Laser processing for the integrated series connection of thin-film silicon solar cells

Turan, Bugra; Rau, Uwe; Poprawe, Reinhart

doi:35391

Laser processing for the integrated series connection of thin-film silicon solar cells = Laserprozesse für die integrierte Serienverschaltung von Dünnschicht-Silizium-Solarmodulen

Turan, Bugra

2016

VerantwortlichkeitsangabeBugra Turan

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2016

Umfang1 Online-Ressource (xii, 188 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-119-4

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt ; 306

Dissertation, RWTH Aachen University, 2015

Druckausgabe: 2016. - Onlineausgabe: 2016. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor) ; Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-12-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-015469
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/570136/files/570136.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/570136/files/570136.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
debris (frei) ; interconnection (frei) ; laser ablation (frei) ; silicon (frei) ; solar modules (frei) ; thin-film (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die integrierte Serienverschaltung zur Herstellung von Solarmodulen ist ein essentieller Aspekt von Dünnschicht-Solarmodulen. Mithilfe einer Serienverschaltung können hohe Ausgangsspannungen erzeugt werden, gleichzeitig wird der Ausgangsstrom niedrig gehalten. Dadurch wird eine signifikante Senkung Ohm´scher Verluste in den Kontaktschichten erzielt. In der Silizium-Dünnschichttechnologie wird die Serienverschaltung mittels Laserablation realisiert. Die einzelnen Schritte werden dabei in die Herstellungsprozesse der Solarzelle integriert. In drei Ablationsschritten wird Material selektiv in Form von Gräben vom Substrat entfernt ohne die darunterliegende Schicht zu beschädigen. Zunächst wird der Frontkontakt strukturiert um eine elektrische Isolation zwischen den einzelnen Zellstreifen zu erreichen. Anschließend wird der Absorber lokal entfernt und der darunter liegende Frontkontakt wieder freigelegt. Im dritten und letzten Schritt wird auch der Rückkontakt selektiv entfernt und die Serienverbindung schließlich hergestellt. Die Fläche welche benötigt wird um zwei benachbarte Zellen miteinander zu verbinden trägt nicht mehr zur Stromgenerierung bei. Abhängig von der Dünnschichttechnologie können diese Flächenverluste 5-10% der Modulfläche ausmachen. Die Verringerung dieser toten Fläche birgt Potential zur Steigerung der Moduleffizienz. Die Reduktion und etwaige geometrische untere Grenzen der toten Fläche mittels optimierter Laserprozesse für die Bearbeitung von Silizium-Dünnschicht-Solarmodulen von der Substratseite ist das Thema dieser Arbeit. Der negative Einfluss der Serienverbindung selbst und der Laserprozesse auf das Solarmodul ist bekannt. Daher ist die Charakterisierung möglicher Beeinflussungen der Performance insbesondere wichtig für Laserprozesse die es ermöglichen verkleinerte Verschaltungslinien zu erzeugen. P1: Bei der Strukturierung des Frontkontakts (P1) zeigen sich Unterschiede bei der Qualität des Grabens abhängig von der zur Bearbeitung verwendeten Wellenlänge. Ablationsmechanismen die getrieben sind durch Phasenübergänge (Prozessierung mit 532nm und 1064nm) können weichere Grabenkanten erzeugen im Gegensatz zu Mechanismen die vorwiegend getragen werden durch mechanische Spannungen (Bearbeitung mit 355nm). Hierbei kann das Abrissverhalten der Schicht zu undefinierten Grabenkanten führen. Für bestimmte Prozessparameter, im Zusammenhang mit Laser-Spotradien unter 10µm, wird eine verstärkte Beeinflussung des verbliebenen Frontkontakts in direkter Umgebung des Grabens beobachtet. Diese Beeinflussung kann zurückgeführt werden auf massive Redeposition von Ablationsresten. Diese haben dann einen negativen Einfluss auf die Solarzelle in direkter Umgebung des Grabens. Jedoch ist es möglich mit einer entsprechenden nasschemischen Nachbehandlung den Einfluss zu minimieren. Die Stärke des parasitären Parallelwiderstands, welcher sich nach der Absorberdeposition im P1 Graben zwischen zwei benachbarten Zellstreifen ausbildet, nimmt mit Verkleinerung des Grabens zu. Jedoch ist die spezifische Höhe des Widerstands so hoch, dass der Einfluss für üblicherweise eingesetzte Zelltopologien zu vernachlässigen ist. P2: Die Reduktion der Verschaltungsbreite wurde auf den zweiten Prozess zur Strukturierung des Absorbers (P2) ausgeweitet. Hierbei gilt es eine Beschädigung des freigelegten Frontkontakts möglichst zu vermeiden. Daher ist es von Vorteil einen Laser mit der Wellenlange von 532nm einzusetzen. Mit 532nm ist die Ablation dominiert von einer mechanisch induzierten Entfernung des Absorbermaterials. Die Kräfte können dabei entweder durch thermische Expansion des Absorbers entsteht und/oder durch Gasdruck einer Blase die durch Diffusion von Wasserstoff an der Grenzfläche Frontkontakt/Absorber entsteht. Es wurden untere Grenzen für die minimale Grabenbreite gefunden. Sie hängen stark vom Laser-Spotradius und Schichtdicke des Absorbers ab. Eine solche Abhängigkeit zwischen Ablationsverhalten und Geometrie lässt sich direkt aus der Bruchmechanik zwischen Delamination und Bruch entlang des Umfangs des Absorbers beschreiben. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für die P2 Bearbeitung durch die Substratseite sehr dünne Gräben nur möglich sind für dünne Absorberschichten. Der parasitäre Serienwiderstand, welcher sich durch P2 nach der Rückkontaktdeposition ausbildet, steigt an für verkleinerte Grabenbreiten. Jedoch zeigt sich bei der Bearbeitung von amorphem Silizium mit einem Laser-Spotradius von 10µm, dass der Widerstand weitaus höher ansteigt als von rein geometrischen Überlegungen angenommen. Dies lässt sich zurückführen auf eine erhöhte Redeposition von Ablationsresten auf den freigelegten Frontkontakt. Es ist bekannt, dass Redeposition der Hauptgrund für die Ausbildung eines parasitären Kontaktwiderstands ist. Solche Effekte werden für die Bearbeitung von Tandemabsorbern nicht beobachtet wo die Redeposition weniger stark ausgeprägt ist. Hierbei werden niedrige Kontaktwiderstände mit einer vernachlässigbaren Beeinflussung der Moduleigenschaften für alle untersuchten Laser-Spotradien erreicht.P3: Der Strukturierungsprozess P3 ist sehr ähnlich zum Prozess P2 da der Rückkontakt bei P3 indirekt durch Ablation des Absorbers entfernt wird. Ein parasitärer Parallelwiderstand zwischen Front- und Rückkontakt am Rand des Ablationsgrabens kann durch zusätzliche Wärmeeinwirkung aufgrund der Gauß-Verteilung des Lasers entstehen. Wie vermutet ergeben sich noch stärkere Einschränkungen bei der minimalen Grabenbreite durch die erhöhte Gesamtschichtdicke des Systems aus Absorber und Rückkontakt. Des Weiteren, ergeben bei der Bearbeitung von Tandemsolarzellen starke Unregelmäßigkeiten am Grabenrand. Im Gegenteil dazu werden bei der Bearbeitung von Solarzellen aus amorphem Silizium saubere Grabenkanten beobachtet ohne besondere Flitterbildung. Der eingangs erwähnte negative Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften ist erhöht für verringerte Laser-Spotradien. Jedoch, wie schon bei P2 beobachtet, ist die Beschädigung bei der Bearbeitung von Tandemsolarzellen weitaus geringer als für Zellen aus amorphem Silizium. Der parasitäre Parallelwiderstand kann sich um mehrere Größ enordnungen verringern wenn ein Laser-Spotradius von 10µm verwendet wird. Es ist möglich, dass bei Tandemsolarzellen die Schädigung lokalisiert ist auf die Top-Zelle aus amorphem Silizium da hier ein Groß teil der Laserenergie absorbiert wird. Zusammen mit der höheren Absorberdicke (300nm vs. 1.4µm) folgt ein geringerer Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Gesamtdevices.

The integrated series connection of solar cells is an essential aspect for thin-film photovoltaic technology. With a series connection a high output voltage of the module is achieved while the output current is kept low. Thus, Ohmic losses in the contact materials are kept low as well. In thin-film silicon solar technology the steps to create the interconnection are commonly done by laser ablation integrated in-between the depositions of the solar cell layer materials. In three steps laser scribing is used to selectively remove layers locally in the form of lines across the module substrate. In a first step the front-contact is removed for electrical insulation and cell stripe definition. Afterwards, the absorber is removed locally exposing the front-contact beneath. Finally, the interconnection is formed when the back-contact is removed locally as well. The area that is needed for the interconnection of two neighboring cells is no longer active for current generation. Depending on the technology 5-10% of active area is lost. The reduction of this area holds an attractive potential for an increase of the module efficiency. The topic of this thesis is the investigation of the lower geometrical limits for the dead area reduction for substrate side laser processing of thin-film silicon solar cells. It is well-known that the interconnection and the laser processes can have an impact on the performance of the solar module. Therefore, the characterization of the impact on the performance is of special importance when laser processes are used that are capable of generating a reduced interconnection width. P1: for the front-contact insulation process it was found out that the scribe quality strongly depends on the used laser wavelength. Ablation mechanisms that are driven by material phase changes (scribing with 532nm or 1064nm) can lead to smoother scribe edges compared to mechanisms dominated by stress-induced removal (355nm) where non-uniform rip-off at the edges occurs. However, in certain processing regimes, strong ablation debris redeposition in direct vicinity of the P1 scribe is observed when small beam spot radii (<10µm) are used. Such redeposition has a severe impact on the solar cell performance in this region. With proper wet-chemical cleaning the amount of redeposited debris on the front-contact and the negative impact on the solar module can be minimized. Parasitic shunting of two neighboring cell stripes by deposition of absorber material into the P1 scribe increases when the scribe width is reduced. Measurements show that the overall magnitude of the shunt is in a value range that impact on the solar module is negligible for commonly used cell topologies. P2: the width reduction approach was extended for the absorber removal process (P2). To ensure the selectivity of silicon removal without damaging of the front-contact beneath, only 532nm was used for scribing. For this wavelength ablation is strongly assisted by mechanical stresses generated by hydrogen diffusion from the absorber layer and/or thermal expansion of the absorber layer. Mechanical constraints limiting the lower scribe width are found that depend on the absorber thickness and the laser beam spot size. Such behavior can be explained directly from linear elastic fracture mechanics where removal of the layer is determined by the relation between delamination at the interface and fracture of the absorber along the circumference of the spot. It can be concluded that for substrate side laser-induced ablation thin scribe lines are only possible for thin layers. The parasitic series resistance formed by P2 also increases as the scribe width is decreased. However, for processing of amorphous silicon absorbers, with a beam radius 10µm, the minimal achievable resistance value is strongly increased. In fact, much more than what would be expected just by the geometrical contact area reduction. This is most likely owed to changes of the specific contact resistance due to increased debris redeposition within the P2 scribe prior to back-contact deposition. In contrast, such effects are not observed for processing of tandem absorber where debris redeposition is less pronounced. Here, low series resistances, with only minor impact on the module performance, are achieved for all investigated beam spot sizes.P3: the back-contact insulation process (P3) is similar to P2 since the back-contact is removed indirectly by removal of the absorber beneath. Shunting between front- and back-contact can occur at the direct P3 scribe edges. These shunts are possibly formed due to heat generated by sub-threshold energy intake of excess energy from the shoulders of Gaussian distribution of the laser. The mechanical constraints on the minimal achievable scribe widths are even stronger than what was observed for the optimization of the P2 process. This is owed to the additional overall thickness of the layer-stack due to the back-contact. Furthermore, for tandem solar cell processing the scribe edges are strongly distorted by delaminated material while clean edges are obtained for a-Si:H solar cells. The parasitic shunting by P3 scribing increases by many orders of magnitude when a processing beam radius of 10µm is used. However, just like it was observed from P2, an overall weaker deterioration is obtained for scribing of tandem solar cells than for amorphous silicon cells. It is possible that material modifications are more localized in the a-Si:H top-cell. Together with the higher thickness of the tandem cells (300nm vs. 1.4µm) the impact on the whole device is not as pronounced.

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