In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Silizium-Folien Materialien im Hinblick auf ihre Verwendung in der Photovoltaik analysiert. Beide Materialien wurden von Industriepartnern zu Forschungszwecken hergestellt und stehen vor der Kommerzialisierung.
Weiterhin wurde eine neue ortsaufgelöste Charakterisierungsmethode entwickelt, die es erlaubt, wärmeerzeugende Verlustmechanismen in pn-Strukturen und Solarzellen kontaktlos bildhaft darzustellen.
Das Folienmaterial RGS (Ribbon Growth on Substrate) wird auf einem Substrat direkt als Wafer aus der Silizium-Schmelze gezogen. Das mit einem Wafer pro Sekunde sehr schnelle Herstellungsverfahren, bei dem keine Sägeverluste anfallen, verspricht bei ausreichend hohen Wirkungsgraden eine deutliche Kostenreduktion.
RGS Material mit einer hohen und niedrigen interstitiellen Sauerstoffkonzentration wurde untersucht. Die Diffusivität von Wasserstoff ist in RGS Material mit hohem Sauerstoffgehalt durch einen zusätzlichen, auf Trapping basierenden Diffusionsmechanismus verlangsamt. Eine nur auf PECVD-SiN basierende Wasserstoff-Passivierung während eines industrie-typischen Zellprozesses ist damit nicht ausreichend. Daher wurde zusätzlich mit Hilfe der MIRHP-Technik passiviert.
Neben erhöhten Wirkungsgraden wurden bei Solarzellen aus RGS mit geringer Sauerstoffkonzentration jedoch mitunter flächige wie auch punktförmige Kurzschlüsse beobachtet. Thermographische Untersuchungen zeigten ein ohmsches Verhalten der flächenartigen Kurzschlüsse, die kohlenstoffhaltigen Defekten zugeschrieben wurden. Als Quelle punktförmiger Shunts konnte durch eine thermographische Prozessüberwachung Aluminium ausgemacht werden, das während des Legierungsvorganges durch ausgedehnte Defekte von der Zellrückseite auf die Zellvorderseite gesogen wurde.
Das Ersetzen der flächigen Rückseitenmetallisierung durch eine Gridstruktur führt wegen der reduzierten Wahrscheinlichkeit, Kurzschluss-Pfade zu kontaktieren, zu einer Erhöhung des Füllfaktors. Ein Zellkonzept mit offener Rückseitenmetallisierung, das nur einen Prozessschritt mehr als ein industrienaher Siebdruckprozess beinhaltet, zeigte als Folge von Phosphor- und Aluminium-Gettern sowie der Wasserstoff-Passivierung von Volumendefekten eine Erhöhung der Lebensdauer um den Faktor 10 von 0.5 auf 5 Mikrosekunden in sauerstoffarmem Material. Mit 13% wurde damit der bisher höchste gemessene Wirkungsgrad für eine siebgedruckte RGS Solarzelle mit einfacher Antireflexionsschicht erreicht. Mit diesem Ergebnis reduziert sich der Siliziumverbrauch pro Watt_Peak im Vergleich zu einer multikristallinen Industriesolarzelle um knapp 50%.
100 Mikrometer dünne Solarzellen, prozessiert aus unplanarisierten RGS Wafern, erreichten Effizienzen von bis zu 10.6% für einen noch nicht auf die stark reduzierte Waferdicke optimierten Zellprozess. Der Siliziumverbrauch pro Watt_Peak im Vergleich zu multikristallinen Industriesolarzellen (10.5 g/Watt_Peak) reduziert sich mit diesem Ergebnis weiter auf über 70% (2.9 g/Watt_Peak).
MW (Molded Wafer), das zweite in dieser Arbeit untersuchte Folienmaterial wird aus Siliziumpulver auf einem Substrat rekristallisiert. Der bestehende Siebdruck-Zellprozess wurde an die große Waferdicke von 500 bis 800 Mikrometer und die relativ unebenen Waferoberflächen angepasst.
MW Material, das während der Produktion gegettert wurde, zeigte im Vergleich mit ungegettertem Material mehr als eine Verdopplung der Diffusionslänge, wie durch IQE-Messungen von Solarzellen nachgewiesen wurde.
Verschiedene Isotextur-Lösungen zur Erhöhung der Kurzschlussstromdichte wurden untersucht. Das bevorzugte Ätzen von Korngrenzen und dadurch limitierte Voc-Werte durch eine der untersuchten Textur-Lösungen wurde beobachtet. Solarzellen, die mit einer weiteren Lösung texturiert wurden, zeigten hingegen keine Limitierung in der offenen Klemmenspannung, was mit um bis zu 1.3 mA/cm2 erhöhten Jsc-Werten zu dem höchsten für dieses Material veröffentlichten Wirkungsgrad einer siebgedruckten Solarzelle von 11.9% führte.
Ein Lock-In Thermographie Messplatz wurde im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut und um eine neue Messmethode, die illuminated Lock-In Thermograpy erweitert. iLIT verwendet zur Generation des Lock-In Referenzsignals keine externe Signalquelle, sondern generiert über photovoltaische Konversion das Signal in der Probe selbst. Die zu messende Probe muss dazu außer einer pn-Struktur keine Metallisierung aufweisen, was für Solarzellen ein kontaktloses und damit kontaminationsfreies Überwachen aller Prozessschritte bereits nach der Emitter-Formierung ermöglicht.
Anhand von Messungen wurde gezeigt, dass iLIT aufgrund der homogenen Injektion im Gegensatz zu LIT durch geänderte Strompfade die Verlustmechanismen, die während des realen Solarzellenbetriebs auftreten, besser beschreibt.
Der aufgebaute Messplatz diente als Prototyp für das bereits kommerzialisierte System LimoLIT Test Bench der Infratec GmbH Dresden.

Within this thesis two silicon ribbon materials were analysed regarding their utilisation in photovoltaics. Both materials were produced by industry partners for R&D purposes and are close to commercialisation.
Further on, a new spatially resolved measurement technique was developed, which allows the contactless imaging of heat dissipating loss mechanisms in pn-structures and solar cells.
The first ribbon material, RGS (Ribbon Growth on Substrate), is grown directly as a wafer from the silicon melt using a supporting substrate. The very fast producing technique (one wafer per second), with no kerf loss incurred allows for a significant cost reduction, sufficiently high cell efficiencies provided.
RGS material with a high and a low interstitial oxygen concentration was analysed. The diffusivity of hydrogen in RGS material with a high oxygen content is slowed down due to an additional trapping based diffusion mechanism. Thus, hydrogenation during an industrial-type cell process based only on PECVD-SiN is unsufficient. Hence, an additional hydrogenation step using the MIRHP-technique was applied.
Besides enhanced efficiencies of solar cells processed from low oxygen RGS material, areal and point-like shunts were sometimes observed in this material. Thermographic investigations revealed an ohmic behavior of the areal shunts which was attributed to carbon-containing defects. As a cause of the point-like shunts, aluminium was identified, which was drawn from the rear side to the front side of the cell via extended defects during alloying.
Substituting the fully covering rear side metallisation with a grid structure leads to enhanced fill factors due to a reduced probability of contacting shunts. A solar cell concept with an open rear side metallisation, which includes only one additional processing step compared to an industrial-type screen-printing process, showed due to phosphorous and aluminium gettering as well as hydrogenation of bulk defects an improvement in lifetime by a factor of 10 from 0.5 to 5 microseconds for the low oxygen material. With 13% the highest measured efficiency for a screen-printed RGS solar cell with a single anti-reflective layer was reached so far. With this result, the silicon consumption per Watt_Peak is reduced by 50% compared to a multicrystalline industrial-type solar cell.
100 microns thin solar cells processed from unplanarised RGS wafers reached efficiencies up to 10.6% using a cell process not yet optimised to the significantly reduced wafer thickness. The silicon consumption per Watt_Peak compared to multicrystalline industrial-type solar cells (10.5 g/Watt_Peak) is further reduced above 70% (2.9 g/Watt_Peak).
The second silicon ribbon material analysed within this work, MW (Molded Wafer), is recrystallised from silicon powder on a supporting substrate. The established screen-printing process was adapted to the high wafer thickness of 500-800 microns and the relatively uneven wafer surfaces.
MW material, which was gettered during production, showed a more than doubled diffusion length compared to ungettered material, as calculated from IQE-measurements of solar cells.
For this material, different isotexture solutions were tested in order to enhance short circuit current densities. One isotexture resulted in a preferred etching of grain boundaries and thus lowered Voc-values. Solar cells textured with another acidic etching solution, however, showed no limitation in the open circuit voltage. Up to 1.3 mA/cm2 enhanced Jsc-values enabled the highest efficiency of 11.9% for a screen-printed solar cell published for this material.
A Lock-In Thermography measurement setup was built up within this work and was advanced with a new measurement mode, the so called illuminated Lock-In Thermography . iLIT uses no external signal for the generation of the Lock-In reference signal but generates the signal by photovoltaic conversion within the sample. For the sample no metallisation is needed besides a pn-structure, which enables a contactless and thus contamination free monitoring of all processing steps for solar cells already after emitter formation.
LIT and iLIT was compared in terms of measurements. It was shown, that iLIT can describe loss mechanisms occurring during real solar cell operation more precisely due to a homogeneous injection and altered current paths compared to LIT.
The Lock-In Thermography setup served as a prototype for the already commercialised system LimoLIT Test Bench of Infratec GmbH Dresden.