Anlagen für die Solarzellenfertigung.
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Anlagen für die Solarzellenfertigung

Eine typische Silicium Solarzelle besteht aus einem oberflächennahem, photoaktiven p/n Übergang, einem ohmschen Kontaktstreifen mit Kontaktfingern, einem ganzflächigen, ohmschen Rückseitenkontakt und einer Antireflexschicht auf der Vorderseite.

Für die Siliciumsolarzellenproduktion kann entweder polykristallines oder monokristallines Material eingesetzt werden. Polykristallines Silicium für photovoltaische Anwendungen wird meist in Gießverfahren hergestellt, während monokristallines Silicium im Czochralski Ziehverfahren produziert wird.

Die polykristallinen Blöcke bzw. die gezogenen Einkristalle werden in Scheiben zersägt. Polykristallines Material wir meist zu quadratischen Scheiben mit einer Kantenlänge von 100mm oder 125mm verarbeitet, während monokristallines Material meist runde Wafer mit einem Durchmesser von 100mm - 150mm ergibt. Teilweise wird das Material zu pseudo-quadratischen Scheiben mit abgerundeten Ecken zugeschnitten (125mm Kantenlänge), um eine dichtere Packung der fertigen Solarzellen auf dem Solarmodul zu erreichen.

Solarzelle

Die wesentliche Prozeßschritte in der Solarzellenfertigung sind Herstellung des p/n-Übergangs durch Dotierung und die Kontaktierung der photovoltaischen Zelle. Daneben kommen Abscheideprozesse für Antireflexionsschichten und evt. weitere Schritte, die aus thermischen Prozessen bestehen können, zur Optimierung des Solarzellenaufbaus zum Einsatz.

Die in der Photovoltaik eingesetzten, einseitig polierten oder glanzgeätzten Wafer müssen zunächst dotiert werden, um einen photoaktiven p/n-Übergang zu schaffen. Meist findet eine n+ Dotierung mit Phosphor statt. Dies wird entweder durch Aufbringung eines Dotierglases z.B. im Siebdruckverfahren und anschließender Diffusion in einem Durchlaufofen oder in Rohröfen mit Phosphoroxychlorid POCl3 durchgeführt. Die Dotierung über Dotierglas ist einfach und und in einem kontinuierlichen Verfahren in Durchlauföfen durchzuführen. Sie benötigt allerdings insgesamt zwei Prozeßschritte mehr als die Dotierung mit POCl3, da die Dotierschicht aufgebracht und wieder entfernt werden muß. Soll die POCl3-Dotierung eingesetzt werden, waren bislang aus Kostengründen und aufgrund der geringen Ansprüche an diesen Prozeß hauptsächlich Horizontalöfen zum Einsatz.

Durchlaufofen   Horizontalofen

Das Modell 206 von Koyo Thermo Systems ist für 150mm Wafer ausgelegt und erfüllt alle Anforderungen an diesen Prozeß. Die in diesem Modell eingesetzten LGO-Heizelemente sorgen durch ihre niedrige thermische Masse für kurze Prozeßzeiten und energiesparenden und somit kostengünstigen Betrieb der Dotieröfen. Alle gängigen Solarzellengrößen können in diesem Diffusionsofen prozessiert werden. POCl3 wird als flüssiges Dotiermittel in einem Bubbler bereitgestellt. Stickstoff streicht bei definierter Temperatur durch die Flüssigkeit und wird mit Dotiermittel angereichert. Typische Dotiertemperaturen liegen bei 800 - 900C.

VertikalofenFür höhere Ansprüche an die Homogenität des Dotierprofils bzw. für vollautomatische Produktionsstraßen stehen Vertikalöfen zur Verfügung. Insbesondere für Anwendungen in der Solarzellenforschung und in der Entwicklung kann der kleinste Vertikalofen von Koyo Thermo Systems erfolgreich eingesetzt werden. Der Ofen Typ VF1000 ist als Minibatch-Ofen ausgelegt, besitzt eine manuelle Beladung und ist daher bezgl. der möglichen Probengrößen sehr flexibel. Der Vertikalofen ist mit einem kostensparenden LGO Heizelement ausgestattet und die Prozeßperformance entspricht der von Vertikalöfen für die Produktion moderner ICs. Der Preis konnte in der gleichen Größenordung wie der für ein Horizontalrohr in einem Horizontalofen 206 gehalten werden.

Für die Massenproduktion hat Koyo Thermo Systems einen speziellen Vertikalofen entwickelt, der bessere Prozeßergebnisse liefert als ein Horizontalofen, die Herstellungskosten der Solarzellen aber kaum verteuert. Der Zwillingsofen lädt 3-4 Boote in ein Vertikalrohr und hat somit eine Kapazität von 600 - 800 Solarzellen. Das entspricht der Kapazität eines 4-stöckigen Horizontalofens. Die Automatisierbarkeit ist deutlich einfacher als im Falle eines Horizontalofens.

Die Kontaktierung der Photozellen erfolgt z.B. durch Siebdruck von Metallpasten. Rückseitenkontakte werden zumeist über Aluminiumpasten aufgebracht. Die fingerförmigen Frontseitenkontakte bestehen oft aus Silber. Die in Dickschichttechnik aufgebrachten Metallpasten werden anschließend in Durchlauföfen eingebrannt. Der Meshbeltofen vom Typ Koyo Thermo Systems 47-MT hat sich für diese Anwendung bewährt. Das Einbrennen der Schichten kann unter Sauerstoffausschluß oder auch unter reduzierender Atmosphäre (Formiergas) durchgeführt werden. Beladung und Entladung können wahlweise automatisch durchgeführt werden.

Durchstoßofen

Nach der Testung der einzelnen Solarzellen werden diese in einem kontinuierlichen Prozeß zu Modulen zusammengelötet. Dies kann in Koyo Thermo Systems Lötöfen erfolgen. Der Transport in diesen Öfen erfolgt über ein Kettennetz. Die Temperatur beträgt 260 °C. Im Ofen strömt das Gas vertikal. Die Atmosphäre im Lötofen kann aus Stickstoff oder Formiergas bestehen. Auf sichere Handhabung und leichte Bedienbarkeit wurde großen Wert gelegt.

Lötofen

Der letzte Schritt in der Solarpanel-Fertigung ist die Verpackung der Module zwischen Glasscheiben und die Testung.



Plasmagestütze Abscheidung von Schichten, PECVD

In der Halbleitertechnologie werden drei chemische Abscheideverfahren zur Beschichtung von Halbleiterwafern angewendet:
APCVD. Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition erfordert relativ hohe Temperaturen und wird nur für wenige Anwendung wie die Abscheidung von epitaktischem Silizium eingesetzt.
LPCVD. Low Pressure Chemical Vapor Deposition ist weit verbreitet für die Abscheidung von Siliciumoxid, Siliciumnitrid und Polysilicium. Der Prozess wird in Rohröfen durchgeführt und erfordert ebenfalls relativ hohe Temperaturen.
PECVD. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition dient im Wesentlichen zur Abscheidung von Dielektrika und Passivierungssschichten wie Silicium-oxid und –nitrid sowie ONO-Schichten bei niedrigen Temperaturen. Es kann auch für die Bildung von SiC- oder poly-Siliciumschichten eingesetzt werden. Die erforderliche Energie für die chemische Reaktion wird nicht über die Heizung der gesamten Reaktionskammer aufgebracht sondern nur über die Gasphase bzw. das Plasma. Es ist die beste Methode wenn die Diffusion von Dotierstoffen gering gehalten werden muss, temperaturempfindliche Substrate oder mit Aluminium metallisierte Scheiben vorliegen. Das thermische Budget der behandelten Wafer bleibt niedrig bei PECVD.
Über einen RF-Generator wird in der Reaktionskammer ein Plasma erzeugt, das reaktive Ionen und Radikale enthält. Aufgrund der Aktivierung und Reinigung der Oberfläche durch den mehr oder weniger starken Beschuss von Ionen aus dem Plasma beginnt das Wachstum von Schichten leicht und erfolgt mit guter Haftung und relativ hohen Abscheideraten. Die Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht lassen sich besser beeinflussen als bei rein thermischer Abscheidung von Schichten, da mehr Prozessparameter variiert werden können. Wichtig sind die Einstellung von Haftung, Stress bzw. Zugspannung und Druckspannung die Verbiegung des Wafers zur Folge haben können, Wasserstoffgehalt und Dichte, Ätzbarkeit, Ätzrate und Selektivität der Ätzung, Kantenbedeckung sowie die über den Brechungsindex messbare Stöchiometrie (Zusammensetzung) und Reinheit der erzeugten Schichten. Die maximal mögliche Schichtdicke und die erreichbare Gleichmäßigkeit von Schichten hängt ebenfalls von den PECVD-Prozessparametern ab. Manche Schichtparameter können auch nachträglich noch verändert werden.

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