Prozesstechnologie

Die Prozessierung von Solarzellen erfolgt mittels industrieller, prototypischer und selbstgebauter (Groß-)Maschinen. Diese, das Herzstück der Infrastruktur ausmachenden Gerätschaften, werden in vielfältiger Art und Weise bei der Bearbeitung der Roh-Wafer bis hin zur Kontaktierung der fertigen Solarzelle eingesetzt. Die dabei eingesetzte Technologie entspricht höchsten Ansprüchen, wie sie im fortschrittlichen Sektor der Photovoltaik eingesetzt wird.

Die Prozessierung jeglichen Typs von Solarzelle beinhaltet dabei eine unterschiedlich große Anzahl von Prozessschritten, die in variabler, aber auf das Si-Material und den zu prozessierenden Solarzelltyp abgestimmter Weise, hintereinander zur Anwendung kommen.

Reinigung und Oberflächen-Topografie

Zu Beginn jedes Solarzellenprozesses steht die Konditionierung des Roh-Wafers. Dazu wird jede Silizium-Scheibe je nach Ausgangsqualität, Materialtyp und Oberflächenzustand einer Folge von nasschemischen Ätzschritten unterzogen, die es zum Ziel haben, die Oberfläche des Wafers von der maximal möglichen oder nötigen Menge an Verschmutzungen (Metalle und Organika) zu befreien. Hintergrund ist die Verhinderung der parasitären Eindiffusion von potentiellen, Defektzustände generierenden Verunreinigungen in das Silizium-Volumen in den folgenden Prozessschritten, wie z.B. die gezielte Hochtemperatur-Eindiffusion von Dotanden.

Neben der Reinigung, die in unterschiedlicher Weise und mit unterschiedlichster chemischer Zusammensetzung geschehen kann (HF/HCl-Lösung; H2SO4/H2O2-Lösung; etc.), kann bei der Ätzung der Silizium-Oberfläche auch eine Änderung der Oberfläche in gezielter Weise geschehen. Dieser, als Texturierung bezeichneter Vorgang, wird durch alkalische oder saure Ätzlösungen hervorgerufen und resultiert in einer Kristallorientierungs-abhängigen Oberflächenstrukturierung, die einer inversen Pyramiden- bzw. ineinander verschlungener Wurm-Struktur ähnelt. Diese Topografieänderung trägt später zur Reflexionssenkung und Effizienzerhöhung bei, benötigt wegen der vergrößerten Oberfläche aber auch eine qualitativ hochwertige Oberflächenpassivierung.


Dotanden-Diffusion und Oberflächenpassivierung

Direkt nach der Reinigung werden die Wafer in einem Rohrofen mittels eines Hochtemperaturschrittes dotiert. Die notwendige Dotierquelle kann dabei in situ aufgewachsen oder vorbeschichtet sein. Am Ende entsteht der notwendige pn-Übergang im Silizium-Volumen, der zur Ladungsträgertrennung in der Solarzelle führt. Bei der Eindiffusion kommt es als Nebeneffekt auch zum Getter-Effekt von Verunreinigungen im Si-Volumen, wodurch die Qualität des Materials erhöht wird. Zur Erhaltung dieses Reinzustandes und zur Absättigung verbleibender offener Silizium-Bindungen wird durch Aufbringung von meist dielektrischen Schichten die Oberfläche des Wafers versiegelt. Dabei werden auch hochwertige und multifunktionale Schichten verwendet, die zusätzliche Eigenschaften, wie z.B. die Verminderung der Reflexion, eine erhöhte Passivierqualität und/oder eine Kontaktierungs-unterstützende Wirkung aufweisen. Letztere werden primär in CVD-Reaktoren abgeschieden, in denen Gase unter Plasmaeinwirkung zur Abscheidung von Feststoffen eingesetzt werden.


Metallisierung

Der finale Schritt bei der Prozessierung von Solarzellen stellt die Kontaktierung der unterschiedlich dotierten Bereiche auf der Oberfläche dar. Dazu werden herkömmliche und industriell als Standard verwendete Siebdruckverfahren, aber auch in der Entwicklung befindliche Techniken angewandt. Am Ende kommt ein meist metallischer Kontakt zwischen dem dotierten Halbleitermaterial und einem im Modul verschaltbaren Stoff zustande. Im Falle von Metallpasten wird der Kontakt zur Siliziumoberfläche dabei mittels eines weiteren Hochtemperaturschrittes in einem Gürtel-Durchlaufofen realisiert.


Technologie

Zur Abbildung all dieser Standard bis hoch-experimentellen Prozessschritte und -sequenzen wird neben einem großen Fuhrpark an Maschinen auch eine entsprechende Versorgungsstruktur benötigt. Besonders im Falle der hiesigen Verknüpfung von Grundlagenforschung und industrienaher Prozessführung zur Entwicklung von Solarzellkonzepten ist ein sehr variabler Maschineneinsatz bezüglich möglicher Parameter, wie auch die Flexibilität zur Gestaltung neuer Prototypen und Selbstbauten notwendig. Gerade die in Zusammenarbeit mit der Industrie geplanten und umgesetzten Anlagen werden kontinuierlich erneuert und verbessert.


Prozessequipment

Der Fuhrpark zur Prozessierung setzt sich primär aus Großgeräten zusammen, die manuell bis vollautomatisch bei der Prozessierung eingesetzt werden. Je nach Maschine liegt dabei der Durchsatz vom Einzelwafer, wie er in der Forschung verwendet wird, bis hin zum industriellen Durchsatz von mehreren hundert Stück je Stunde, zur Abbildung von realen Bedingungen. Einige dieser Großmaschinen sind beispielhaft gelistet:

  • Nasschemische Prozessierbänke
  • Rohr-Diffusionsofen
  • Elektronenstrahl-Verdampfer und Sputter-Anlage
  • Nano- und Pikosekunden Lasersystem-Maschinen
  • RTP und Anneal-Öfen
  • PECVD-, ICP-PECVD-, APCVD- und ALD-Anlagen
  • Siebdrucklinie (Siebdrucker und Trockenofen)
  • Gürtelofen
  • Inkjet-System
  • Chip-Säge
  • Porosizieranlage
  • Diverse großformatige Charakterisiersysteme (ICP-OES, GD-OES, REM, etc.)

Darüber hinaus gehören zur Infrastruktur die Aufrechterhaltung der Funktion der Maschinen, d.h. die Wartung und Reparatur der Anlagen, sowie die Versorgung mittels Medien (Wasser, Kühlwasser, DI-Wasser, Druckluft, Stickstoff, Sondergase, Strom und sonstige Verbrauchsmittel). Besonderes Augenmerk liegt zudem auf der Arbeitssicherheit, insbesondere beim Einsatz von Sondergasen wie zum Beispiel in CVD-Systemen.