten. Diese doppelte Dotierung ist nicht nur teuer, sie entpuppte sich auch als fehleranfällig, weil das zweimalige Erhitzen die Lebensdauer der Ladungsträger in den dünnen kristallinen Wafer erheblich verkürzte.
Die Schmid Group, Weltmarktführer für Maschinen zur Herstellung von Solarzellen, hat in ihrem Technologiezentrum am Stammsitz in Freudenstadt ein neues Verfahren namens inSECT (inline Selective Emitter Cell Technology) entwickelt und zur industriellen Reife gebracht, das ebenfalls das Konzept der selektiven Emitter nutzt, diese aber viel einfacher umsetzt. Die Idee: Statt zweier Diffusionsschritte bleibt es bei einem bewährten Standarddiffusionsprozess. Hinzu kommt lediglich ein Prozessschritt, der die Oberfläche zwischen den späteren Kontakten bis in eine Tiefe von 50 Nanometer entfernt. Die hohe Dotierung mit Phosphor-Atomen wird also einfach durch Ausdünnung des Materials gezielt reduziert. Dort wo anschließend die Kontakte aufgedruckt werden, bleibt sie indes erhalten. Unter dem Mikroskop ist diese Ausdünnung als kleine Stufe neben den Kontakten erkennbar. Für den selektiven Ätzprozess, der diese Stufen erzeugt, ist zwar auch eine Maske nötig. Doch dafür genügt es, mit einem speziellen Tintenstrahldrucker Wachs auf die Oberfläche aufzubringen. Diese berührungslosen Drucker sind eine Eigenentwicklung der Schmid Group und erreichen eine Positioniergenauigkeit von plusminus 15 Mikrometer bei einer Druckauflösung von etwa 900 Punkten pro Zoll (dpi).
Zum Ätzen nutzt das inSECT-Verfahren der Schmid-Group ein verdünntes Gemisch aus Flusssäure, Salpetersäure und Wasser. Es ist im Gegensatz zu einem zweistufigen Diffusionsprozess wesentlich schonender für die Wafer und zudem günstiger. Das Konzept der selektiven Emitter entfaltet seine Wirkung nur, wenn die Ätztiefe über die gesamte Fläche des Wafers auf wenige Nanometer genau getroffen wird. Der Trick: Die Säure erzeugt zunächst nur feine Poren in der oberen Schicht des Wafers. Wächst diese poröse Schicht in die Tiefe, wirkt sie wie eine immer dickere Membran und hemmt den Zufluss frischer Säure und den Abtransport des Siliziums. Die Folge: Der Ätzprozess kommt mit zunehmender Tiefe zum Erliegen, steuert sich also quasi selbst. Günstig ist, dass das poröse Silizium für Licht wie eine Reflexionsschicht wirkt und der Wafer mit Fortschritt des Ätzens die Farbe wechselt. Sind die 50 Nanometer erreicht, schimmert der Wafer goldfarben. Es gibt also eine einfache optische Kontrollmöglichkeit. Aufwändige Messverfahren, die den richtigen Zeitpunkt für das Ende des Ätzens anzeigen, sind aber ohnehin überflüssig. Für die richtige Ätztiefe genügt die passende Dosierung der Säure und die richtige Einwirkdauer. Auf das Ätzen folgt ein Bad in Kalilauge. Diese entfernt zum einen die Wachsschicht der aufgedruckten Maske und trägt zum anderen das poröse Silizium ab. Die Vertiefung zwischen den Kontakten des selektiven Emitters ist fertig.
Im Technologiezentrum der Schmid Group hat inSECT seine Vorteile bereits unter Beweis gestellt. Wie viele Insekten "sehen" Solarzellen mit selektivem Emitter blaues und UV-Licht besser, der Quantenwirkungsgrad liegt bei 0,86, die Verluste werden also mehr als halbiert. Der elektrische Wirkungsgrad steigt dadurch von z.B. 16,7 Prozent mit homogenem Emitter auf 17,4 Prozent mit selektivem Emitter, was einem Leistungsplus von vier Prozent entspricht. Das lohnt sich für den Hersteller: Für einen Wirkungsgradgewinn von 0,7 Prozentpunkten lässt sich für eine Standardsolarzelle mit sechs Zoll Kantenlänge ein Mehrpreis von derzeit ca. 28 Eurocent erzielen. Der zusätzliche Prozessschritt schlägt aber lediglich mit 8 Cent zu Buche, inklusive Investition, Verbrauchsmaterial und Abschreibung. Die Anlage der Schmid Group mit Tintenstrahldrucker, Ätzen und Waschen baut auf die bewährten Anlagen des Unternehmens auf. Sie lässt sich einfach in eine Inline-Produktionsstraße integrieren und verlängert diese um nur fünf Meter - eine Herausnahme und separate Bearbeitung der Wafer ist nicht nötig. Derzeit läuft in Freudenstadt die letzte Bemusterung mit Testwafern von Kunden, der Start in der Serienfertigung soll noch in diesem Jahr erfolgen.
Wie das menschliche Auge sind Solarzellen UV-blind. Schon unter 600 Nanometer Wellenlänge - das entspricht der Farbe Gelborange - fällt die so genannte Quanteneffizienz ab. Bei blauvioletten 400 Nanometern an der Grenze zum unsichtbaren UV-Bereich liegt sie bei etwa 0,67. Das bedeutet, dass die Solarzelle in diesem kurzwelligen Spektralbereich fast ein Drittel der Photonen nicht in Ladungsträger umwandelt. Die Photonen erzeugen im Halbleitermaterial zwar weiterhin Paare aus Ladungsträgern und Löchern. Doch bevor diese die Elektroden erreichen und elektrische Verbraucher antreiben können, rekombiniert ein Teil von ihnen und erzeugt dabei nutzlose Wärme.
Die Ursache dieser UV-Blindheit kennen die Hersteller kristalliner Solarzellen seit Jahrzehnten: Im üblichen Fertigungsprozess wird der etwa 200 Mikrometer dicke Siliziumwafer zunächst mit Bor-Atomen dotiert und ist somit p-leitend. Im nächsten Prozessschritt diffundieren Phosphor-Atome bei 850 Grad Celsius in den Wafer und wandeln eine dünne Zone an der Oberfläche in einen n-Leiter um, der als Emitter fungiert - die Solarzelle ist somit nichts anderes als eine großflächige Diode. Die n-Dotierung des Emitters nimmt mit zunehmender Tiefe ab, in 300 bis 500 Nanometer Tiefe ist die Zahl der Phosphor-Atome mit der Zahl der Bor-Atome im Gleichgewicht: Auf 1022 Silizium-Atome pro Kubikzentimeter kommen dort etwa 1016 Atome Phosphor beziehungsweise Bor. Direkt an der Oberfläche, dort wo die Phosphor-Atome eingedrungen sind, ist die n-Dotierung allerdings weit höher. Hier ist jedes zehnte Atom ein Phosphor-Atom. Das gewährleistet einen möglichst geringen Übergangswiderstand zwischen dem Halbleiter und den Metallkontakten, die anschließend im Siebdruck aufgebracht werden. Diese hohe Konzentration von Phosphor-Atomen stört den Silizium-Kristall allerdings so stark, dass fast alle Ladungsträger aus dieser Schicht rekombinieren, ehe sie die Kontakte erreichen. Man bezeichnet die obersten 50 Nanometer einer kristallinen Solarzelle deshalb als "dead layer" - sie ist für die Stromgewinnung nutzlos.
Konzepte, um das Problem zu lösen gibt es bereits seit den 1970er Jahren: sogenante Selektive Emitter, die einen geringen Widerstand des Emitters direkt unter den Kontakten (hohe n-Dotierung) mit einem etwas höheren Widerstand in den Flächen zwischen den Kontakten (niedrige n-Dotierung) vereinbaren. Doch erforderten diese Ansätze stets zwei getrennte Prozesse zur Diffusion des Phosophors, bei denen die jeweils anderen Bereiche mit einer Maske verdeckt werden mussten. Diese doppelte Dotierung ist nicht nur teuer, sie entpuppte sich auch als fehleranfällig, weil das zweimalige Erhitzen die Lebensdauer der Ladungsträger in den dünnen kristallinen Wafer erheblich verkürzte.
Die Schmid Group, Weltmarktführer für Maschinen zur Herstellung von Solarzellen, hat in ihrem Technologiezentrum am Stammsitz in Freudenstadt ein neues Verfahren namens inSECT (inline Selective Emitter Cell Technology) entwickelt und zur industriellen Reife gebracht, das ebenfalls das Konzept der selektiven Emitter nutzt, diese aber viel einfacher umsetzt. Die Idee: Statt zweier Diffusionsschritte bleibt es bei einem bewährten Standarddiffusionsprozess. Hinzu kommt lediglich ein Prozessschritt, der die Oberfläche zwischen den späteren Kontakten bis in eine Tiefe von 50 Nanometer entfernt. Die hohe Dotierung mit Phosphor-Atomen wird also einfach durch Ausdünnung des Materials gezielt reduziert. Dort wo anschließend die Kontakte aufgedruckt werden, bleibt sie indes erhalten. Unter dem Mikroskop ist diese Ausdünnung als kleine Stufe neben den Kontakten erkennbar. Für den selektiven Ätzprozess, der diese Stufen erzeugt, ist zwar auch eine Maske nötig. Doch dafür genügt es, mit einem speziellen Tintenstrahldrucker Wachs auf die Oberfläche aufzubringen. Diese berührungslosen Drucker sind eine Eigenentwicklung der Schmid Group und erreichen eine Positioniergenauigkeit von plusminus 15 Mikrometer bei einer Druckauflösung von etwa 900 Punkten pro Zoll (dpi).
Zum Ätzen nutzt das inSECT-Verfahren der Schmid-Group ein verdünntes Gemisch aus Flusssäure, Salpetersäure und Wasser. Es ist im Gegensatz zu einem zweistufigen Diffusionsprozess wesentlich schonender für die Wafer und zudem günstiger. Das Konzept der selektiven Emitter entfaltet seine Wirkung nur, wenn die Ätztiefe über die gesamte Fläche des Wafers auf wenige Nanometer genau getroffen wird. Der Trick: Die Säure erzeugt zunächst nur feine Poren in der oberen Schicht des Wafers. Wächst diese poröse Schicht in die Tiefe, wirkt sie wie eine immer dickere Membran und hemmt den Zufluss frischer Säure und den Abtransport des Siliziums. Die Folge: Der Ätzprozess kommt mit zunehmender Tiefe zum Erliegen, steuert sich also quasi selbst. Günstig ist, dass das poröse Silizium für Licht wie eine Reflexionsschicht wirkt und der Wafer mit Fortschritt des Ätzens die Farbe wechselt. Sind die 50 Nanometer erreicht, schimmert der Wafer goldfarben. Es gibt also eine einfache optische Kontrollmöglichkeit. Aufwändige Messverfahren, die den richtigen Zeitpunkt für das Ende des Ätzens anzeigen, sind aber ohnehin überflüssig. Für die richtige Ätztiefe genügt die passende Dosierung der Säure und die richtige Einwirkdauer. Auf das Ätzen folgt ein Bad in Kalilauge. Diese entfernt zum einen die Wachsschicht der aufgedruckten Maske und trägt zum anderen das poröse Silizium ab. Die Vertiefung zwischen den Kontakten des selektiven Emitters ist fertig.
Im Technologiezentrum der Schmid Group hat inSECT seine Vorteile bereits unter Beweis gestellt. Wie viele Insekten "sehen" Solarzellen mit selektivem Emitter blaues und UV-Licht besser, der Quantenwirkungsgrad liegt bei 0,86, die Verluste werden also mehr als halbiert. Der elektrische Wirkungsgrad steigt dadurch von z.B. 16,7 Prozent mit homogenem Emitter auf 17,4 Prozent mit selektivem Emitter, was einem Leistungsplus von vier Prozent entspricht. Das lohnt sich für den Hersteller: Für einen Wirkungsgradgewinn von 0,7 Prozentpunkten lässt sich für eine Standardsolarzelle mit sechs Zoll Kantenlänge ein Mehrpreis von derzeit ca. 28 Eurocent erzielen. Der zusätzliche Prozessschritt schlägt aber lediglich mit 8 Cent zu Buche, inklusive Investition, Verbrauchsmaterial und Abschreibung. Die Anlage der Schmid Group mit Tintenstrahldrucker, Ätzen und Waschen baut auf die bewährten Anlagen des Unternehmens auf. Sie lässt sich einfach in eine Inline-Produktionsstraße integrieren und verlängert diese um nur fünf Meter - eine Herausnahme und separate Bearbeitung der Wafer ist nicht nötig. Derzeit läuft in Freudenstadt die letzte Bemusterung mit Testwafern von Kunden, der Start in der Serienfertigung soll noch in diesem Jahr erfolgen.
