Bessere Solarzellen mit reflexionsarmen

Applikationsfeld/Industriezweig:
 Chemie/Polymerindustrie
 Elektronik
 Energie
 Ernährung/Landwirtschaft
 Geologie/Bergbau
 Halbleiter-Technologie
 Klinische Chemie/Medizin/
Hygiene/Gesundheitswesen
 Kosmetik
 Materialanalyse
 Metallurgie/Galvanik
 Pharmazie
 Raffinerien/Petrochemie
 Umwelt/Wasser/Abfall
 Andere
Bessere Solarzellen mit reflexionsarmen Siliziumwafern
Birgit Meinel1, Prof. Dr. Jörg Acker1, Dr. Burcu Kantowski2
1
Hochschule Lausitz, Fakultät für Naturwissenschaften, Physikalische Chemie
Großenhainer Straße 57, 01968 Senftenberg
E-Mail: [email protected]
2
Analytik Jena AG, Konrad-Zuse-Strasse 1, 07745 Jena
Einleitung
Stark zunehmende internationale Konkurrenz und der stetig steigende Kostendruck erzwingen
eine immer preiswertere Herstellung von Solarzellen und eine weitere Steigerung ihres
Zellwirkungsgrades. Ein effizienteres Sägeverfahren kann hierzu einen wichtigen Beitrag leisten.
Die aktuellen Forschungsarbeiten verfolgen das Ziel, die Entfernung des Sägeschadens in
Abhängigkeit vom eingesetzten Sägeverfahren mit einer optimalen Texturierung der
Waferoberfläche zu verbinden, die zu einer signifikanten Verringerung der Reflektivität führt.
Die Herstellung von Solarzellen
Solarzellen werden aus multikristallinem oder aus einkristallinem Silizium hergestellt. Das
Kristallisationsverfahren hat einen starken Einfluss auf die potenzielle Leistung und die Kosten
einer Zelle. Die Produktion von einkristallinem Silizium ist sehr aufwendig. Hierzu wird im
Kristallisationsverfahren, dem sogenannten Czochralski-Verfahren, ein runder Einkristallstab unter
ständiger Rotation langsam aus einer Siliziumschmelze gezogen. Um daraus Solarzellen
herstellen zu können, wird der Kristall in dünne Scheiben (Wafer) gesägt. Dieses Verfahren ist
aufwendig und sehr teuer, weil unter anderem bei der Herstellung quadratischer Wafer aus den
runden Kristallen viel Material weggeschnitten wird.
Multikristallines Silizium wird in rechteckigen Blöcken von mehreren 100 kg kristallisiert. Das
entstandene Material setzt sich aus vielen kleinen Kristallen mit teilweise sichtbaren Korngrenzen
zusammen, deshalb die Bezeichnung multikristallin. Die Blöcke werden in quadratische Säulen
(Bricks) zerteilt und weiterverarbeitet.
Multikristalline Siliziumwafer sind preisgünstiger und energiesparender in der Herstellung und
somit ist die Anschaffung multikristalliner Solarmodule kostengünstiger.
Um aus dem Czochralski-Einkristallstab und den quadratischen Bricks Wafer für die
Solarzellenproduktion zu gewinnen, müssen diese mittels eines geeigneten Sägeverfahrens in
Scheiben von weniger als 200 µm Dicke gesägt werden. Bisher wurde dafür ausschließlich das
Drahtsägeverfahren eingesetzt. Dabei wird ein ca. 110-140 µm dünner Stahldraht bei einer
Geschwindigkeit von ca. 10-20 m/s gemeinsam mit einen Glykol-Siliziumcarbid-Gemisch (slurry)
als Schleifmittel über den Block geführt. Der für die Trennung erforderliche Materialabtrag erfolgt
durch die Siliziumcarbidkörner, die lokale Deformationen und Brüche und damit letztlich das
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Abplatzen von Siliziumpartikeln hervorrufen. Die hohe Abnutzung des Sägedrahtes, des
Schleifmittels und die komplexe Aufbereitung für Siliziumcarbid haben in den letzten Jahren zur
Entwicklung des Diamantdraht-Sägeverfahrens geführt. Hierbei erfolgt die Trennung durch einen
mit kleinen Diamantkristallen besetzten Stahldraht, ohne dass zusätzlich ein Schleifmittel
notwendig ist. Die Sägezeiten verkürzen sich um die Hälfte und führen zu einer deutlichen
Produktivitätssteigerung.
Die Oberfläche der gesägten Wafer (as cut) weist eine stark gestörte Kristallstruktur auf, den
sogenannten Sägeschaden (siehe Abbildung 1a und 2c), der entfernt werden muss. Aufgrund
dieser enormen Kristallstörungen entstehen bei der Absorption des Sonnenlichtes Elektron-LochPaare, die so schnell miteinander rekombinieren, dass eine daraus hergestellte Solarzelle
praktisch keinen Strom liefern kann.
Zur Entfernung dieser gestörten Kristalloberfläche von Silizium-Wafern werden Ätzgemische,
bestehend aus Salpetersäure und Flusssäure, eingesetzt. Zusätzlich wird der Waferoberfläche
durch das Ätzen eine gewisse räumliche Struktur aufgeprägt, die sogenannte Textur (Abbildung 3),
die von entscheidender Bedeutung für die effektive Nutzung des einfallenden Sonnenlichtes ist.
Angestrebt wird eine hohlspiegel- oder pyramidenartige Struktur, welche die von der
Waferoberfläche reflektierten Lichtstrahlen des Sonnenlichtes nicht unmittelbar in den Raum
zurück wirft, sondern auf andere Stellen der Oberflächenstruktur lenkt. Die Mehrfachreflexion des
Sonnenlichtes in der Siliziumoberfläche steigert die Effizienz der Solarzelle, weil mehr von dem
einfallenden Sonnenlicht absorbiert und in Energie umgewandelt wird.
Reflexionsmessung mittels Spektralphotometer SPECORD PLUS
Die Entfernung der Sägeschäden und die Oberflächentexturierung werden durch Ätzungen mit
verschiedenen Stoffgemischen erreicht. Für die Messung der Reflektivität wird das Gerät
SPECORD PLUS (Abbildung 1a) und als Zubehör eine Integrationskugel, die sogenannte
Ulbrichtkugel (Abbildung 1b) verwendet. Damit kann die ungerichtete Reflexion der Siliziumwafer
bestimmen werden.
Das SPECORD PLUS ist ein Zweistrahlphotometer für den Wellenlängenbereich von 1901100nm, mit variabler spektraler Auflösung und zwei temperierten Photodioden (CDD-Cooled
Double Detection). Transmissions- und Reflexionsmessungen können mit höchster Empfindlichkeit
durchgeführt werden. Die Integrationskugel wird in den Strahlengang des SPECORD PLUS
Probenraumes eingesetzt. Sie eignet sich für diffuse Transmissions- und Reflexionsmessungen
fester, flüssiger und pulverförmiger Proben. Die Integrationskugel besteht im Inneren aus
hochreinem Spektralon®, welches sehr gute Reflexionseigenschaft besitzt. Die optischen
Eigenschaften von Feststoffen mit rauer Oberfläche können durch Remissionsgradmessungen mit
der Integrationskugel am SPECORD bestimmt werden. Der Remissionsgrad einer Probe ergibt
sich als Quotient der von ihrer Oberfläche remittierten Strahlung und der unter gleichen optischen
Bedingungen remittierten Strahlung einer vollständig mattweißen Oberfläche einer Standardprobe.
Die Position der Probe für die Transmissionsmessung befindet sich dabei vor der Kugel, die
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Position der Probe für die Remissionsmessung am gegenüberliegenden Kugelrand. Im Fall der
Remissionsmessung mit der Integrationskugel ist die Probe ein Teil der Kugel selbst. Die
Oberfläche der Probe wird mit einem gerichteten Lichtstrahl unter einem festen Winkel zu ihrer
Flächennormalen bestrahlt. Die von der Probenoberfläche in die Integrationskugel remittierte
Strahlung wird gebündelt und fällt diffus auf den Strahlungsempfänger des Spektralphotometers.
Die Integrationskugel eignet sich bevorzugt für Remissionsgradmessungen von Pulvern sowie
Proben mit strukturierten Oberflächen, wie Zellstoff, Leder, textile Gewebe oder – wie in dieser
Arbeit – für Siliziumwaferoberflächen und Proben mit azimutalem Glanz, d.h. einem Glanz, der sich
durch Drehung der Probe um ihre Flächennormale ändert.
Abbildung 1a: Zweistrahlphotometer SPECORD PLUS
Abbildung 1b: Integrationskugel
Durchführung der Messung
Bei der Messung mit der Integrationskugel wird die diffus/8° Messgeometrie eingesetzt. Dies
bedeutet, dass die Oberfläche der Probe gerichtet unter einem Winkel von 8° zu ihrer
Flächennormalen bestrahlt wird und die von der Probenoberfläche in die Integrationskugel
remittierte Strahlung von dort diffus auf den Empfänger fällt. Der Reflexionsgrad der Probe wird in
Abhängigkeit von der Wellenlänge relativ zu einer Referenz, dem sogenannten Weißstandard,
ermittelt, der im Idealfall eine 100 %ige diffuse Reflexion erzeugt und kein Licht absorbiert. Die
Spectralon Standardprobe (Weißstandard) dient als Referenz. Die Siliziumwafer werden nach
Aufnahme des Referenzspektrums an der Probenposition für Reflexionsmessungen eingespannt
und im SPECORD PLUS gemessen.
Ergebnisse
Am Beispiel von zwei unterschiedlich gesägten Wafern und dem daraus resultierenden
Sägeschaden wird die Reflektivität der Oberflächen verdeutlicht.
Wie die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen in Abbildung 2 (a und b) zeigen, besitzt die
Oberfläche eines slurrygesägten as cut Wafers eine gleichmäßig matte und raue, sägezahnartige
Struktur, die eine Vielzahl ausgedehnter Bruchflächen aufweist. Daraus resultiert ein
Reflexionswert von R=24 %. Die Oberfläche eines diamantdrahtgesägten Wafers schimmert
dagegen silbrig, und bereits mit bloßem Auge lassen sich Rillen und streifenförmige Strukturen
erkennen. Mit R=26 % besitzt der diamantdrahtgesägte Wafer eine deutlich höhere Reflexion. Die
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rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen in Abbildung 2 (c und d) lassen zwei unterschiedliche Merkmale erkennen: Es existieren sowohl glatte als auch raue Bereiche mit Rissen
und Bruchflächen.
a)
b)
c)
d)
Abbildung 2: Vergleich der Sägeschäden; a) as cut Wafer – slurrygesägt, 500fache Vergrößerung b) as cut Wafer
– slurrygesägt, 3500fache Vergrößerung c) as cut Wafer – diamantdrahtgesägt, 500fache Vergrößerung d) as cut
Wafer – diamantdrahtgesägt, 2500fache Vergrößerung
Diese Strukturen können das Messergebnis erheblich beeinflussen. Der Messstrahl trifft nicht
senkrecht auf die Probe. Damit wird die gemessene Reflexion zusätzlich durch die Ausrichtung der
Rillen und Streifen der diamantdrahtgesägten Wafer gegenüber der Richtung des einfallenden
Lichtstrahls bestimmt, so wie in Tabelle 1 schematisch dargestellt. Für slurrygesägte Wafer mit ihrer
einheitlicheren Oberflächenstruktur hat die Ausrichtung keinen Einfluss auf das Messergebnis.
horizontal
vertikal
schräg
Lichtstrahl
Lichtstrahl
Lichtstrahl
R=27,7±0,6 %
R=28,1±0,7 %
R=28,7±0,7 %
Tabelle 1: Mögliche Proben-Ausrichtung der mit Diamantdraht gesägten Wafer in der Integrationskugel und gemessene
Reflexionswerte
Slurrygesägte und diamantdrahtgesägte Wafer offenbaren auch beim sauren Ätzen ein etwas
unterschiedliches Verhalten. Wie Abbildung 3 für einen slurrygesägten Wafer zeigt, führt bereits
ein geringer Ätzabtrag im Bereich des Sägeschadens (< 4 µm) zur Abnahme der Reflexion.
Vermutlich liegt dies in der sukzessiven Entfernung der sägezahnartigen Strukturen (Abbildung 2b)
begründet, die wie Mikrospiegel die hohe Reflexion der gesägten Wafer verursachen. Mit
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zunehmendem Abtrag und der sich ausbildenden Textur steigen die R-Werte stetig an, ohne den
hohen Anfangswert zu erreichen. Nach 8 µm Abtrag wird eine typische Textur mit zahlreichen
großen und kleinen Mulden beobachtet (Abbildung 3).
Abbildung 3: Entwicklung der Reflexionswerte von unterschiedlich gesägten monokristallinen Wafern beim Ätzen
Diamantdrahtgesägte Wafer zeigen, wie aus Abbildung 3 ersichtlich, einen ähnlichen Verlauf. Die
Reflektivität sinkt noch im Gebiet des Sägeschadens deutlich ab und steigt dann mit
zunehmendem Abtrag wieder an, allerdings deutlich über die Werte der slurrygesägten Wafer. Wie
in Abbildung 4 zu erkennen ist, erfolgt der Ätzangriff bevorzugt an den durch das Sägen
entstandenen Rissen und Bruchflächen, welche bald die typische, muldenartige Textur aufweisen.
Die glatten Bereiche der Oberflächenrillen bleiben zunächst weitgehend unverändert. Erst nach
vergleichsweise langen Ätzzeiten gelingt die vollständige Texturierung der Waferoberfläche.
Damit wird deutlich, dass bisherige Ätzverfahren nicht auf diamantdrahtgesägte Wafer übertragbar
sind. Aus der Einführung des neuen und effizienteren Diamantdraht-Sägeverfahren wird es
notwendig, das nasschemische Ätzen dahingehend zu optimieren, dass für nicht zu lange
Ätzzeiten eine ganzflächig homogene Textur mit mindestens ebenso niedrigen Reflexionswerten
erzielt wird, wie dies gegenwärtig für die texturierten, slurrygesägten Wafer der Fall ist.
Abbildung 4: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von texturierten monokristallinen Wafern bei
1000facher Vergrößerung, Abträge zwischen 8 und 9 µm
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Diskussion
Die Verringerung der Reflexion von Solarwaferoberflächen mittels angepasster Ätzprozesse ist
eine wichtige Strategie zur weiteren Effizienzsteigerung von Solarmodulen. Aktuelle
Forschungsaktivitäten zielen auf ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen dem
gewählten Sägeverfahren, der nach dem Ätzen entstandenen Textur und deren Reflexionsgrad ab.
Mit Hilfe eines SPECORD PLUS zusammen mit einer Integrationskugel konnte im Rahmen der
vorliegenden Untersuchungen der Reflexionsgrad schnell, präzise und reproduzierbar ermittelt
werden. Die vorgestellten Ergebnisse verdeutlichen beispielhaft, dass eine Umstellung des
Sägeverfahrens Auswirkung auf weitere Prozessschritte bei der Solarzellenfertigung hat.
Ausdruck und Weiterverwendung mit Quellenangabe gestattet.
© 2012 Analytik Jena AG
Herausgeber:
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Telefon +49 36 41 77-70
Telefax +49 36 41 77-92 79
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