Forschungsprojekte – Institut für Materialien und Bauelemente der Elektronik

Cost-efficient High-throughput Ion-Implantation for Photovoltaics - CHIP

Im Rahmen des Verbundprojekts CHIP soll die Technologie der Ionen-Implantation und deren Anwendbarkeit für die Herstellung von kristallinen Siliziumsolarzellen untersucht werden. Hierzu werden zusammen mit dem Projektpartner ISFH hocheffiziente PERT-Solarzellen (Passivated Emitter and Rear Totally Doped) auf monokristallinen n-Typ Wafern hergestellt, bei denen mittels Ionen-Implantation die Vorderseite lokal selektiv p-hochdotiert und die Rückseite selektiv n-hochdotiert ist. Als Dotierstoffe werden dabei Phosphor und Arsen für die n-Hochdotierung und Bor für die p-Hochdotierung in unterschiedlichen Zusammensetzungen untersucht. Der für die Ausheilung der durch die Ionen-Implantation hervorgerufenen Schädigungen notwendige Temperaturschritt ist ein damit eng verbundenes Untersuchungsziel des Projekts. Hier soll ein Prozess gefunden werden, welcher beide Dotiertypen gleichzeitig ausheilen kann. Dazu werden verschiedene Temperaturprozesse miteinander verglichen, welche sich hauptsächlich in Dauer und Temperaturverlauf unterschieden.

Leitung: J. Krügener

Team: A. Klatt, M. Jestremski

Jahr: 2012

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Laufzeit: Juli 2012 - Juni 2015

Optionen zur Realisierung von Si-Solarzellen mit Effizienzen über 26%

Im Rahmen des „26+“-Projekts sollen „Leuchtturmeffizienzen“ von über 26% erreicht werden. Aktuell wäre dies ein neuer Wirkungsgradrekord für Si-Solarzellen mit nur einem pn-Übergang. Während der Projektlaufzeit sollen „Schlüsselschritte“ in der Prozesssequenz mit industrierelevanten Verfahren realisiert werden, so dass die deutsche PV-Industrie zeitnah von dem in „26+“ generierten Wissen profitieren kann.

Leitung: J. Krügener

Jahr: 2015

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Laufzeit: 01.07.2015 - 31.12.2018

Smart formation of poly/mono-crystalline Si junctions using local doping techniques - POLO

Ein vielversprechender, in der Mikroelektronik bereits etablierter Ansatz zur Minimierung der Kontaktrekombination ist die Nutzung von Übergängen aus Nanometer-dünnem Siliziumdioxid das mit einer Schicht aus Polysilizium (poly-Si) gedeckelt ist. Diese Übergänge haben gleichzeitig sehr niedrige spezifische Kontaktwiderstände, so dass auch Widerstandsverluste minimiert werden. Die Herausforderung bei der Übertragung der poly-Si/c-Si-Technologie auf die Photovoltaik ist die Integration in einen schlanken Prozessfluss. Da das poly-Si auf Zellvorder- und Rückseite unterschiedlich (p- bzw. n-Typ) dotiert werden muss, ist eine Methode zur einseitigen Beschichtung mit in situ dotiertem poly-Si bzw. zur einseitigen Dotierung von intrinsischen poly-Si Schichten notwendig. Die Evaluation von drei vielversprechenden Ansätzen hierfür ist Kern des POLO-Projektes, das gemeinsam mit dem ISFH und der centrotherm photovoltaics AG, sowie der Roth und Rau AG als assoziiertem Partner durchgeführt wird. Dabei sollen Wirkungsgrade >23% auf industrietypischen Solarzellen erreicht werden.

Leitung: J. Krügener

Team: T. Wietler, D. Tetzlaff

Jahr: 2015

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Laufzeit: August 2014 - Juli 2017

Einsatz von hocheffizienten Solarzellen in elektrisch betriebenen Nutzfahrzeugen - Optimierung des transienten Schaltverhaltens von Zellen mit integrierten Bypassdioden

Obwohl Vehicle-Integrated Photovoltaic (VIPV) kein neues Forschungsfeld ist und für Verbrennungsmotor-betriebene Fahrzeuge schon evaluiert wurde, gewinnt es durch die steigende Bedeutung von Elektromobilität, das im Pariser Klimaabkommen vereinbarte Ziel einer CO2-Einsparung von 40% bis 2020 (gegenüber 1990), sowie durch die fortschreitende Preisreduktion in der Photovoltaik ein völlig neues Momentum. Gerade für Lieferfahrzeuge, die in derzeit Feinstaub-geplagten Innenstädten unterwegs sind, eine große Dachfläche aufweisen und ein Fahrprofil mit vielen Standzeiten absolvieren, kann die photovoltaische Energiekonversion einen signifikanten Anteil der benötigen Energie bereitstellen.

Leitung: Prof. R. Peibst

Team: G. Wetzel, R. Zieseniß

Jahr: 2018

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Laufzeit: 01.08.2018 - 31.07.2021

Understanding and engineering polysilicon based passivating contacts for photovoltaic applications

In this project, which is being carried out jointly with colleagues from the Australia National University in Canberra (https://www.anu.edu.au/), the aim is to investigate passivating contacts based on polycrystalline silicon. Such contact structures consist of a thin silicon oxide that is produced either chemically or dry thermally on a silicon wafer. A thin layer of polycrystalline silicon is deposited on this oxide. Understanding the function and high-quality production of such contact structures have been the subject of research at MBE for many years. Within the framework of this project, the long-term stability and the ability of the polycrystalline silicon to bind metallic impurities or to deactivate them electrically are to be investigated.

Leitung: Dr.-Ing. Jan Krügener

Jahr: 2023

Förderung: DAAD

Laufzeit: 2023 - 2024

Herstellung und Charakterisierung photonischer Strukturen für die Anwendung in zukünftigen Siliziumsolarzellen

Moderne Siliziumsolarzellen erreichen heute Rekordwirkungsgrade von bis zu 26,8 %. Wesentliche Limitierungen gegenüber dem theoretischen Limit für Siliziumsolarzellen von ca. 29,5 % sind die intrinsischen Rekombinationsverluste im Siliziumvolumen sowie die Rekombination an Oberflächen und Kontakten. Letztere konnten in den vergangenen Jahren durch Einführung sehr effektiver selektiver Kontaktschichten drastisch reduziert werden. Eine Reduktion der unvermeidbaren intrinsischen Volumenrekombination kann nur mithilfe dünnerer Silizium-Wafer erreicht werden, was jedoch einen direkten negativen Einfluss auf die erreichbare Photostromdichte und somit auf die Effizienz der Solarzelle hat, da das für die Photoabsorption zur Verfügung stehende Volumen des Silizium-Absorbers bei Verringerung seiner Dicke ebenfalls reduziert wird. Seit einigen Jahren werden Strukturen auf der Basis photonischer Kristalle untersucht, die es erlauben, auch mit dünneren Silizium-Wafern hohe Photostromdichten zu erzielen. Wie theoretisch gezeigt werden konnte, erlauben photonische Kristalle auf der Vorderseite von Silizium-Solarzellen eine erhöhte Absorption des einfallenden Lichts und ermöglichen so deutlich erhöhte Photoströme und damit höhere Wirkungsgrade als es das klassische theoretische Limit vorhersagt. Die vor diesem Hintergrund bislang untersuchten photonischen Kristalle bestehen aus regelmäßig angeordneten invertierten Pyramiden mit Kantenlängen von wenigen Mikrometern. Die Herstellung der invertierten Pyramiden wird dabei mithilfe von selektiven stark anisotropen nasschemischen Ätzprozessen durch eine Maske aus Siliziumoxid erreicht. Auf Labormaßstab konnten in einer Kooperation zwischen MBE und ISFH bereits erste Solarzellen mit photonischen Kristallen auf den Vorderseiten hergestellt werden. Diese waren jedoch noch limitiert durch lokale Inhomogenitäten im Herstellungsprozess der regelmäßigen invertierten Pyramiden. Im Rahmen der hier geplanten Projektes sollen zunächst Bedingungen etabliert werden, die eine definierte Herstellung großflächiger photonischer Kristalle auf Silizium ermöglichen. Hierzu existieren am MBE bereits erste Vorarbeiten, die auf dem Strukturübertrag mittels konventioneller Fotolithografie basieren. Der so erarbeitete Prozess soll dann systematisch variiert und die hergestellten Strukturen anschließend optisch (Transmission, Reflexion) und strukturell (Rasterelektronenmikroskop, Rasterkraftmikroskop) charakterisiert werden. Die so erreichten Ergebnisse sollen genutzt werden, um das realistisch erreichbare Effizienzpotential von Siliziumsolarzellen mit photonischen Kristallen besser abschätzen zu können. Zusätzlich sollen neue Teilprozesse entwickelt werden, die die Herstellung photonischer Kristalle verbessern können. Hierzu gehört zum Beispiel das Ersetzen der Fotolithografie durch Laserlithografie oder auch die Nutzung von Trockenätzprozessen anstelle der bislang verwendeten nasschemischen Herstellung. Perspektivisch können die im Rahmen dieses Projektes hergestellten Solarzellen mit photonischen Kristallstrukturen auch als Bottomzellen für Tandemzellen verwendet werden.

Leitung: Dr.-Ing. J. Krügener

Jahr: 2024

Förderung: Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur

Laufzeit: 2023 - 2027

Projekte im Forschungsbereich Halbleitertechnologie für die Fotovoltaik