Technologische Prozesse der Mikroelektronik für Anwendungen in der Photovoltaik

Research output: Thesis › Habilitation treatise

Authors

Research Organisations

View graph of relations

Details

Original languageGerman
QualificationDoctor habilitatus
Awarding Institution
Place of PublicationHannover
Publication statusPublished - 5 Nov 2024

Abstract

Photovoltaics is an important pillar of sustainable energy conversion. In order to exploit the potential of photovoltaics, it is necessary to reduce the costs of solar cells further. In addition to the costs, the efficiency with which the solar cells convert the sunlight into electrically usable energy is another important lever for the use of photovoltaics. Taking into account reduced manufacturing costs and increasing efficiencies, the costs per kilowatt hour have been reduced by about 24% (relative) per year in recent decades. Besides photovoltaics, microelectronics is the second major semiconductor-based key technology of the past decades, as well as for the coming decades. As in photovoltaics, microelectronics is largely based on silicon-based components and circuits. Both branches of technology use the same processes and materials to a large extent, but with sometimes significantly different requirements. Nevertheless, in the last few decades there have been repeated attempts to use technologies and processes established in microelectronics in photovoltaics in order to reduce the costs of manufacturing solar cells even further or to increase the efficiency of the solar cells. Some of these technologies and processes are presented in detail in this thesis. The first part of this thesis deals with the transfer of the doping technique of ion implantation, as mostly known from microelectronics, for use in solar cells. Special attention is given to the fabrication of defect-free p-type emitter regions for n-type solar cell concepts, e.g. Passivated Emitter and Rear, Totally diffused - PERT. In the context of this work, the presence of so-called dislocation loops can be directly correlated to undesired recombination in the ion-implanted regions. With the help of the results obtained in this way, bifacial, i. e. light collecting from both sides, PERT solar cells with maximum efficiencies of 21.8% could be prepared in cooperation with the Institute for Solar Energy Research in Hameln (ISFH). A further increase in solar cell efficiency can be achieved with the passivating contacts based on polycrystalline silicon investigated in the second part of this work. Passivating contacts avoid the compromise that has to be made between the metallised and passivated surfaces of solar cells contacted conventionally with metals. So-called POLO contacts (Polysilicon on Oxide) allow simultaneous contacting of solar cells while simultaneously passivating the surfaces. In the context of this work, the properties of in situ doped POLO contacts are investigated as a function of their manufacturing conditions. Together with the ISFH, a maximum efficiency of 26.1% was achieved for a back-contacted solar cell with POLO contacts. In the final part of this work, the use of photonic crystals for use in solar cells is investigated. Simulations predict that regularly arranged inverted pyramids on the front of solar cells, with structural dimensions of a few micrometres, could lead to increased absorption of light. Based on these simulations, the maximum efficiency potential of silicon-based solar cells is calculated to be 31.6 %. This is a good 2% (absolute) higher than would be possible for conventional Lambertian light trapping. In this work, a process flow for the production of such photonic crystals is proposed and investigated on the basis of test structures. The first POLO² IBC solar cells with photonic crystals on the front sides show that it is possible to utilise such structures for solar cells.

Cite this

Technologische Prozesse der Mikroelektronik für Anwendungen in der Photovoltaik. / Krügener, Jan.
Hannover, 2024. 213 p.

Research output: Thesis › Habilitation treatise

Download
@phdthesis{eb12397b74dd4db79529411c4761c114,
title = "Technologische Prozesse der Mikroelektronik f{\"u}r Anwendungen in der Photovoltaik",
abstract = "Die Photovoltaik stellt eine wichtige S{\"a}ule f{\"u}r eine nachhaltige Energiewandlung dar. Um das Potenzial der Photovoltaik m{\"o}glichst gut ausnutzen zu k{\"o}nnen, ist es notwendig die Kosten f{\"u}r Solarzellen weiter zu senken. Neben den Kosten, stellt die Effizienz mit der die Solarzelle das Sonnenlicht in elektrisch nutzbare Energie wandelt, einen weiteren wichtigen Hebel f{\"u}r Nutzung der Photovoltaik dar. Unter Ber{\"u}cksichtigung von reduzierten Herstellungskosten und steigender Effizienzen, konnten so in den letzten Jahrzehnten die Kosten pro Kilowattstunde um ca. 24 % (relativ) pro Jahr reduziert werden. Neben der Photovoltaik, ist die Mikroelektronik die zweite gro{\ss}e halbleiterbasierte Schl{\"u}sseltechnologie der vergangenen, aber auch der kommenden Jahrzehnte. Wie in der Photovoltaik, basiert die Mikroelektronik zum Gro{\ss}teil auf siliziumbasierten Bauelementen und Schaltungen. Beide Technologiezweige nutzen weitestgehend die gleichen Prozesse und Materialien, jedoch mit zum Teil deutlich unterschiedlichen Anforderungen. Dennoch wurden in den letzten Jahrzehnten immer wieder Versuche unternommen, in der Mikroelektronik etablierte Technologien und Prozesse in der Photovoltaik einzusetzen, um die Kosten f{\"u}r die Herstellung von Solarzellen noch weiter zu reduzieren bzw. die Effizienz der Solarzellen zu erh{\"o}hen. Einige dieser Technologien und Prozesse werden im Rahmen dieser Arbeit detailliert vorgestellt. Der erste Teil dieser Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit dem Transfer, der aus der Mikroelektronik bekannten Dotiertechnik der Ionenimplantation f{\"u}r eine Nutzung in Solarzellen. Hierbei liegt besonderes Augenmerk auf der Herstellung defektfreier p-Typ-Emitter-Gebiete f{\"u}r n-Typ-Solarzellkonzepte, z. B. Passivated Emitter and Rear, Totally diffused - PERT. Im Rahmen dieser Arbeit kann das Vorhandensein von so genannten Versetzungsschleifen, direkt mit der unerw{\"u}nschten Rekombination in den ionenimplantierten Gebieten in Verbindung gebracht werden. Mithilfe der so erlangten Ergebnisse, konnten zusammen mit dem Institut f{\"u}r Solarenergieforschung in Hameln (ISFH), bifaziale, d. h. beidseitig lichtsammelnde, PERT-Solarzellen mit maximalen Effizienzen von 21,8 % realisiert werden. Eine weitere Steigerung der Solarzelleffizienz kann mit den im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchten passivierenden Kontakten auf Basis von polykristallinem Silizium erreicht werden. Passivierende Kontakte umgehen den Kompromiss, der bei konventionell mit Metallen kontaktierten Solarzellen zwischen metallisierter und passivierter Fl{\"a}che eingegangen werden muss. So genannte POLO-Kontakte (Polysilicon on Oxide) erlauben eine elektrische Kontaktierung von Solarzellen, bei gleichzeitiger Passivierung der Oberfl{\"a}chen. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Eigenschaften in situ dotierter POLO-Kontakte in Abh{\"a}ngigkeit ihrer Herstellungsbedingungen untersucht. Gemeinsam mit dem ISFH konnte f{\"u}r eine r{\"u}ckseitig kontaktierte Solarzelle mit POLO-Kontakten eine maximale Effizienz von 26,1 % erreicht werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wird die Nutzung von photonischen Kristallen f{\"u}r die Nutzung in Solarzellen untersucht. Simulationen sagen voraus, dass eine regelm{\"a}{\ss}ige Anordnung invertierter Pyramiden auf der Vorderseite von Solarzellen, mit Strukturma{\ss}en von wenigen Mikrometern, zu einer erh{\"o}hten Absorption von Licht f{\"u}hren k{\"o}nnte. Auf Basis dieser Simulationen wird das maximale Effizienzpotenzial siliziumbasierter Solarzellen zu 31,6 % berechnet. Dies ist 2 % (absolut) h{\"o}her als f{\"u}r konventionellen lambert'schen Lichteinfang m{\"o}glich w{\"a}re. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Prozessfluss f{\"u}r die Herstellung solcher photonischer Kristalle vorgeschlagen und auf Basis von Teststrukturen untersucht. Erste POLO²-IBC-Solarzellen mit photonischen Kristallen auf den Vorderseiten zeigen, dass eine Integration derartiger Strukturen in Solarzellen m{\"o}glich ist.",
author = "Jan Kr{\"u}gener",
year = "2024",
month = nov,
day = "5",
doi = "10.15488/18096",
language = "Deutsch",
type = "Habilitation treatise",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

}

Download

TY - THES

T1 - Technologische Prozesse der Mikroelektronik für Anwendungen in der Photovoltaik

AU - Krügener, Jan

PY - 2024/11/5

Y1 - 2024/11/5

N2 - Die Photovoltaik stellt eine wichtige Säule für eine nachhaltige Energiewandlung dar. Um das Potenzial der Photovoltaik möglichst gut ausnutzen zu können, ist es notwendig die Kosten für Solarzellen weiter zu senken. Neben den Kosten, stellt die Effizienz mit der die Solarzelle das Sonnenlicht in elektrisch nutzbare Energie wandelt, einen weiteren wichtigen Hebel für Nutzung der Photovoltaik dar. Unter Berücksichtigung von reduzierten Herstellungskosten und steigender Effizienzen, konnten so in den letzten Jahrzehnten die Kosten pro Kilowattstunde um ca. 24 % (relativ) pro Jahr reduziert werden. Neben der Photovoltaik, ist die Mikroelektronik die zweite große halbleiterbasierte Schlüsseltechnologie der vergangenen, aber auch der kommenden Jahrzehnte. Wie in der Photovoltaik, basiert die Mikroelektronik zum Großteil auf siliziumbasierten Bauelementen und Schaltungen. Beide Technologiezweige nutzen weitestgehend die gleichen Prozesse und Materialien, jedoch mit zum Teil deutlich unterschiedlichen Anforderungen. Dennoch wurden in den letzten Jahrzehnten immer wieder Versuche unternommen, in der Mikroelektronik etablierte Technologien und Prozesse in der Photovoltaik einzusetzen, um die Kosten für die Herstellung von Solarzellen noch weiter zu reduzieren bzw. die Effizienz der Solarzellen zu erhöhen. Einige dieser Technologien und Prozesse werden im Rahmen dieser Arbeit detailliert vorgestellt. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Transfer, der aus der Mikroelektronik bekannten Dotiertechnik der Ionenimplantation für eine Nutzung in Solarzellen. Hierbei liegt besonderes Augenmerk auf der Herstellung defektfreier p-Typ-Emitter-Gebiete für n-Typ-Solarzellkonzepte, z. B. Passivated Emitter and Rear, Totally diffused - PERT. Im Rahmen dieser Arbeit kann das Vorhandensein von so genannten Versetzungsschleifen, direkt mit der unerwünschten Rekombination in den ionenimplantierten Gebieten in Verbindung gebracht werden. Mithilfe der so erlangten Ergebnisse, konnten zusammen mit dem Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH), bifaziale, d. h. beidseitig lichtsammelnde, PERT-Solarzellen mit maximalen Effizienzen von 21,8 % realisiert werden. Eine weitere Steigerung der Solarzelleffizienz kann mit den im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchten passivierenden Kontakten auf Basis von polykristallinem Silizium erreicht werden. Passivierende Kontakte umgehen den Kompromiss, der bei konventionell mit Metallen kontaktierten Solarzellen zwischen metallisierter und passivierter Fläche eingegangen werden muss. So genannte POLO-Kontakte (Polysilicon on Oxide) erlauben eine elektrische Kontaktierung von Solarzellen, bei gleichzeitiger Passivierung der Oberflächen. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Eigenschaften in situ dotierter POLO-Kontakte in Abhängigkeit ihrer Herstellungsbedingungen untersucht. Gemeinsam mit dem ISFH konnte für eine rückseitig kontaktierte Solarzelle mit POLO-Kontakten eine maximale Effizienz von 26,1 % erreicht werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wird die Nutzung von photonischen Kristallen für die Nutzung in Solarzellen untersucht. Simulationen sagen voraus, dass eine regelmäßige Anordnung invertierter Pyramiden auf der Vorderseite von Solarzellen, mit Strukturmaßen von wenigen Mikrometern, zu einer erhöhten Absorption von Licht führen könnte. Auf Basis dieser Simulationen wird das maximale Effizienzpotenzial siliziumbasierter Solarzellen zu 31,6 % berechnet. Dies ist 2 % (absolut) höher als für konventionellen lambert'schen Lichteinfang möglich wäre. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Prozessfluss für die Herstellung solcher photonischer Kristalle vorgeschlagen und auf Basis von Teststrukturen untersucht. Erste POLO²-IBC-Solarzellen mit photonischen Kristallen auf den Vorderseiten zeigen, dass eine Integration derartiger Strukturen in Solarzellen möglich ist.

AB - Die Photovoltaik stellt eine wichtige Säule für eine nachhaltige Energiewandlung dar. Um das Potenzial der Photovoltaik möglichst gut ausnutzen zu können, ist es notwendig die Kosten für Solarzellen weiter zu senken. Neben den Kosten, stellt die Effizienz mit der die Solarzelle das Sonnenlicht in elektrisch nutzbare Energie wandelt, einen weiteren wichtigen Hebel für Nutzung der Photovoltaik dar. Unter Berücksichtigung von reduzierten Herstellungskosten und steigender Effizienzen, konnten so in den letzten Jahrzehnten die Kosten pro Kilowattstunde um ca. 24 % (relativ) pro Jahr reduziert werden. Neben der Photovoltaik, ist die Mikroelektronik die zweite große halbleiterbasierte Schlüsseltechnologie der vergangenen, aber auch der kommenden Jahrzehnte. Wie in der Photovoltaik, basiert die Mikroelektronik zum Großteil auf siliziumbasierten Bauelementen und Schaltungen. Beide Technologiezweige nutzen weitestgehend die gleichen Prozesse und Materialien, jedoch mit zum Teil deutlich unterschiedlichen Anforderungen. Dennoch wurden in den letzten Jahrzehnten immer wieder Versuche unternommen, in der Mikroelektronik etablierte Technologien und Prozesse in der Photovoltaik einzusetzen, um die Kosten für die Herstellung von Solarzellen noch weiter zu reduzieren bzw. die Effizienz der Solarzellen zu erhöhen. Einige dieser Technologien und Prozesse werden im Rahmen dieser Arbeit detailliert vorgestellt. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Transfer, der aus der Mikroelektronik bekannten Dotiertechnik der Ionenimplantation für eine Nutzung in Solarzellen. Hierbei liegt besonderes Augenmerk auf der Herstellung defektfreier p-Typ-Emitter-Gebiete für n-Typ-Solarzellkonzepte, z. B. Passivated Emitter and Rear, Totally diffused - PERT. Im Rahmen dieser Arbeit kann das Vorhandensein von so genannten Versetzungsschleifen, direkt mit der unerwünschten Rekombination in den ionenimplantierten Gebieten in Verbindung gebracht werden. Mithilfe der so erlangten Ergebnisse, konnten zusammen mit dem Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH), bifaziale, d. h. beidseitig lichtsammelnde, PERT-Solarzellen mit maximalen Effizienzen von 21,8 % realisiert werden. Eine weitere Steigerung der Solarzelleffizienz kann mit den im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchten passivierenden Kontakten auf Basis von polykristallinem Silizium erreicht werden. Passivierende Kontakte umgehen den Kompromiss, der bei konventionell mit Metallen kontaktierten Solarzellen zwischen metallisierter und passivierter Fläche eingegangen werden muss. So genannte POLO-Kontakte (Polysilicon on Oxide) erlauben eine elektrische Kontaktierung von Solarzellen, bei gleichzeitiger Passivierung der Oberflächen. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Eigenschaften in situ dotierter POLO-Kontakte in Abhängigkeit ihrer Herstellungsbedingungen untersucht. Gemeinsam mit dem ISFH konnte für eine rückseitig kontaktierte Solarzelle mit POLO-Kontakten eine maximale Effizienz von 26,1 % erreicht werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wird die Nutzung von photonischen Kristallen für die Nutzung in Solarzellen untersucht. Simulationen sagen voraus, dass eine regelmäßige Anordnung invertierter Pyramiden auf der Vorderseite von Solarzellen, mit Strukturmaßen von wenigen Mikrometern, zu einer erhöhten Absorption von Licht führen könnte. Auf Basis dieser Simulationen wird das maximale Effizienzpotenzial siliziumbasierter Solarzellen zu 31,6 % berechnet. Dies ist 2 % (absolut) höher als für konventionellen lambert'schen Lichteinfang möglich wäre. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Prozessfluss für die Herstellung solcher photonischer Kristalle vorgeschlagen und auf Basis von Teststrukturen untersucht. Erste POLO²-IBC-Solarzellen mit photonischen Kristallen auf den Vorderseiten zeigen, dass eine Integration derartiger Strukturen in Solarzellen möglich ist.

U2 - 10.15488/18096

DO - 10.15488/18096

M3 - Habilitationsschrift

CY - Hannover

ER -

By the same author(s)

  1. Bessel-Beam Direct Write of the Etch Mask in a Nano-Film of Alumina for High-Efficiency Si Solar Cells

    Research output: Contribution to journal › Article › Research › peer review

  2. Solar Cells on Multicrystalline Silicon Thin Films Converted from Low‐Cost Soda‐Lime Glass

    Research output: Contribution to journal › Article › Research › peer review

  3. Epitaxial growth of Nd2O3 layers on virtual SiGe substrates on Si(111)

    Research output: Contribution to journal › Article › Research › peer review

  4. Assessment of the Required Maximum-Power-Point-Tracking Speed for Vehicle-Integrated Photovoltaics Based on Transient Irradiation Measurements and Dynamic Electrical Modeling

    Research output: Contribution to journal › Article › Research › peer review

  5. Improved thermal stability at high temperature of operation (473 K) in all epitaxy Nd2O3/AlGaN/GaN MOSHEMT

    Research output: Chapter in book/report/conference proceeding › Conference contribution › Research › peer review