IMEC-Forscher arbeiten an neuen Lösungen für kristalline Dünnfilm-Siliziumsolarzellen
Dünn und nach Möglichkeit ohne Epitaxie
Die dringendste Forderung an Si-Solarzellen ist, sie billiger zu machen. Einer der Wege heißt: weniger Silizium. Das bedeutet: Immer dünnere Si-Wafer für die Module. Reduzieren lässt sich der Si-Verbrauch auch, indem man kristalline Si-Dünnfilme als aktives Zellenmaterial verwendet, mit Low-cost-Substraten als Carrier. Am IMEC werden derzeit zwei Konzepte für monokristalline Dünnfilm-Si-Solarzellen verfolgt.
Der erste Ansatz, den Ivan Gordon, Team Leader »Thin-Film Si Solar Cells« und die IMEC-Forscherin Valérie Depauw verfolgten, basiert auf der Erzeugung einer dünnen kristallinen Si-Keimschicht (seed layer), und deren anschließende epitaxialer Verdickung. Solarzellen aus den resultierenden monokristallinen Si-Schichten erreichen Wirkungsgrade von 7,5 Prozent. Eine zweite Methode fokussiert auf die Eliminierung des kostspieligen Schritts der epitaxialen Deposition. Ein dünner Absorber-Layer aus monokristallinem Si wird dazu auf ein fremdes Low-cost-Substrat, etwa aus Glas, transferiert. Dieser Transfer wird ermöglicht durch die Reorganisation von makroporösem Si bei hohen Temperaturen. Obwohl die Wirkungsgrade bislang relativ bescheiden sind, liegt der Durchbruch in der Bereitstellung eines Materials guter Qualität ohne Rückgriff auf die Epitaxie.
Beinahe die Hälfte des Preises gegenwärtiger Si-Module ist durch das teure »electronic-grade« Silizium der Solarzelle bedingt. Als bester Weg zur Kostenreduktion gilt heute die Verringerung der Waferdicke. Lag die Standarddicke der Wafer 2004 bei nahezu 300 µm, betrug sie vor zwei Jahren nur mehr bei 200 µm. Aktuell wird allgemein 180 µm eingesetzt.
Der Si-Anteil ist jedoch noch viel weiter reduzierbar- auf Werte weit unterhalb von 1g/Wp - wenn man kristallines Si in Form von Dünnfilmen einsetzt, die als dünner Film (unter 20 µm) auf ein Low-cost Substrat abgeschieden werden. Viel versprechende Ergebnisse zeigen epitaxiale Konzepte für Solarzellen mit billigen, hoch dotierten kristallinen Si-Substraten, auf denen ein epitaxialer Si-Layer aufgebracht wird. Diese Technik liefert Dünnfilm-Solarzellen, die mit solchen auf der Basis von Si-Wafern konkurrieren.
Eine Möglichkeit zur Erzeugung kristalliner Si-Dünnfilme auf Nicht-Si-Substraten für Solarzellen ist der Einsatz einer Keimschicht: Zunächst wird also ein dünner kristalliner Si-Seed-Layer erzeugt, gefolgt von dessen epitaxialer Verdickung. Dies hat gegenüber der direkten Deposition von Si auf dem Nicht-Si-Substrat gewisse Vorteile, weil es nicht in einem amorphen oder feinkörnigen Material resultiert. Die Seed-Layer-Methode verspricht polykristalline Dünnfilm-Solarzellen mit relativ groben Korngrößen (zwischen 1 µm und 1 mm). Derartige Zellen, die bereits hergestellt wurden, sind deswegen interessant, weil sie eine kostengünstige Dünnfilmtechnologie (etwa aus amorphem Si) mit der Materialqualität eines kristallinen Materials kombinieren.
Bei IMEC wurden polykristalline Seed-Layer über eine Aluminum-induzierte Kristallisation (AIC) von amorphem Si und thermisch-chemischer Dampfphasen-Deposition (CVD) erzeugt, mit Temperaturen über 1000 °C für die epitaxiale Verdickung. Sowohl Aluminiumoxid (alumina) wie glaskeramische Materialien wurden dabei als Substrate verwendet. Allerdings besteht ein Problem dieser polykristallinen Layer in der hohen Dichte elektrisch aktiver Korndefekte. Diese Defekte begrenzen im Moment den Wirkungsgrad der Zellen auf 8 Prozent. Zur Verbesserung benötigt man eine bessere Qualität des AIC-Seed-Layers.
Der Einsatz monokristalliner Si-Keimschichten könnte vorteilhaft sein. Dies würde einfachere Prozesse für die Bauelemente ermöglichen, außerdem höhere Prozessausbeuten, sowie einen Wirkungsgrad, der der intrinsisch höheren Materialqualität eines Einkristalls entspricht. Um diese Idee weiter zu verfolgen, haben wir 10 µm dicke monokristalline Si-Schichten auf transparenten Glas-Keramik-Substraten hergestellt. Dabei wurden monokristalline Keimschichten aus Silizium auf Glas-Keramik-Substraten von Corning eingesetzt.
Die Keimschichten entstehen durch Transfer von 300 nm dünnen (001)-orientierten Si-Einkristall-Layern auf ein Glas-Keramik-Substrat in einem Corning-eigenen Prozess, der auf anodischem Bonden und implant-induzierter Separation basiert. Ein Barrier-Layer, der zwischen dem Glas-Keramik-Substrat und der Si-Schicht erzeugt wird, verhindert die Kontaminierung der Si-Schicht durch die Glas-Keramik-Komponenten.
- Dünn und nach Möglichkeit ohne Epitaxie
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