Photovoltaik mit kristallinem Silizium Symposium Erneuerbare Energien zur Feier des 25-jährigen Bestehens des Instituts für Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal Photovoltaik mit kristallinem Silizium Rolf Brendel Institut für Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal (ISFH) & Institut für Festkörperphysik Leibniz Universität Hannover Mini-module of back-contacted c-Si cells with integrated connection

Erste kristalline Siliziumsolarzelle (1954) Diffundierter pn-Übergang n-Typ Rückkontaktzelle Wirkungsgrad 6 % Quelle: The Silicon Solar Cell Turns 50, John Perlin, NREL Report No. BR-520.33947 D. M. Chapin, C. S. Fuller G. L. Pearson, J. Appl. Phys. 25 676 (1954).

Silizium, ein ideales Material Institut für Solarenergieforschung Hameln

Silizium gibt es wie Sand am Meer Datenquelle: F. K. Lutgens and E. J. Tarbuck, Essentials of Geology, (Prentice Hall, 2000).

Silizium hat günstige Bandlücke (1961) Bis zu ca. 30 % Wirkungsgrad Günstige Bandlücke Annahme: nur strahlende Rekombination Wirkungsgradgrenze für c-Si ist 29% Si W. Shockley and H. J. Queisser, J. Appl. Phys. 32, 510 (1961)

Hoher Brechungsindex, sehr gute Beweglichkeit Brechungsindex von Lichtwegverlängerung: Filmdicke Hervorragende Beweglichkeit : * E. Yablonovitch and G. D. Cody, IEEE Trans. Electron Dev. ED-29, 300-305 (1982)

Wertschöpfungskette (Source: W. Hoffmann, „Renewables in a Nutshell“, Lecture held at LUH, Oct. 2011)

Siliziumverbrauch durch dicke Wafer und Sägeverluste Sägeverlust 100..140 µm Waferdicke 180..200 µm Photo: delo Photo: SolarWorld AG

Standard Si-Zelle mit homogener Rückseite _ + Wirkungsgrad mono-Si: 18,5 % Wirkungsgrad multi-Si 16 bis 17 % Waferdicke 180 µm

Marktentwicklung und Kosten Institut für Solarenergieforschung Hameln

Schnelles Wachstum der weltweiten Produktion Data source: Photon 4/2012, p.43 Exponentielles Wachstum von 50% pro Jahr Kristallines Si immer > 85% Marktanteil

Photovoltaik: macht Energiewende erlebbar Erzeugung nah am Verbrauch Risikoarm Keine Beeinträchtigung des Landschaftsbildes Starke Unterstützung in der Bevölkerung 1,9 kWp-Kleinanlage auf der Garage (heute 5000 €): 35 % des Verbrauches real durch PV-Anlage gedeckt im Mai 2012 80 % bilanziell durch PV-Anlage gedeckt im Mai 2012

Netzeinspeisung im Mai 2012 25 GW PV in D installiert Datenquelle: EEX, http://www.transparency.eex.com/de/ PV-Strom deckt Mittagsspitzen bedarfsgerecht Am 25.5.2012 wurden 22 GW Solarstrom eingespeist (=1/3 Maximallast) 12,9 % Solar, 8,6 % Wind und 79,1 % Großkraft DC-Anteil der Großkraft: 22 GW

Preisentwicklung für c-Si PV-Module: Derzeit keine nachhaltigen Preise Average spot price 0.85 US$/W = 0.65 €/W for May 2nd 2012 http://pvinsights.com/index.php ISFH-Gründung 0,10 €/kWh Beitrag der Module zum Strompreis ohne Kapitalkosten:

Schätzung der EEG-Umlage Zubau ab 2012 0 GW/a 3 GW/a Änderung Ausbau in 2022 25 GW 52 GW + 108 % Kumulierte Kosten 136 G€ 166 G€ + 22 % Max. PV Umlage 1,6 ct/kWh 2,0 ct/kWh + 25 % Max. Anteil am Kleinabnehmerpreis 6,4 % 6,3% 3 GW/a for 2012 to 2020 0 GW/a from 2012 on Annahmen: Konventioneller Strompreis: +4%/a Vergütung -10%/a, Mittlere Vergütung 2012 ist 19,5 ct/kWh

Modulkosten Labor Energy Consumables Equipment Kosten pro Fläche sind entscheidend Materialien dominieren die Kosten → Weniger Si und Ag! → Keine Kristallisation → Kein Sägen Energy Consumables (non-Si) Equipment Crystalliz. Wafering Cell Module Quelle: International Technology Roadmap for Photovoltaics (ITRPV) Results 2011 und eigene Daten

Aus der ISFH-Forschung Institut für Solarenergieforschung Hameln

Standard BSF- and PERC cells Full-area Al-BSF Cell PERC cell* _ Rrear + * A. W. Blakers et al., APL 55, 1363 (1989)

„Enabling process“: Laser contact opening (LCO) Laser open a new dimension of processing: Contact openings Structuring Si Drilling Si Welding interconnections Deposition P. Engelhart, S. Hermann, T. Neubere, H. Plagwitz, R. Grischke, R. Meyd, U. Klug, A. Schoonderbeek, U. Stute, and R. Brendel,, Progress in Photovoltaics 15, 521-527 (2007).

„Enabling process“: Surface passivation by Al2O3 Al2O3 for surface passivation of solar cells Atomic layer deposition (ALD) technique yields high quality passivation Excellent firing stability for spatial ALD: Seff < 20 cm/s after firing K. Jaeger and R. Hezel, 18th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., (IEEE, Las Vegas, 1985). B. Hoex, J. Schmidt, P. Pohl, M. C. M. Van De Sanden and W. M. M. Kessels, J. Appl.Phys. 104, (2008). J. Schmidt, B. Veith, and R. Brendel, Phys. Status Solidi RRL 3, 287-289 (2009) 20

20.1% screen-printed PERC cell with homogeneous emitter PoP Ag fingers n+ emitter SiNy p-type Cz-Si ICP AlOx Screen-printed Al How to solder? Sn pads for soldering Rear passivation A [cm²] h [%] Jsc [mA/cm²] Voc [mV] FF # Process steps ICP AlOx/SiNy 233.2 20.1* 39.0 655 78.8 11 Full area Al-BSF 231 18.7 37.1 638 79.1 9 ISFH press release, March 2nd, 2012 B. Veith et al., presented at 2nd Silicon PV Conf., Leuven, April 2012 * Independently confirmed

Neue Verbindungstechnik mit Zinn auf siebgedrucktem Aluminium ISFH entwickelte im Auftrag von Schott Solar AG ein neues Verfahren für das Aufbringen von Lötstellen aus Zinn auf siebgedrucktem Al. Dieses am ISFH erstmals demonstrierte Verfahren ist die Grundlage der von Schott und SCHMID entwickelten „TinPad“-Technologie 0,2%-Punkte Wirkungsgradsteigerung durch Wegfall der Ag-Pads* Kostenersparnis von ca. 0,04 €/Zelle* SCHOTT Solar AG und SCHMID Group gewinnen dafür den Intersolar Award 2012 in der Kategorie PV-Produktionstechnik ISFH Entwicklungsaufbau Quelle: Solar Server Bild: Solar Server * Lt. Angaben Fa. Schmid SCHMID Produktionsmaschine

Back contacted cells for easier module integration n-type Cz-Si Cell area 15.6 cm x 15.6 cm full square JSC = 40.5 mA/cm² VOC = 667 mV FF = 77.7 % η = 21.0 % (Full area measurement) F. Kiefer, C. Ulzhöfer, T. Brendemühl, N. P. Harder, R. Brendel, V. Mertens, S. Bordihn, C. Peters and J. W. Müller, IEEE J. Photovoltaics, 1, 49 (2011).

Ag-free module integration by laser welding (AMELI) Solar cell µs-laser beam Evaporated Al - layers Silicone encapsulant Laser weld spots in Al-layers Al-foil Front glass Back sheet Al-foil attached to silicone encapsulant Laser welding of Al-foil to Al-metallization of solar cells 19.3 % active area efficiency after lamination Laser welded Al-interconnections stable during 200 humidity-freeze cycles H. Schulte-Huxel, R. Bock, S. Blankemeyer, A. Merkle, R. Brendel., IEEE J-PV 2, 16, 2012

Thin-film/wafer hybrid silicon (HySi) technologies low cost/power Module efficiency h [%] Thickness W [µm] 10 20 5 15 1 3 30 100 300 thin-film/wafer hybrid silicon wafer recombination hurdle mech. stability hurdle a-Si/µc-Si R. Brendel, J. Petermann, D. Zielke, H. Schulte-Huxel, M. Kessler, S. Gatz, S. Eidelloth, R. Bock, E. Garralaga Rojas, J. Schmidt, and T. Dullweber, IEEE Journal of Photovoltaics 1, 9 (2011). CSG a-Si low cost/m2 high power/m2

A visionary thin-film wafer hybrid silicon approach (HySi) TCO a-Si c-Si Al2O3/SiNx Al glass Metalize and laser scribe a large glass Use thin monocrystalline Si from “somewhere” Connect them to the metallization on the glass Apply many processes on large areas as in thin-film PV Use processes and machines from the thin-film and the wafer world R. Brendel, J. Petermann, D. Zielke, H. Schulte-Huxel, M. Kessler, S. Gatz, S. Eidelloth, R. Bock, E. Garralaga Rojas, J. Schmidt, and T. Dullweber, IEEE Journal of Photovoltaics 1, 9 (2011).

Kerfless separation and texturing by electrochemical etching Substrat: n-Typ (CZ), 1-2 Ohm cm Vorstrukturiertes Material (invertierte Pyramiden) in 8.3 µm Abstand, hexagonale Anordnung Ätzzeit 50 min 6 mA/cm², 6 min auf 25 mA/cm² erhöhen, 6 min Plateau bei 25 mA/cm² Porendurchmesser 3.1 µm, Schichtdicke 33 µm Porosität (aus Geometrie berechnet): (12,7 +/- 1,6) % Flächenvergrößerungsfaktor 3,6 (im Vergleich zu planarem Wafer) Passivierung: 30 nm trockenes Oxid (900 °C) + beidseitig n = 2.4 SiN capping layer als Wasserstoffquelle. 38.8 µs Entspricht S = (10 +/- 2) cm/s, ausgewertet mit analytischem Modell Macroporous Si (MacPSi) on 8x8 cm2 Surface passivation results in effective carrier lifetime of teff = (38.8 ± 3.9) µs (peridoic pores) 26 µm-thick MacPSi-layer allows for a short-circuit current density of 37.6 mA/cm2 M. Ernst, R. Brendel, R. Ferré, N.-P. Harder, and S. Kajari-Schröder, Proc. 38th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., (2012).

Avoid ingot crystallization and sawing by epitaxial growth on porous Si (PSi) 30 µm Efficiency ?

Cell from layer transfer using porous Si (PSI process) Highest efficiency of epitaxial Si cell that did not consume a wafer 19,1 % efficiency Epitaxial layer of 43 µm thickness independently confirmed J. H. Petermann, D. Zielke, J. Schmidt, F. Haase, E. G. Rojas and R. Brendel, Progress in Photovoltaics 20, 1-5 (2012).

Advanced technologies and materials for crystalline Si solar cells and modules March 25- 27, 2013 in  Hamelin, Germany Scientific topics: Junction formation Surface morphology and passivation Cleaning and etching Structuring and contact formation Silicon material Wafering and kerfless technologies Advanced characterization and simulation Process integration Module integration Reliability Hosted by: www.siliconpv.com

Acknowledgements Lower Saxony for 25 a of institutional funding and project funding BMU, BMWi, BMBF for project funding Many industry partners for exciting collaborations Group leaders, PhD students and staff their creative work www.isfh.de → Open positions in module and cell development!

Ausbauszenario mit 3 GW/a 52 GW in 2020 wie im nationalen Aktionsplan an die EU gemeldet

Hypothetische Einspeisung im Mai 2020 bei verdoppeltem Wind- und Solaranteil Anteil Wind und Sonne verdoppelt relativ zu Mai 2012: Für 22 GW Grundlast nur wenige Spitzen der EE zu kappen Ost-West-Orientierung und Speicher reduzieren Doppelspitzen

Boremitter Al2O3-SiNx Passivierung 1.5 Ωcm n-typ Cz-Si Phosphor-BSF SiO2 Passivierung Metallisierung

Invention of Inline-PECVD-SiNx deposition concept at ISFH in 1997 Fabrication of first Inline-SiNx prototype in cooperation with ASE In the year 2000 the world-first prototype had been successfully transferred into production at ASE A. Aberle, T. Lauinger, R. Hezel, Proc. 14th EUPVSEC (1997), p. 684

Projekt „SiNA“ des ISFH mit ASE GmbH (heute SCHOTT Solar AG) 36 Projekt „SiNA“ des ISFH mit ASE GmbH (heute SCHOTT Solar AG) Förderprojekt des BMBF 1998...2001 Ziel: Entwicklung einer Durchlauf-Beschichtungs- anlage für Siliciumnitrid-Antireflexbeschichtung Unterauftragnehmer Roth&Rau GmbH Entwicklungsinhalte: Wafer-Transportystem für hohe Temperaturen basierend auf speziellen Carriern Beschichtungsquellen für kontinuierliche Schichtabscheidung Prozessoptimierung für SiN-Antireflexbeschichtung und -Passivierung Ein Team von fünf Ingenieuren und Wissenschaftlern wurde hierfür aufgebaut In Testaufbauten am ISFH wurden Komponenten erprobt (1998...1999) Ein Prototyp wurde Ende 1999...Anfang 2000 bei ASE aufgebaut und in Betrieb genommen Nach Inbetriebnahme wurde die Anlage von 2000 bis 2006 im Produktionsbetrieb in der weltweit ersten voll in-line integrierten Solarzellen-Produktionslinie eingesetzt Das Projekt lieferte wesentliche Grundlagen für die weitere Entwicklung industrieller Produktionsanlagen J. Moschner