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.

Die wesentliche Prozeßschritte in der Solarzellenfertigung sind Herstellung des p/n-Übergangs durch Dotierung und die Metallsierung bzw. Kontaktierung der photovoltaischen Zelle. Daneben kommen Abscheideprozesse für eine Antireflexionsschicht 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.

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.

Für 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.

Der letzte Schritt der Herstellung kristalliner Solarzellen ist die Aufbringung der Antireflexionsschicht. Meist wird Siliciumnitrid in einem PECVD-Verfahren abgeschieden.

Nach der Testung der einzelnen Solarzellen werden diese in einem kontinuierlichen Prozeß zu Modulen zusammengelötet. Dies kann in Koyo Thermo Systems 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.

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