SelFi - Selektive Polysilizium Finger; Teilvorhaben centrotherm: PECVD Schichtentwicklung

Abstract

Im Projekt SelFi wurde ein industriell umsetzbarer Prozess zur Herstellung lokaler passivierter Kontakte auf TOPCon Solarzellen entwickelt, mit dem Ziel, die Zellwirkungsgrade bei möglichst geringem Zusatzaufwand zu erhöhen und die Technologie perspektivisch auch auf IBC Rückkontaktsolarzellen zu übertragen. Der Beitrag von centrotherm konzentrierte sich dabei auf die Weiterentwicklung von PECVD Schichtprozessen sowie auf die Auslegung und Industrialisierung geeigneter Anlagenkonzepte. Ausgangspunkt war ein Basisprozess für Tunneloxid, amorphes Silizium und verschiedene Sperrschichten, der sich im Projektverlauf als weitgehend kompatibel mit bestehenden Standardprozessen erwies, jedoch gezielt optimiert und auf größere Waferformate sowie industrielle Anlagenbedingungen übertragen wurde. Der wichtigste Innovationsschwerpunkt des Projekts lag in der Entwicklung und Optimierung der Gasverteilung innerhalb der PECVD Prozesse. Sowohl für neuartige Metallkammeranlagen als auch für klassische Quarzrohranlagen wurden neue Gasverteilerkonzepte und Gaseinspeiselanzen entwickelt, die eine deutlich homogenere Beschichtung ermöglichen. Dadurch konnte die Abscheiderate um bis zu 44 % gesteigert und gleichzeitig die Prozesszeit um etwa 31 % reduziert werden, was unmittelbar zu einer Verbesserung von Durchsatz und Ressourceneffizienz führte. Gleichzeitig wurden Homogenitäten erreicht, die signifikant über denen klassischer Anlagen liegen. Parallel dazu wurde eine neue Generation von PECVD Hochdurchsatzanlagen mit Metallkammern entwickelt. Diese zeichnen sich durch eine flexible Gasführung, direkt beheizbare Graphitboote und eine deutlich bessere Anpassung von Prozessvolumen zu Bootgröße aus. Im Projektverlauf konnten diese Anlagen erfolgreich in Betrieb genommen, qualifiziert und bei einem Pilotkunden im 24/7 Betrieb getestet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass mit diesen Anlagen sowohl eine sehr hohe Schichthomogenität als auch ein erheblich reduzierter Gasverbrauch von potenziell 60-80 % pro Wafer erreichbar ist. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Optimierung des Tunneloxids und der thermischen Prozessführung. Es gelang, ultradünne Tunneloxide mit einer Dicke von etwa 1,9 nm bei hoher Homogenität herzustellen. Die daraus resultierenden elektrischen Eigenschaften, insbesondere Minoritätsladungsträgerlebensdauern im Millisekundenbereich und ein Potenzial von bis zu 740 mV, zeigen, dass das PECVD Tunneloxid im entwickelten Prozess keine Limitierung für industrielle TOPCon Solarzellen dar-stellt. Gleichzeitig wurden durch angepasste Temperaturstrategien Prozessstabilität, Anlagenverfügbarkeit und mechanische Integrität der Wafer deutlich verbessert. Neben der Entwicklung neuer Anlagen wurde großer Wert auf die Nachrüstbarkeit bestehender PECVD Systeme gelegt. Die entwickelten Gasverteilungskonzepte können auch in klassische Rohranlagen integriert werden und ermöglichen dort eine Durchsatzsteigerung von etwa 20-30 % bei gleichzeitig reduziertem Gasverbrauch. Aufgrund des geringen notwendigen Investitionsaufwands stellt diese Nachrüstung einen besonders effizienten Hebel zur kurzfristigen Verbesserung bestehender Produktionslinien dar. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass neuartige Metallkammeranlagen langfristig ein noch höheres Effizienzpotenzial bieten, unter anderem durch deutlich höhere Abscheideraten und eine bessere Ausnutzung des Prozessraums. Insgesamt entwickelte sich das Projekt von der reinen Schichtentwicklung hin zu einer umfassenden Optimierung von Anlagen, Prozessen und industrieller Umsetzung. Die erzielten Ergebnisse sind sowohl technologisch als auch wirtschaftlich relevant und wurden bereits bei Pilotkunden erfolgreich validiert. Damit liefert das Projekt eine direkt umsetzbare Grundlage für effizientere und leistungsfähigere Produktionsprozesse in der industriellen Fertigung von hocheffizienten Siliziumsolarzellen.