{"id":{"repo_id":"freiburg-diss","oai_identifier":"oai:freidok.uni-freiburg.de:1795"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/freiburg-diss/oai:freidok.uni-freiburg.de:1795","repository":{"repo_id":"freiburg-diss","name":"University of Freiburg","base_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/oai/oai2.php"},"display":{"title":"Laserstrahlverfahren zur Fertigung kristalliner Silizium-Solarzellen","abstract":"Die von Eric Schneiderlöchner verfasste Arbeit \"Laserstrahlverfahren zur Fertigung kristalliner Silizium-Solarzellen\" beleuchtet ausgehend vom Stand der Technik den Einsatz von Laserstrahltechnologien in der industriellen Fertigung von Siliziumsolarzellen.
Insbesondere werden erstmals Einsatzmöglichkeiten für Festkörperlasersysteme mit Spiegelscannern zur kostensenkenden Produktion von Siliziumwafer - Solarzellen aufgezeigt. Im Vergleich zu den in der Vergangenheit untersuchten Laseranlagen mit motorischen Achsen zur Waferpositionierung erlaubt die direkte Strahlpositionierung im Falle von oberflächennahen Strukturierungen höhere Prozessgeschwindigkeiten.
Zur besseren Beurteilung der Eignung von Laserstrahlverfahren in der industriellen Solarzellenfertigung wird weiterhin aufgezeigt, welche zentralen Randbedingungen und zukünftigen Entwicklungen in der Solarzellenproduktion berücksichtigt werden müssen.
Die patentierte \"Laser - Fired Contacts (LFC)\" - Technologie zielt auf die Steigerung des Wirkungsgrads industriell gefertigter Solarzellen durch die großtechnische Umsetzung eines hocheffizienten, dielektrisch passivierten Rückseitenkontakts für Solarzellen. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Laser-Prozesstechnologie ermöglicht die Ausbildung der hierfür benötigten Kontaktpunkte durch einzelne Laserpulse eines gütegeschalteten Festkörperlasers in knapp 1,5 bis 2,3 Sekunden.
Anhand von SNMS - Messungen sowie EBIC - Untersuchungen an LFC - kontaktiertem Silizium konnte nachgewiesen werden, dass eine Aluminium p+ - Dotierung in der Kontaktzone erzielt wird. Diese p+ - Dotierung führt zur Ausbildung eines lokalen Aluminium Rückseitenfeldes (L-Al-BSF), wodurch der Kontaktwiderstand reduziert wird. Zusätzlich wird durch das L-Al-BSF die effektive Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit (ORG) der Rückseite im Vergleich zur Standard-PERC Solarzelle mit aufgedampften Kontakten abgesenkt. Damit bietet die LFC - Technologie im Vergleich zu alternativen Verfahren wie der Photolithographie oder dem mechanischen Öffnen der dielektrischen Schicht nicht nur eine vorteilhafte Prozessführung, sondern sie erlaubt auch die Realisierung höherer Wirkungsgrade.
Eine Verbiegung oder Aufwölbung der Wafer, wie sie von Siliziumsolarzellen mit ganzflächigem Aluminiumrückseitenfeld (Al-BSF) bekannt ist, tritt bei der LFC - Technologie, auch bei 40 µm dünnen PERC - Solarzellen, nicht auf. Dies stellt einen wichtigen prozesstechnischen Vorteil für die zukünftig prognostizierte Verarbeitung von weniger als 200 µm dünnen Siliziumwafern dar. Auch die überlegenen elektrischen und optischen Eigenschaften der LFC - Rückseite konnten vom Autor anhand von 12,5 x 12,5 cm² großen LFC-Solarzellen mit Siebdruckvorderseite aufgezeigt werden. Auf 170 µm dünnen, 1 Ohmcm FZ-Solarzellen mit Oxid-passivierter Rückseite und Laser-gefeuerten Kontakten wurden 17,1 % Wirkungsgrad erzielt, im Vergleich zu 16,4 % mit ganzflächigen siebgedruckten Al-BSF.
Das zweite im Rahmen der Promotionsarbeit von Herrn Schneiderlöchner entwickelte Laserstrahlverfahren behandelt die Problemstellung der Kantenisolation von Siliziumsolarzellen. Mit Hilfe dieses ebenfalls an einem Lasersystem mit Spiegelscanner entwickelten Prozesses zur Laserkantenisolation (LKI), kann eine kostengünstige und effiziente Alternative zum bislang industriell eingesetzten \"Plasmaätzen im Stapel\" kurzfristig etabliert werden. Durch die Einbringung eines Lasergrabens entlang der Kante der Solarzelle wird ein im Verlauf des Herstellungsprozesses ausgebildeter elektrischer Kurzschluss zwischen Vorder- und Rückseite der Solarzelle unterbrochen. Die sich daraus ergebenden Vorteile sind insbesondere die Verbesserung des Materialflusses und die Einsparung der kostenintensiven Ätzgase.
Die durchgeführten Untersuchungen belegen, dass bei geeigneter Wahl der Laserparameter und Einbringen des Lasergrabens von der Vorderseite Solarzellen mit hervorragendem Parallelwiderstand über 10 kW cm² hergestellt werden können. Anhand von thermographischen Untersuchungen wurden weiterhin lokal begrenzte Störungen im Bereich der Waferkante nachgewiesen, aufgrund derer die Laserkantenisolation von der Rückseite nur unzureichende Parallelwiderstände realisiert.
An 125 x 125 mm² großen, multikristallinen Solarzellen aus den Produktionslinien der 'Deutschen Cell GmbH' aus Freiberg und der \"ErSol AG\" aus Erfurt wurde in umfangreichen Versuchen die industrielle Tauglichkeit des entwickelten LKI - Prozesses erprobt. Dabei konnten mit Hilfe der LKI von der Vorderseite im Mittel gleiche Füllfaktoren (± 1 %) und Wirkungsgrade (± 0,5 %) erzielt werden wie mittels des industriell eingesetzten Plasmaätzens.
Sowohl das \"Laser-Fired Contacts\" - Verfahren als auch die Laserkantenisolation belegen erstmals das hohe Umsetzungspotential von Laserbeschriftungsanlagen mit Spiegelscannern für die Fertigung von Silizium-Wafer-Solarzellen.","abstract_html":"Die von Eric Schneiderlöchner verfasste Arbeit "Laserstrahlverfahren zur Fertigung kristalliner Silizium-Solarzellen" beleuchtet ausgehend vom Stand der Technik den Einsatz von Laserstrahltechnologien in der industriellen Fertigung von Siliziumsolarzellen. <br>Insbesondere werden erstmals Einsatzmöglichkeiten für Festkörperlasersysteme mit Spiegelscannern zur kostensenkenden Produktion von Siliziumwafer - Solarzellen aufgezeigt. Im Vergleich zu den in der Vergangenheit untersuchten Laseranlagen mit motorischen Achsen zur Waferpositionierung erlaubt die direkte Strahlpositionierung im Falle von oberflächennahen Strukturierungen höhere Prozessgeschwindigkeiten. <br>Zur besseren Beurteilung der Eignung von Laserstrahlverfahren in der industriellen Solarzellenfertigung wird weiterhin aufgezeigt, welche zentralen Randbedingungen und zukünftigen Entwicklungen in der Solarzellenproduktion berücksichtigt werden müssen. <br>Die patentierte "Laser - Fired Contacts (LFC)" - Technologie zielt auf die Steigerung des Wirkungsgrads industriell gefertigter Solarzellen durch die großtechnische Umsetzung eines hocheffizienten, dielektrisch passivierten Rückseitenkontakts für Solarzellen. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Laser-Prozesstechnologie ermöglicht die Ausbildung der hierfür benötigten Kontaktpunkte durch einzelne Laserpulse eines gütegeschalteten Festkörperlasers in knapp 1,5 bis 2,3 Sekunden. <br>Anhand von SNMS - Messungen sowie EBIC - Untersuchungen an LFC - kontaktiertem Silizium konnte nachgewiesen werden, dass eine Aluminium p+ - Dotierung in der Kontaktzone erzielt wird. Diese p+ - Dotierung führt zur Ausbildung eines lokalen Aluminium Rückseitenfeldes (L-Al-BSF), wodurch der Kontaktwiderstand reduziert wird. Zusätzlich wird durch das L-Al-BSF die effektive Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit (ORG) der Rückseite im Vergleich zur Standard-PERC Solarzelle mit aufgedampften Kontakten abgesenkt. Damit bietet die LFC - Technologie im Vergleich zu alternativen Verfahren wie der Photolithographie oder dem mechanischen Öffnen der dielektrischen Schicht nicht nur eine vorteilhafte Prozessführung, sondern sie erlaubt auch die Realisierung höherer Wirkungsgrade. <br>Eine Verbiegung oder Aufwölbung der Wafer, wie sie von Siliziumsolarzellen mit ganzflächigem Aluminiumrückseitenfeld (Al-BSF) bekannt ist, tritt bei der LFC - Technologie, auch bei 40 µm dünnen PERC - Solarzellen, nicht auf. Dies stellt einen wichtigen prozesstechnischen Vorteil für die zukünftig prognostizierte Verarbeitung von weniger als 200 µm dünnen Siliziumwafern dar. Auch die überlegenen elektrischen und optischen Eigenschaften der LFC - Rückseite konnten vom Autor anhand von 12,5 x 12,5 cm² großen LFC-Solarzellen mit Siebdruckvorderseite aufgezeigt werden. Auf 170 µm dünnen, 1 Ohmcm FZ-Solarzellen mit Oxid-passivierter Rückseite und Laser-gefeuerten Kontakten wurden 17,1 % Wirkungsgrad erzielt, im Vergleich zu 16,4 % mit ganzflächigen siebgedruckten Al-BSF. <br> <br>Das zweite im Rahmen der Promotionsarbeit von Herrn Schneiderlöchner entwickelte Laserstrahlverfahren behandelt die Problemstellung der Kantenisolation von Siliziumsolarzellen. Mit Hilfe dieses ebenfalls an einem Lasersystem mit Spiegelscanner entwickelten Prozesses zur Laserkantenisolation (LKI), kann eine kostengünstige und effiziente Alternative zum bislang industriell eingesetzten "Plasmaätzen im Stapel" kurzfristig etabliert werden. Durch die Einbringung eines Lasergrabens entlang der Kante der Solarzelle wird ein im Verlauf des Herstellungsprozesses ausgebildeter elektrischer Kurzschluss zwischen Vorder- und Rückseite der Solarzelle unterbrochen. Die sich daraus ergebenden Vorteile sind insbesondere die Verbesserung des Materialflusses und die Einsparung der kostenintensiven Ätzgase. <br>Die durchgeführten Untersuchungen belegen, dass bei geeigneter Wahl der Laserparameter und Einbringen des Lasergrabens von der Vorderseite Solarzellen mit hervorragendem Parallelwiderstand über 10 kW cm² hergestellt werden können. Anhand von thermographischen Untersuchungen wurden weiterhin lokal begrenzte Störungen im Bereich der Waferkante nachgewiesen, aufgrund derer die Laserkantenisolation von der Rückseite nur unzureichende Parallelwiderstände realisiert. <br>An 125 x 125 mm² großen, multikristallinen Solarzellen aus den Produktionslinien der 'Deutschen Cell GmbH' aus Freiberg und der "ErSol AG" aus Erfurt wurde in umfangreichen Versuchen die industrielle Tauglichkeit des entwickelten LKI - Prozesses erprobt. 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Insbesondere werden erstmals Einsatzmöglichkeiten für Festkörperlasersysteme mit Spiegelscannern zur kostensenkenden Produktion von Siliziumwafer - Solarzellen aufgezeigt. Im Vergleich zu den in der Vergangenheit untersuchten Laseranlagen mit motorischen Achsen zur Waferpositionierung erlaubt die direkte Strahlpositionierung im Falle von oberflächennahen Strukturierungen höhere Prozessgeschwindigkeiten.
Zur besseren Beurteilung der Eignung von Laserstrahlverfahren in der industriellen Solarzellenfertigung wird weiterhin aufgezeigt, welche zentralen Randbedingungen und zukünftigen Entwicklungen in der Solarzellenproduktion berücksichtigt werden müssen.
Die patentierte \"Laser - Fired Contacts (LFC)\" - Technologie zielt auf die Steigerung des Wirkungsgrads industriell gefertigter Solarzellen durch die großtechnische Umsetzung eines hocheffizienten, dielektrisch passivierten Rückseitenkontakts für Solarzellen. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Laser-Prozesstechnologie ermöglicht die Ausbildung der hierfür benötigten Kontaktpunkte durch einzelne Laserpulse eines gütegeschalteten Festkörperlasers in knapp 1,5 bis 2,3 Sekunden.
Anhand von SNMS - Messungen sowie EBIC - Untersuchungen an LFC - kontaktiertem Silizium konnte nachgewiesen werden, dass eine Aluminium p+ - Dotierung in der Kontaktzone erzielt wird. Diese p+ - Dotierung führt zur Ausbildung eines lokalen Aluminium Rückseitenfeldes (L-Al-BSF), wodurch der Kontaktwiderstand reduziert wird. Zusätzlich wird durch das L-Al-BSF die effektive Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit (ORG) der Rückseite im Vergleich zur Standard-PERC Solarzelle mit aufgedampften Kontakten abgesenkt. Damit bietet die LFC - Technologie im Vergleich zu alternativen Verfahren wie der Photolithographie oder dem mechanischen Öffnen der dielektrischen Schicht nicht nur eine vorteilhafte Prozessführung, sondern sie erlaubt auch die Realisierung höherer Wirkungsgrade.
Eine Verbiegung oder Aufwölbung der Wafer, wie sie von Siliziumsolarzellen mit ganzflächigem Aluminiumrückseitenfeld (Al-BSF) bekannt ist, tritt bei der LFC - Technologie, auch bei 40 µm dünnen PERC - Solarzellen, nicht auf. Dies stellt einen wichtigen prozesstechnischen Vorteil für die zukünftig prognostizierte Verarbeitung von weniger als 200 µm dünnen Siliziumwafern dar. Auch die überlegenen elektrischen und optischen Eigenschaften der LFC - Rückseite konnten vom Autor anhand von 12,5 x 12,5 cm² großen LFC-Solarzellen mit Siebdruckvorderseite aufgezeigt werden. Auf 170 µm dünnen, 1 Ohmcm FZ-Solarzellen mit Oxid-passivierter Rückseite und Laser-gefeuerten Kontakten wurden 17,1 % Wirkungsgrad erzielt, im Vergleich zu 16,4 % mit ganzflächigen siebgedruckten Al-BSF.
Das zweite im Rahmen der Promotionsarbeit von Herrn Schneiderlöchner entwickelte Laserstrahlverfahren behandelt die Problemstellung der Kantenisolation von Siliziumsolarzellen. Mit Hilfe dieses ebenfalls an einem Lasersystem mit Spiegelscanner entwickelten Prozesses zur Laserkantenisolation (LKI), kann eine kostengünstige und effiziente Alternative zum bislang industriell eingesetzten \"Plasmaätzen im Stapel\" kurzfristig etabliert werden. Durch die Einbringung eines Lasergrabens entlang der Kante der Solarzelle wird ein im Verlauf des Herstellungsprozesses ausgebildeter elektrischer Kurzschluss zwischen Vorder- und Rückseite der Solarzelle unterbrochen. Die sich daraus ergebenden Vorteile sind insbesondere die Verbesserung des Materialflusses und die Einsparung der kostenintensiven Ätzgase.
Die durchgeführten Untersuchungen belegen, dass bei geeigneter Wahl der Laserparameter und Einbringen des Lasergrabens von der Vorderseite Solarzellen mit hervorragendem Parallelwiderstand über 10 kW cm² hergestellt werden können. Anhand von thermographischen Untersuchungen wurden weiterhin lokal begrenzte Störungen im Bereich der Waferkante nachgewiesen, aufgrund derer die Laserkantenisolation von der Rückseite nur unzureichende Parallelwiderstände realisiert.
An 125 x 125 mm² großen, multikristallinen Solarzellen aus den Produktionslinien der 'Deutschen Cell GmbH' aus Freiberg und der \"ErSol AG\" aus Erfurt wurde in umfangreichen Versuchen die industrielle Tauglichkeit des entwickelten LKI - Prozesses erprobt. Dabei konnten mit Hilfe der LKI von der Vorderseite im Mittel gleiche Füllfaktoren (± 1 %) und Wirkungsgrade (± 0,5 %) erzielt werden wie mittels des industriell eingesetzten Plasmaätzens.
Sowohl das \"Laser-Fired Contacts\" - Verfahren als auch die Laserkantenisolation belegen erstmals das hohe Umsetzungspotential von Laserbeschriftungsanlagen mit Spiegelscannern für die Fertigung von Silizium-Wafer-Solarzellen.","Eric Schneiderlöchner's thesis \"Laser Beam Technologies for the Production of Crystalline Silicon Solar Cells\" is an overview on the field of application of laser beam technologies in industrial production of silicon solar cells.
Particularly the potential of solid state lasers featuring a scanning mirror head to cheapen the production of silicon solar cells is demonstrated for the first time. Compared to laser systems having electrically driven axes for wafer positioning, the direct beam positioning by scanning mirrors allows higher process speeds in case of near surface applications.
For a more detailed evaluation of laser beam technologies in an industrial environment it is presented, which main constraints and future developments in industrial solar cell production have to be considered. Thus, it gets evident that laser beam processes for selective production steps show the highest potential for industrial implementation.
The patented \"laser-fired contacts (LFC)\" technology aims for an efficiency increase by means of transfering a high efficiency passivated rear electrode concept into industrial production. The developed laser process technology now allows the implementation of the herefor needed contact points by single laser pulses of a q switched solid state laser in just 1.5 to 2.3 seconds.
By means of SNMS-measurements and EBIC-examinations of LFC contacted silicon it could be proven that an aluminium p+ doping is realised in the laser contact region. This p+ doping helps in reducing the contact resistance as well as in lowering the effective rear surface recombination velocity. Therefore the LFC-technology benefits compared to other competing technologies not only from its very easy, fast and stable laser processing, it furthermore also allows higher solar cell efficiencies.
A bending or warping of the wafers as known from the full area screen-printed aluminium back surface field contact does not appear when using the LFC-technology even on 40 µm thin solar cells. This is a main technical advantage especially in future when processing silicon wafers thinner than 200 µm. Furthermore the LFC-rear structure's superiour electrical and optical properties could be demonstrated on 12.5 x 12.5 cm² solar cells with screen-printed front contacts. On 170 µm thin, 1 Ohmcm float zone silicon solar cells having an oxide-passivated rear and laser-fired contacts an efficiency of 17.1 % has been realised compared to 16.4 % of the reference solar cells having a screen-printed aluminium back surface field rear contact.
The second laser beam process discussed by Mr. Schneiderlöchner in his thesis deals with the edge isolation of silicon solar cells. The developed laser edge isolation process can be seen as a cost effective alternative to the industrially used plasma etching and has been optimised on a solid state laser system with scanning mirrors as well. Even more important, the laser edge isolation process could be established already in the near future.
By laser ablating a groove alongside the edge of a solar cell the diffused electrical connection between front and rear electrode of the solar cell is cut through. Productive advantages compared to the plasma etching are especially the better material flow and that there is no need for costive etching gases and their disposal.
Optimised laser process parameters allow the production of solar cells having a very good shunt resistance as high as 10 kW cm². In extensive experiments on industrially processed 12.5 x 12.5 cm² solar cells the industrial feasibility of the developed laser edge isolation process could be demonstrated successfully. In cooperation with two German solar cell manufacturers, \"Deutsche Cell GmbH, Freiberg\" and \"ErSol AG, Erfurt\" it could be shown, that in average the same fill factors (± 1 %) and efficiencies (± 0.5 %) are reached as with the industrial plasma etching reference process.
The optimised laboratory laser process uses a beam velocity of 130 mm / s resulitng in less than 4 seconds process time for a 12.5 x 12.5 cm² solar cell. When transferring the process to state of the art Nd:YVO4 laser beam sources having pulse peak powers of more than 20 kW at 30 kHz pulse repetition rate, even a significant reduction of the process time is expected.
Recapitulating it can be stated, that in present circumstances and the ongoing developments in industrial solar cell production laser beam technologies seem to be well suited to reduce the production costs of silicon solar cells. This is especially true when processing thin silicon wafers. In connection to this the laser-fired contact technology as well as the laser edge isolation document for the first time the high implementation potential of laser systems with scanning mirror head when they are used for the production of silicon solar cells."]},{"key":"dc:format.medium","label":"Dc Format Medium","values":["application/pdf"]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Laserstrahlverfahren zur Fertigung kristalliner Silizium-Solarzellen","Laserbeam processes for the production of crystalline silicon solar cells"]}]}],"canonical_facts":{"dc:contributor":["Wittwer, Volker"],"dc:creator":["Schneiderlöchner, Eric"],"dc:description.abstract":["Die von Eric Schneiderlöchner verfasste Arbeit \"Laserstrahlverfahren zur Fertigung kristalliner Silizium-Solarzellen\" beleuchtet ausgehend vom Stand der Technik den Einsatz von Laserstrahltechnologien in der industriellen Fertigung von Siliziumsolarzellen.
Insbesondere werden erstmals Einsatzmöglichkeiten für Festkörperlasersysteme mit Spiegelscannern zur kostensenkenden Produktion von Siliziumwafer - Solarzellen aufgezeigt. Im Vergleich zu den in der Vergangenheit untersuchten Laseranlagen mit motorischen Achsen zur Waferpositionierung erlaubt die direkte Strahlpositionierung im Falle von oberflächennahen Strukturierungen höhere Prozessgeschwindigkeiten.
Zur besseren Beurteilung der Eignung von Laserstrahlverfahren in der industriellen Solarzellenfertigung wird weiterhin aufgezeigt, welche zentralen Randbedingungen und zukünftigen Entwicklungen in der Solarzellenproduktion berücksichtigt werden müssen.
Die patentierte \"Laser - Fired Contacts (LFC)\" - Technologie zielt auf die Steigerung des Wirkungsgrads industriell gefertigter Solarzellen durch die großtechnische Umsetzung eines hocheffizienten, dielektrisch passivierten Rückseitenkontakts für Solarzellen. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Laser-Prozesstechnologie ermöglicht die Ausbildung der hierfür benötigten Kontaktpunkte durch einzelne Laserpulse eines gütegeschalteten Festkörperlasers in knapp 1,5 bis 2,3 Sekunden.
Anhand von SNMS - Messungen sowie EBIC - Untersuchungen an LFC - kontaktiertem Silizium konnte nachgewiesen werden, dass eine Aluminium p+ - Dotierung in der Kontaktzone erzielt wird. Diese p+ - Dotierung führt zur Ausbildung eines lokalen Aluminium Rückseitenfeldes (L-Al-BSF), wodurch der Kontaktwiderstand reduziert wird. Zusätzlich wird durch das L-Al-BSF die effektive Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit (ORG) der Rückseite im Vergleich zur Standard-PERC Solarzelle mit aufgedampften Kontakten abgesenkt. Damit bietet die LFC - Technologie im Vergleich zu alternativen Verfahren wie der Photolithographie oder dem mechanischen Öffnen der dielektrischen Schicht nicht nur eine vorteilhafte Prozessführung, sondern sie erlaubt auch die Realisierung höherer Wirkungsgrade.
Eine Verbiegung oder Aufwölbung der Wafer, wie sie von Siliziumsolarzellen mit ganzflächigem Aluminiumrückseitenfeld (Al-BSF) bekannt ist, tritt bei der LFC - Technologie, auch bei 40 µm dünnen PERC - Solarzellen, nicht auf. Dies stellt einen wichtigen prozesstechnischen Vorteil für die zukünftig prognostizierte Verarbeitung von weniger als 200 µm dünnen Siliziumwafern dar. Auch die überlegenen elektrischen und optischen Eigenschaften der LFC - Rückseite konnten vom Autor anhand von 12,5 x 12,5 cm² großen LFC-Solarzellen mit Siebdruckvorderseite aufgezeigt werden. Auf 170 µm dünnen, 1 Ohmcm FZ-Solarzellen mit Oxid-passivierter Rückseite und Laser-gefeuerten Kontakten wurden 17,1 % Wirkungsgrad erzielt, im Vergleich zu 16,4 % mit ganzflächigen siebgedruckten Al-BSF.
Das zweite im Rahmen der Promotionsarbeit von Herrn Schneiderlöchner entwickelte Laserstrahlverfahren behandelt die Problemstellung der Kantenisolation von Siliziumsolarzellen. Mit Hilfe dieses ebenfalls an einem Lasersystem mit Spiegelscanner entwickelten Prozesses zur Laserkantenisolation (LKI), kann eine kostengünstige und effiziente Alternative zum bislang industriell eingesetzten \"Plasmaätzen im Stapel\" kurzfristig etabliert werden. Durch die Einbringung eines Lasergrabens entlang der Kante der Solarzelle wird ein im Verlauf des Herstellungsprozesses ausgebildeter elektrischer Kurzschluss zwischen Vorder- und Rückseite der Solarzelle unterbrochen. Die sich daraus ergebenden Vorteile sind insbesondere die Verbesserung des Materialflusses und die Einsparung der kostenintensiven Ätzgase.
Die durchgeführten Untersuchungen belegen, dass bei geeigneter Wahl der Laserparameter und Einbringen des Lasergrabens von der Vorderseite Solarzellen mit hervorragendem Parallelwiderstand über 10 kW cm² hergestellt werden können. Anhand von thermographischen Untersuchungen wurden weiterhin lokal begrenzte Störungen im Bereich der Waferkante nachgewiesen, aufgrund derer die Laserkantenisolation von der Rückseite nur unzureichende Parallelwiderstände realisiert.
An 125 x 125 mm² großen, multikristallinen Solarzellen aus den Produktionslinien der 'Deutschen Cell GmbH' aus Freiberg und der \"ErSol AG\" aus Erfurt wurde in umfangreichen Versuchen die industrielle Tauglichkeit des entwickelten LKI - Prozesses erprobt. Dabei konnten mit Hilfe der LKI von der Vorderseite im Mittel gleiche Füllfaktoren (± 1 %) und Wirkungsgrade (± 0,5 %) erzielt werden wie mittels des industriell eingesetzten Plasmaätzens.
Sowohl das \"Laser-Fired Contacts\" - Verfahren als auch die Laserkantenisolation belegen erstmals das hohe Umsetzungspotential von Laserbeschriftungsanlagen mit Spiegelscannern für die Fertigung von Silizium-Wafer-Solarzellen.","Eric Schneiderlöchner's thesis \"Laser Beam Technologies for the Production of Crystalline Silicon Solar Cells\" is an overview on the field of application of laser beam technologies in industrial production of silicon solar cells.
Particularly the potential of solid state lasers featuring a scanning mirror head to cheapen the production of silicon solar cells is demonstrated for the first time. Compared to laser systems having electrically driven axes for wafer positioning, the direct beam positioning by scanning mirrors allows higher process speeds in case of near surface applications.
For a more detailed evaluation of laser beam technologies in an industrial environment it is presented, which main constraints and future developments in industrial solar cell production have to be considered. Thus, it gets evident that laser beam processes for selective production steps show the highest potential for industrial implementation.
The patented \"laser-fired contacts (LFC)\" technology aims for an efficiency increase by means of transfering a high efficiency passivated rear electrode concept into industrial production. The developed laser process technology now allows the implementation of the herefor needed contact points by single laser pulses of a q switched solid state laser in just 1.5 to 2.3 seconds.
By means of SNMS-measurements and EBIC-examinations of LFC contacted silicon it could be proven that an aluminium p+ doping is realised in the laser contact region. This p+ doping helps in reducing the contact resistance as well as in lowering the effective rear surface recombination velocity. Therefore the LFC-technology benefits compared to other competing technologies not only from its very easy, fast and stable laser processing, it furthermore also allows higher solar cell efficiencies.
A bending or warping of the wafers as known from the full area screen-printed aluminium back surface field contact does not appear when using the LFC-technology even on 40 µm thin solar cells. This is a main technical advantage especially in future when processing silicon wafers thinner than 200 µm. Furthermore the LFC-rear structure's superiour electrical and optical properties could be demonstrated on 12.5 x 12.5 cm² solar cells with screen-printed front contacts. On 170 µm thin, 1 Ohmcm float zone silicon solar cells having an oxide-passivated rear and laser-fired contacts an efficiency of 17.1 % has been realised compared to 16.4 % of the reference solar cells having a screen-printed aluminium back surface field rear contact.
The second laser beam process discussed by Mr. Schneiderlöchner in his thesis deals with the edge isolation of silicon solar cells. The developed laser edge isolation process can be seen as a cost effective alternative to the industrially used plasma etching and has been optimised on a solid state laser system with scanning mirrors as well. Even more important, the laser edge isolation process could be established already in the near future.
By laser ablating a groove alongside the edge of a solar cell the diffused electrical connection between front and rear electrode of the solar cell is cut through. Productive advantages compared to the plasma etching are especially the better material flow and that there is no need for costive etching gases and their disposal.
Optimised laser process parameters allow the production of solar cells having a very good shunt resistance as high as 10 kW cm². In extensive experiments on industrially processed 12.5 x 12.5 cm² solar cells the industrial feasibility of the developed laser edge isolation process could be demonstrated successfully. In cooperation with two German solar cell manufacturers, \"Deutsche Cell GmbH, Freiberg\" and \"ErSol AG, Erfurt\" it could be shown, that in average the same fill factors (± 1 %) and efficiencies (± 0.5 %) are reached as with the industrial plasma etching reference process.
The optimised laboratory laser process uses a beam velocity of 130 mm / s resulitng in less than 4 seconds process time for a 12.5 x 12.5 cm² solar cell. When transferring the process to state of the art Nd:YVO4 laser beam sources having pulse peak powers of more than 20 kW at 30 kHz pulse repetition rate, even a significant reduction of the process time is expected.
Recapitulating it can be stated, that in present circumstances and the ongoing developments in industrial solar cell production laser beam technologies seem to be well suited to reduce the production costs of silicon solar cells. This is especially true when processing thin silicon wafers. In connection to this the laser-fired contact technology as well as the laser edge isolation document for the first time the high implementation potential of laser systems with scanning mirror head when they are used for the production of silicon solar cells."],"dc:format.medium":["application/pdf"],"dc:subject":["krsitalline Siliziumsolarzellen","Laserkantenisolation","Laser Fired Contact","LFC","crystalline silicon solar cell, laser edge isolation, laser fired contact, LFC"],"dc:title":["Laserstrahlverfahren zur Fertigung kristalliner Silizium-Solarzellen","Laserbeam processes for the production of crystalline silicon solar cells"],"dc:type":["DoctoralThesis"]},"updated_at":"2026-07-24T02:22:28Z"}