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2003
Doctoral Thesis
Titel
Durchlaufdiffusion für die Photovoltaik
Alternative
In-line diffusion for photovolatics
Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Entwicklung und Realisierung eines kontaminationsarmen Transportsystems für die Durchlaufdiffusion für Siliziumsolarzellen. Es wurde zunächst ein Anforderungskatalog aufgestellt, der eine Bewertung unterschiedlicher trägerfreier Transportverfahren erlauben soll. Es wurden zwei Klassen von Transportsystemen bewertet, von denen die erste Klasse umlaufende Transportsysteme aufweist und die zweite Klasse Systeme umfasst, bei denen das Transportsystem nur kleine oder überhaupt keine Bewegungen ausführt. Die untersuchten Systeme der ersten Klasse sind umlaufende Kettenbänder, Keramikschnüre oder Drähte, sowie ein im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes Kettensystem aus einfachen keramischen Kettengliedern. Die Systeme, der zweiten Klasse, sind der Luftkissentransport, der Impulsförderer, das Hubbalkenverfahren und das in dieser Arbeit entwickelte Hubschnursystem. Die Bewertung der unterschiedlichen Systeme erfolgte anhand von Modellrechungen und Prototypaufbauten, die die Prüfung der Umsetzbarkeit erlaubten. Die abschließende vergleichende Gesamtbewertung ergab, dass die in dieser Arbeit neu entwickelten Systeme, eine keramische Kette und der Hubschnurtransport, das höchste Potential zur Erfüllung aller aufgestellten Kriterien aufweisen. Das Hubschnursystem ist allerdings der keramischen Kette überlegen, da diese ein umlaufendes System darstellt und so eine Kontaminationseinschleppung in den Diffusionsbereich des Ofens erfolgen kann. Somit wurde das Hubschnursystem ausgewählt und in der Umsetzungsphase in einem Diffusionsofen realisiert und ausführlich geprüft. Unterstützt wurde diese Entscheidung durch das vergleichsweise hohe Entwicklungsrisiko, welches mit der Realisierung der keramischen Kette verbunden wäre. Bei der Umsetzung des Systems stellte sich die Aufgabe, einen Diffusionsofen zu konzipieren, der eine Evaluation des Transportverfahrens erlaubt. Es wurde zu diesem Zweck eine Anlage dimensioniert, die bei 4,5 Meter Länge mit der Möglichkeit ausgestattet ist, sehr flexible Temperatur/Zeit-Prozesse zu gestalten und Diffusionsprozesse durchzuführen, wie sie für die Verwendung bei der Solarzellenherstellung benötigt werden. Die Anlage wurde von der Firma Centrotherm, Blaubeuren gebaut und mit einem Transportsystem, welches das Hubschnurprinzip anhand von gespannten keramischen Faserschläuchen realisiert, ausgerüstet. Die Applikabilität des Hubschnursystems, wurde anhand von Solarzellen gezeigt, die im Labormaßstab prozessiert wurden. Es wurde ein Herstellungsprozess entwickelt, der alle wesentlichen Komponenten eines industriellen Herstellungsvorgangs widerspiegelt und eine einfache Prozessübertragung für zukünftige Arbeiten erlaubt. Als Dotierstoffquelle wurden Siebdruckpasten eingesetzt. Es wurden Solarzellen aus verschiedenen Materialien, prozessiert und charakterisiert. Dabei wurden durchweg Bor-dotierte p-Typ Siliziumscheiben mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ohm*cm und einer Ausgangsfläche von 100 cm2 und einer Dicke von etwa 330 um verwendet. Es konnten aus nach dem Cz.-Verfahren gezogenem monokristallinem Silizium für Diffusionplateauzeiten von 3,4 bis 15,3 Minuten Solarzellen mit Wirkungsgraden bis zu 15,3 % erzielt werden. Auf texturierten Oberflächen wurden Wirkungsgrade bis 16,6 % erreicht, allerdings nur bei Plateauzeiten von 15 Minuten. Im Bereich der texturierten Solarzellen kann erwartet werden, dass durch die Verwendung von anderen Kontaktierungspasten die bislang recht lange Plateauzeit von 15 Minuten noch deutlich gesenkt werden kann. Für multikristallines Silizium wurden ebenfalls Untersuchungen angestellt, bei denen mit einer Plateauzeit von 6 Minuten Wirkungs-grade bis zu 14,9 % erzielt werden konnten. Hierdurch konnte auch für dieses Material die Applikabilität des Hubschnursystems mit hohem Anlagendurchsatz gezeigt werden. Selektive Emitter wurden in dieser Arbeit hergestellt, um das Potential dieser Struktur unter Bedingungen, die gegenwärtig in der Industrie realisierbar sind, unter Verwendung der Durchlauftechnologie zu bestimmen. Dazu wurden eingehend Experimente zum Verhalten lokal aufgedruckter Dotierpasten durchgeführt. Zu Bildung der selektiven Emitter wurde das Ausdiffusionsverfahren eingesetzt. Es konnten Solarzellen mit selektiven Emittern mit Wirkungsgraden von 15,4 % (Cz-Silizium untexturiert) hergestellt werden. Die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen wurden genutzt, um eine weitere Anlage zu planen und aufzubauen, die industriellen Anforderungen bereits weitgehend gewachsen ist. Es handelt sich hierbei um eine vierspurige Anlage, die einen vollkontinuierlichen Antrieb aufweist und mit Automatisierungseinheiten ausgestattet wurde, so dass für zukünftige Arbeiten ein ausgereiftes kontaminationsfreies Durchlaufdiffusionssystem zu Verfügung steht.
ThesisNote
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2003
Verlagsort
Freiburg