DE102015219087A1 - Verfahren zur Stabilisierung der Konversionseffizienz von Siliziumsolarzellen - Google Patents

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Marcus Gläser
Dominik Lausch
Jörg Bagdahn
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Konversionseffizienz von Siliziumsolarzellen, bei dem ohne Beleuchtung der Solarzellen eine externe elektrische Spannung an die elektrischen Kontakte der Solarzellen angelegt wird, um Ladungsträger in das Siliziumsubstrat zu injizieren. Die Solarzellen werden dabei auf eine Temperatur oberhalb einer Mindesttemperatur erhitzt und für einen Haltezeitraum oberhalb dieser Mindesttemperatur gehalten, während die externe elektrische Spannung an den Solarzellen anliegt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromstärke eines durch die angelegte elektrische Spannung in den Solarzellen fließenden Stroms und die Temperatur der Solarzellen nach Ablauf des Haltezeitraums in einer Abkühlphase jeweils so aufeinander abgestimmt reduziert werden, dass während dieser Abkühlphase bei jeder Temperatur eine möglichst hohe Konzentration an neutralem Wasserstoff im Siliziumsubstrat erhalten wird. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich die Konversionseffizienz von Solarzellen in einem sehr kurzen Behandlungsprozess stabilisieren, ohne hierdurch eine Reduzierung der Konversionseffizienz gegenüber einer Behandlung bei geringeren Temperaturen zu verursachen.

Description

  • Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Konversionseffizienz von Siliziumsolarzellen, bei dem ohne Beleuchtung der Solarzellen eine externe elektrische Spannung an die elektrischen Kontakte der Solarzellen angelegt wird, um Ladungsträger in das Siliziumsubstrat zu injizieren, wobei die Solarzellen auf eine Temperatur oberhalb einer Mindesttemperatur erhitzt und für einen Haltezeitraum oberhalb dieser Mindesttemperatur gehalten werden, während die externe elektrische Spannung an den Solarzellen anliegt bzw. variiert wird.
  • Die lichtinduzierte Degradation von monokristallinen Bor-dotierten Siliziumsolarzellen und die lichtinduzierte Degradation von multi- und monokristallinen PERC Solarzellen (PERC: Passivated Emitter Rear Cell) unter erhöhten Temperaturen führen zu einem starken Abfall der Bulk-Lebensdauer und damit zu einer niedrigeren Konversionseffizienz der Solarmodule während des Betriebs im Feld. Die lichtinduzierte Degradation beruht auf einer chemischen Reaktion im Siliziumsubstrat, welche durch eine Verschiebung des elektrochemischen Potentials (Ferminiveau) induziert wird und dabei exponentiell mit der Temperatur skaliert. Die Ursache für die lichtinduzierte Degradation bei monokristallinen p-Typ Solarzellen wird in der Rekonstruktion latenter Bor-Sauerstoff (BO) Komplexe gesehen, welche Defektniveaus in der Mitte der Bandlücke generieren und damit die Bulkrekombinationsgeschwindigkeit erhöhen. Eine erhöhte Bulkrekombinationsgeschwindigkeit führt wiederum zu einer signifikanten Reduzierung der Konversionseffizienz der Solarzelle.
  • Bei Untersuchungen des Degradationsverhaltens von monokristallinen p-Typ Solarzellen wurde ein subsequenter Prozess während der lichtinduzierten Degradation entdeckt, welcher unter Injektion von Ladungsträgern zu einem erneuten Anstieg und damit einer Erholung der Bulklebensdauer und der Konversionseffizienz führt. Eine Voraussetzung für diese sog. Regeneration wird im Vorhandensein von monoatomarem Wasserstoff gesehen, der während der Kontakt-Feuerung bei der Herstellung der Solarzellen aus der wasserstoffreichen Siliziumnitridschicht in das Bulkmaterial des Siliziums diffundiert.
  • Auf Basis transienter Untersuchungen und Modellierungen der Defektkonzentration in Abhängigkeit der Temperatur und Ladungsträgerinjektion konnten in M. Gläser et al., „Towards a quantitative model for BO regeneration by means of charge state control of hydrogen", Energy Procedia, Vol. 77, 2015, Seiten 592–598, folgende Voraussetzungen für einen erfolgreichen und schnellen Regenerationsprozess und damit der langzeitstabilen Ausheilung von lichtinduzierten rekombinationsaktiven Defekten gefunden werden:
    • – Eine wasserstoffreiche dielektrische Schicht als Quelle für monoatomaren Wasserstoff, welcher nach der Feuerung in hohen Konzentrationen im Siliziumsubstrat zur Verfügung steht;
    • – erhöhte Temperaturen zur Beschleunigung der chemischen Reaktionen (Defektbildung als auch Regeneration); und
    • – Bereitstellung neutralen Wasserstoffs (H0) durch Kontrolle des Quasiferminiveaus.
  • Die Regeneration stellt dabei einen diffusionsgesteuerten subsequenten Prozess zur Degradation dar. Neutraler Wasserstoff, der eine hohe Diffusivität innerhalb des Siliziums zeigt, ist dabei der entscheidende Reaktionspartner zur Passivierung von BO-Defekten. Wesentliche Faktoren für die schnelle Regeneration im Zeitbereich von Sekunden sind die Reaktionsgeschwindigkeiten der Defektbildung und der konsekutiven Passivierung dieser Defekte. Die Reaktionsgeschwindigkeiten können durch Verwendung erhöhter Temperaturen angehoben werden. Die Beschleunigung der Bildung von Defekten führt aufgrund der konsekutiven Natur der Regeneration auch zu einer Beschleunigung der Defektpassivierung. Die Bildung von BO-Defekten ist dabei proportional zur Löcherdichte im Siliziummaterial, so dass hohe Ladungsträgerinjektionen eine Regeneration im Sekundenbereich ermöglichen.
  • Stand der Technik
  • Eine Anwendung der oben beschriebenen Regeneration von BO-Defekten wird bspw. in der DE 10 2006 012 920 B3 beschrieben. Diese Druckschrift befasst sich mit der Herstellung eines Photovoltaikelements mit stabilisiertem Wirkungsgrad. Für die Ladungsträgerinjektion wird hierbei entweder eine Lichtquelle zur Beleuchtung der Solarzellen oder eine externe Spannungsquelle vorgeschlagen, über die eine elektrische Spannung an die elektrischen Kontakte angelegt wird, um die Ladungsträger in das Siliziumsubstrat zu injizieren. Die Solarzellen werden auf eine erhöhte Temperatur gebracht, während sie beleuchtet bzw. mit der externen elektrischen Spannung beaufschlagt werden. In dieser Druckschrift wird eine obere Grenze für die Temperatur von 230°C angegeben, da oberhalb dieser Temperatur nach Angabe der Autoren der Wirkungsgradstabilisierungseffekt abgeschwächt wird. Die Behandlungsdauer der Solarzellen liegt in den bevorzugten Ausgestaltungen dieser Druckschrift bei mindestens 20 Minuten. Darüber hinaus ist in der Druckschrift nicht über den eigentlichen Verlauf der Temperatur und der Injektion geschrieben.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Stabilisierung der Konversionseffizienz von Siliziumsolarzellen anzugeben, das eine schnellere Regeneration von Siliziumsolarzellen ermöglicht, wie sie im industriellen Maßstab erforderlich ist, ohne die Konversionseffizienz der Solarzellen damit gegenüber dem bekannten Regenerationsverfahren zu erniedrigen.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Stabilisierung der Konversionseffizienz von Siliziumsolarzellen, die ein Siliziumsubstrat mit einer darauf befindlichen dielektrischen Schicht und elektrischen Kontakten aufweisen, wobei in der dielektrischen Schicht Wasserstoff enthalten ist, der in das Siliziumsubstrat diffundieren kann, wird über die elektrischen Kontakte eine externe elektrische Spannung an die Solarzellen angelegt, um Ladungsträger in das Siliziumsubstrat zu injizieren. Die Injektion der Ladungsträger erfolgt dabei über den Strom, der durch die angelegte externe elektrische Spannung in den Solarzellen fließt. Die Solarzellen werden bereits vor oder während des Anliegens der elektrischen Spannung auf eine Temperatur oberhalb einer Mindesttemperatur von vorzugsweise 230°C erhitzt und für einen Zeitraum, in der vorliegenden Patentanmeldung als Haltezeitraum bezeichnet, oberhalb dieser Mindesttemperatur gehalten, während die elektrische Spannung an den Solarzellen anliegt und somit der Strom durch die Solarzellen fließt. Die Solarzellen werden dabei nicht beleuchtet, d.h. bspw. entsprechend abgedeckt oder im Dunkeln mit der elektrischen Spannung beaufschlagt. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromstärke des durch die Solarzellen fließenden Stroms und die Temperatur der Solarzellen nach Ablauf des Haltezeitraums in einer Abkühlphase jeweils so aufeinander abgestimmt reduziert werden, dass während dieser Abkühlphase bei jeder Temperatur eine möglichst hohe, vorzugsweise maximal mögliche, Konzentration an neutralem Wasserstoff im Siliziumsubstrat erhalten wird. In der Abkühlphase wird somit die Stromstärke über die externe elektrische Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur bzw. dem Temperaturverlauf kontrolliert reduziert.
  • Dadurch wird in der Abkühlphase eine Aufspaltung bereits passivierter Defekte verhindert und damit eine maximale Passivierung der im Material vorhandenen Defekte erreicht, was nach dem Verfahren des Standes der Technik nicht vorgesehen ist und es somit zu einer unvollständigen Passivierung kommt. Der Abkühlprozess wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren also zusätzlich für die Regeneration verwendet, so dass eine effektive und wirtschaftlich effiziente Prozessführung realisiert wird. Durch diese hinsichtlich Temperatur und externer Spannung bzw. Stromstärke kontrollierte Abkühlphase kann auch die im Stand der Technik bei Temperaturen oberhalb von 230°C berichtete Reduzierung der Konversionseffizienz vermieden werden kann, da auch während der Abkühlphase jederzeit eine entsprechend hohe Konzentration an nicht-geladenem Wasserstoff im Siliziumsubstrat vorhanden ist, der für eine Passivierung der temperaturbedingt neu entstehenden Defekte sorgt. Über die Stromstärke lässt sich dieser Prozess sehr vorteilhaft steuern. Die jeweils erforderliche Stromstärke in Abhängigkeit von der Temperatur kann dabei mit Modellrechnungen vorab ermittelt werden, bspw. durch eine Modellrechnung, wie sie in der eingangs genannten Veröffentlichung von M. Gläser et al. beschrieben ist. Es ist auch möglich, bei gegebenem Temperaturverlauf einen optimalen Verlauf der Stromstärke in der Abkühlphase vorab experimentell für den entsprechenden Solarzellentyp zu ermitteln- oder bei gegebener Stromstärke einen optimalen Verlauf der Temperatur. Bei dem optimalen Verlauf wird die größte Konversionseffizienz der entsprechend behandelten Solarzelle erreicht.
  • Durch das vorgeschlagene Verfahren lassen sich die Solarzellen auch auf höhere Temperaturen aufheizen, durch die deutlich niedrigere Regenerationszeiten bei vergleichbar hoher Konversionseffizienz im Vergleich zu einer Behandlung bei niedrigeren Temperaturen erreicht werden können. Das Verfahren ermöglicht daher eine schnelle Regeneration bzw. Stabilisierung der Konversionseffizienz von Solarzellen im industriellen Maßstab. Das Verfahren lässt sich sowohl mit einzelnen Solarzellen als auch mit Solarmodulen durchführen, in denen die Solarzellen angeordnet sind. Hierbei können jeweils mehrere Solarzellen oder mehrere Solarmodule mit den Solarzellen elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet werden, wobei dann die externe elektrische Spannung an die Parallel- oder Reihenschaltung der Solarzellen bzw. Solarmodule angelegt wird. Die externe elektrische Spannung muss dabei selbstverständlich so dimensioniert werden, dass der gewünschte Spannungswert an jeder der Solarzellen anliegt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung werden jeweils mehrere Solarzellen übereinander gestapelt, so dass sie mit ihren elektrischen Kontakten aufeinander liegen und damit eine elektrische Parallel- oder Reihenschaltung bilden. Besonders bevorzugt wird ein derartiger Stapel zwischen zwei metallische Platten gebracht, durch die der elektrische Kontakt der Oberseite der obersten Solarzelle und der elektrische Kontakt auf der Unterseite der untersten Solarzelle elektrisch kontaktiert werden. An die metallischen Platten wird dann die entsprechende externe elektrische Spannung angelegt. Die Kontaktierung kann dabei auch durch leichten Anpressdruck der Platten gegen den Stapel aus Solarzellen unterstützt werden. Durch diese Stapelbildung lässt sich das Verfahren sehr platzsparend und aufgrund der gleichzeitigen Behandlung mehrerer Solarzellen auch zeitsparend durchführen.
  • Die Aufheizung der Solarzellen kann mit unterschiedlichen Mitteln erfolgen. So können die Solarzellen bspw. mit einer Heizplatte, einem oder mehreren Heizstrahlern, wie bspw. IR-Strahlern, durch Umströmung oder auch in einem Ofen auf die Temperatur oberhalb der Mindesttemperatur aufgeheizt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Aufheizung direkt über die extern in Durchlassrichtung des pn-Übergangs der Solarzellen angelegte elektrische Spannung bzw. den aufgrund dieser Spannung durch die Solarzellen fließenden Strom.
  • Weiterhin erfolgt vorzugsweise eine zusätzliche Kühlung der Solarzellen. Diese zusätzliche Kühlung kann entweder nur in der Abkühlphase oder auch während des Haltezeitraums eingesetzt werden. Während des Haltezeitraums kann damit eine zu starke Aufheizung vermieden und/oder die Temperatur der Solarzellen auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Während der Abkühlphase dient diese Kühlung der kontrollierten Reduzierung der Temperatur der Solarzellen. Die Kühlung kann bspw. durch Umlüftung, durch Wasserkühlung, durch Peltier-Kühlung oder eine beliebige Kombination hiervon realisiert werden, ist jedoch nicht auf diese Kühltechniken beschränkt.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Stromstärke vorzugsweise auch während des Haltezeitraums derart gesteuert, dass eine möglichst hohe, vorzugsweise maximal mögliche, Konzentration an neutralem Wasserstoff im Siliziumsubstrat vorliegt. Die erforderliche Stromstärke hängt vor allem von der Temperatur und der Dotierkonzentration in den Siliziumsolarzellen ab und kann ebenfalls im Vorfeld bspw. durch entsprechende Modellrechnungen bestimmt werden.
  • Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird über die externe elektrische Spannung bzw. Stromstärke die Lage des Quasiferminiveaus und damit auch die Konzentration von neutralem Wasserstoff und der Ladungsträgerdichte im Siliziumsubstrat gesteuert. Es ist dafür lediglich eine geeignete Wärmequelle sowie eine externe Strom- bzw. Spannungsquelle erforderlich. Bei Nutzung der externen Strom- bzw. Spannungsquelle für die Aufheizung kann auf eine zusätzliche Wärmequelle verzichtet werden. Das Verfahren ermöglicht aufgrund der kurzen Behandlungszeiten und der geringen Anzahl an Geräten, die für die Durchführung erforderlich sind, erhebliche Einsparungen in der industriellen Umsetzung. Durch die Serien- und/oder Parallelverschaltung mehrerer Solarzellen oder Solarmodule kann eine zusätzliche Erhöhung des Durchsatzes bei der Regeneration erreicht werden. Insbesondere bietet die Möglichkeit der Stapelung der Solarzellen einen erheblichen Vorteil gegenüber einer Behandlung, bei der die Solarzellen für die Ladungsträgerinjektion beleuchtet werden müssen. Der benötigte enge Parameterraum kann über die externe Spannung und die Temperatur exakt und sehr dynamisch kontrolliert werden. Der Prozess kann ohne weiteres schnell variiert und beschleunigt werden. Für eine schnelle Durchführung des Verfahrens werden die Solarzellen vorzugsweise auf Temperaturen von ≥ 400°C aufgeheizt. Der Haltezeitraum kann dann auch < 150 s betragen.
  • Das Verfahren lässt sich sowohl für Siliziumsolarzellen einsetzen, die mit dem Czochralski(Cz)-Verfahren hergestellt wurden, als auch für PERC-Solarzellen oder Dünnschichtsolarzellen. Weiterhin ist das Verfahren auch nicht auf p-Typ Solarzellen beschränkt, sondern lässt sich auch auf n-Typ Solarzellen übertragen. Besonders vorteilhaft wird das Verfahren bereits während der Herstellung der Solarzellen, unmittelbar nach der Feuerung der Kontakte durchgeführt. Prinzipiell lässt sich das Verfahren jedoch auch mit fertig gestellten Solarzellen bzw. Solarmodulen durchführen.
  • Eine Prüfung der Solarzellen, deren Konversionseffizienz mit dem Verfahren stabilisiert werden soll oder bereits stabilisiert wurde, kann durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung an die elektrischen Kontakte dieser Solarzellen erfolgen. Diese externe elektrische Spannung wird für einen bestimmten Zeitraum an die Solarzelle angelegt und noch während oder nach Ablauf dieses Zeitraums die offene Klemmenspannung der Solarzellen gemessen. Zur Beschleunigung der Prüfung kann zusätzlich die Temperatur erhöht werden. Anhand der Klemmenspannung kann dann durch Vergleich mit einer vor Anlegen der externen Spannung unter sonst gleichen Bedingungen gemessenen offenen Klemmenspannung eine Aussage darüber getroffen werden, ob die Solarzellen in ihrer Konversionseffizienz bereits stabilisiert sind oder nicht.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Variante zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
  • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens; und
  • 3 ein Beispiel für den Temperatur- und Stromverlauf (Injektionsverlauf) während der Abkühlphase beim vorgeschlagenen Verfahren.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Im Folgenden wird das vorgeschlagene Verfahren anhand der Stabilisierung der Konversionseffizienz von p-Typ Siliziumsolarzellen nochmals beispielhaft erläutert. Dabei wird über eine externe elektrische Spannung, die im Dunkeln an die Solarzellen angelegt wird, die Konzentration an nicht geladenem Wasserstoff sowie die Löcherdichte im Siliziumsubstrat bei erhöhten Temperaturen > 230°C kontrolliert. Die Solarzellen weisen dabei auf ihrer Oberfläche in bekannter Weise eine SiN-Schicht auf, die als Antireflexionsschicht dient. Eine derartige SiN-Schicht enthält einen hohen Anteil an Wasserstoff, von dem ein Teil vor allem bei höheren Temperaturen in das Siliziummaterial diffundiert.
  • Im vorliegenden Beispiel werden die Solarzellen in einem der Kontaktfeuerung nachgelagertem Prozess mit dem vorgeschlagenen Verfahren behandelt. Durch die hohen Temperaturen bei der Kontaktfeuerung diffundiert ein Anteil des Wasserstoffs der SiN-Schicht in das Siliziumsubstrat und kann dort zur Regeneration beitragen. Die Regeneration ist ein diffusionslimitierter Prozess, bei dem neutraler Wasserstoff als Spezies mit hoher Diffusivität bereit gestellt werden muss. Durch geeignete Ladungsträgerinjektion wird der nach der Kontaktfeuerung im Siliziumbulk vorhandene monoatomare Wasserstoff neutralisiert und somit die Regeneration initialisert. Im Folgenden werden die für die Stabilisierung der Siliziumsolarzellen im vorliegenden Beispiel durchgeführten Schritte und Maßnahmen aufgeführt.
    • – Die Solarzellen werden entweder in Serie oder parallel verschaltet oder einzeln über ihre Kontakte elektrisch kontaktiert.
    • – Die Kontaktierung erfolgt in diesem Beispiel durch einfaches Stapeln der Solarzellen mit leichtem Anpressdruck.
    • – Die Solarzellen werden auf eine Temperatur oberhalb von 230°C aufgeheizt. Die Höhe der Temperatur wird dabei in Abhängigkeit von der gewünschten Behandlungsdauer bis zu einer Maximaltemperatur gewählt, die knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Siliziums liegen kann. Die Aufheizung kann bspw. mittels Umströmung, mittels Heizplatte oder durch einen elektrischen Strom in Vorwärtsrichtung durch die Solarzellen erfolgen. Auch eine Kombination unterschiedlicher Aufheiztechniken ist möglich.
    • – Die Solarzellen werden mittels einer externen elektrischen Spannungsquelle im Dunkeln bestromt. Die elektrische Spannung bzw. der daraus resultierende Strom führt zur Injektion von Ladungsträgern, welche für den Regenerationsprozess benötigt werden.
    • – Die Stromstärke wird derart kontrolliert, dass die Lage des Ferminiveaus in Abhängigkeit der Basisdotierung des Siliziumsubstrats und der Temperatur eine möglichst hohe Konzentration an nicht-geladenem Wasserstoff im Siliziummaterial zur Folge hat und eine möglichst hohe Löcherdichte p in die Solarzellen induziert und dass – bei Verwendung des elektrischen Stromes für die Aufheizung – eine Einstellung der gewünschten Temperaturen bei gleichzeitiger Beachtung der nötigen Ladungsträgerinjektion erfolgt.
    • – Die Solarzellen werden im Anschluss an einen Haltezeitraum, innerhalb dessen die Temperatur der Solarzellen oberhalb der Mindesttemperatur liegt und die externe Spannung anliegt, in einer Abkühlphase abgekühlt, während der die Stromstärke in Abhängigkeit von der Temperatur reduziert wird. Die Reduktion der Stromstärke erfolgt dabei wiederum so, dass jeweils eine möglichst hohe bzw. maximale Konzentration an neutralem Wasserstoff und eine möglichst hohe Löcherdichte im Siliziumsubstrat vorliegt und dennoch eine Abkühlung der Solarzellen bzw. Solarmodule erfolgen kann.
  • Eine aktive Beschleunigung der Abkühlung kann durch Verwendung einer entsprechenden Umlüftung, durch Wasserkühlung oder durch Peltier-Kühlung erfolgen. Die Bestimmung der notwendigen Stromstärke bzw. externen elektrischen Spannung, welche pro Solarzelle während des Haltezeitraums und während der Abkühlphase abfällt und damit die Lage des Quasiferminiveaus in Abhängigkeit der Temperatur der Solarzellen und Basisdotierungen steuert, erfolgt vorzugsweise unter Verwendung eines auf einem Modell basierenden mathematischen Algorithmus.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Beispiel einer Ausgestaltung für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens. In diesem Beispiel wird ein geschlossenes Behältnis 1 mit einem steuerbaren Wärmeübergangskoeffizienten eingesetzt, das eine Kombination aus Durchflusskühlung und Umströmung zur Kühlung der Solarzellen nutzt. In dieses Behältnis 1 wird ein Stapel 2 aus einzelnen Solarzellen oder Solarmodulen eingebracht. Der Stapel wird dabei an der Ober- und Unterseite elektrisch kontaktiert, um über eine regelbare elektrische Strom- bzw. Spannungsquelle 3 eine entsprechende externe Spannung an die Solarzellen anzulegen. Die regelbare elektrische Strom- bzw. Spannungsquelle 3 dient hierbei sowohl der Ladungsträgerinjektion als auch der Temperatureinstellung der Solarzellen. In der Figur ist schematisch in der Wand des Behältnisses eine Kühlschlange mit einem Einlass 4 und einem Auslass 5 für das Kühlmedium angedeutet. Im Boden des Behältnisses 1 befindet sich ein Ventilator 6, der Kühlluft zur Umströmung der Solarzellen in das Behältnis 1 führen kann.
  • Der Strom bzw. die Spannung der regelbaren elektrischen Strom- bzw. Spannungsquelle 3 wird derart gesteuert, dass eine Erwärmung der Solarzellen im gewünschten Temperaturbereich erfolgt und auch eine für die Regeneration ausreichende Ladungsträgerinjektion zur Steuerung der H0 Konzentration und Löcherkonzentration für die Beschleunigung der BO-Defektbildung im Siliziumsubstrat der Solarzellen erreicht wird. Die Temperatur und Stromstärke werden während eines Haltezeitraums vorzugsweise konstant aufrecht erhalten. Im Anschluss an den Haltezeitraum werden der Strom bzw. die Spannung derart gesteuert, dass eine Abkühlung der Solarzellen auf Raumtemperatur erfolgt wobei gleichzeitig jederzeit eine Aufrechterhaltung einer für die Regeneration ausreichenden Ladungsträgerinjektion zur Steuerung der H0 Konzentration als auch Löcherdichte in Abhängigkeit des Temperaturprofils der Solarzellen gewährleitstet wird. Zur Beschleunigung des Abkühlprozesses wird in diesem Beispiel eine aktive Kühlung im Rahmen der dargestellten Umluft- und/oder Durchflusskühlung mit einem geeigneten Kühlmittel hoher Wärmekapazität verwendet.
  • 2 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens. In diesem Beispiel wird wiederum ein Stapel 2 aus einzelnen Solarzellen gebildet und über eine regelbare elektrische Strom- oder Spannungsquelle 3 elektrisch kontaktiert. Die Aufheizung der Solarzellen erfolgt in diesem Beispiel in einem Durchlaufofen 7. Nach Verlassen des Durchlaufofens 7 werden die Solarzellen in der Abkühlphase wiederum zusätzlich gekühlt, im vorliegenden Beispiel durch den Ventilator 6 in Form einer Umluftkühlung.
  • Der Solarzellenstapel 2 kann selbstverständlich in einer derartigen Ausgestaltungsvariante anstelle des Durchlaufofens 7 auch bspw. mit Hilfe eines IR-Strahlers auf die benötigte Temperatur gebracht werden. Der Strom bzw. die Spannung wird wiederum in Abhängigkeit der Temperatur des Solarzellenstapels 2 derart gesteuert, dass eine für die Regeneration ausreichende Ladungsträgerinjektion zur Steuerung der H0 Konzentration und der Löcherkonzentration für die Beschleunigung der BO-Defektbildung vorliegt. In der Abkühlphase wird im Anschluss an den Haltezeitraum der Strom bzw. die Spannung derart gesteuert, dass die Aufrechterhaltung einer für die Regeneration ausreichenden Ladungsträgerinjektion zur Steuerung der H0 Konzentration als auch Löcherdichte in Abhängigkeit des Temperaturprofils des Solarzellenstapels gewährleistet wird. Der Abkühlprozess kann auch hier zusätzlich oder alternativ zur Umlüftung auch mit einer Durchflusskühlung mit einem geeigneten Kühlmittel hoher Wärmekapazität oder durch Peltier-Kühlung unterstützt werden.
  • 3 zeigt schließlich ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf der Temperatur der Solarzellen während des Behandlungsprozesses, einen hinsichtlich der ausreichenden Konzentration an neutralem Wasserstoff gewählten zeitlichen Verlauf der externen Stromstärke, durch den die Aufrechterhaltung der innerhalb des Haltezeitraums erreichten Konversionseffizienz gewährleistet wird sowie den zeitlichen Verlauf der Konzentration an passivierten Defekten. In der Figur sind die drei Phasen der Behandlung, d.h. die Aufheizphase, die Haltephase (Haltezeitraum) und die Abkühlphase zu erkennen. Durch die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren aufeinander abgestimmte Reduzierung der Stromstärke und der Temperatur wird in der Abkühlphase eine weitere Passivierung der Defekte erreicht. Der dargestellte Verlauf ist hierbei nur beispielhaft zu sehen, da die aufeinander abgestimmte Reduzierung vor allem bei anderen Solarzellentypen auch in anderer Weise erfolgen kann. So kann bspw. die Stromstärke ausgehend von der Haltephase beispielsweise auch stufenweise reduziert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Behältnis mit steuerbarem Wärmeübergangskoeffizienten
    2
    Solarzellen- bzw. Solarmodulstapel
    3
    regelbare externe Strom- oder Spannungsquelle
    4
    Kühlmitteleinlass
    5
    Kühlmittelauslass
    6
    Ventilator
    7
    Durchlaufofen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006012920 B3 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • M. Gläser et al., „Towards a quantitative model for BO regeneration by means of charge state control of hydrogen“, Energy Procedia, Vol. 77, 2015, Seiten 592–598 [0004]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Stabilisierung der Konversionseffizienz von Siliziumsolarzellen, die ein Siliziumsubstrat mit einer darauf befindlichen dielektrischen Schicht und elektrischen Kontakten aufweisen, wobei in der dielektrischen Schicht Wasserstoff enthalten ist, der in das Siliziumsubstrat diffundieren kann, bei dem – ohne Beleuchtung der Solarzellen eine externe elektrische Spannung an die elektrischen Kontakte angelegt wird, um Ladungsträger in das Siliziumsubstrat zu injizieren, und – die Solarzellen auf eine Temperatur oberhalb einer Mindesttemperatur aufgeheizt und für einen Haltezeitraum oberhalb dieser Mindesttemperatur gehalten werden, während die externe elektrische Spannung an den Solarzellen anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromstärke eines durch die angelegte elektrische Spannung in den Solarzellen fließenden Stroms und die Temperatur der Solarzellen nach Ablauf des Haltezeitraums in einer Abkühlphase jeweils so aufeinander abgestimmt reduziert werden, dass während dieser Abkühlphase bei jeder Temperatur eine möglichst hohe Konzentration an neutralem Wasserstoff im Siliziumsubstrat erhalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander abgestimmte Reduzierung der Stromstärke und der Temperatur der Solarzellen in der Abkühlphase mit Hilfe einer Modellrechnung bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen auf eine Temperatur oberhalb einer Mindesttemperatur von 230°C erhitzt und für den Haltezeitraum oberhalb dieser Mindesttemperatur gehalten werden, während die externe elektrische Spannung an den Solarzellen anliegt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anlegen der externen elektrischen Spannung mehrere der Solarzellen übereinander gestapelt zwischen zwei metallische Platten gebracht werden, zwischen denen die externe elektrische Spannung angelegt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Solarzellen oder mehrere Solarmodule mit den Solarzellen parallel oder in Reihe geschaltet werden und die externe elektrische Spannung an die Parallel- oder Reihenschaltung der Solarzellen oder Solarmodule angelegt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen mit einer Heizplatte, einem oder mehreren Heizstrahlern, mittels Umlüftung oder in einem Ofen auf die Temperatur oberhalb der Mindesttemperatur aufgeheizt werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen über den durch die angelegte elektrische Spannung in den Solarzellen fließenden Strom auf die Temperatur oberhalb der Mindesttemperatur aufgeheizt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen zusätzlich gekühlt werden, um eine annähernd konstante Temperatur oberhalb der Mindesttemperatur während des Haltezeitraums aufrechtzuerhalten und/oder die Reduzierung der Temperatur in der Abkühlphase zumindest zu unterstützen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Kühlung durch Umlüftung, durch Kühlung mit einem flüssigen Kühlmedium, durch Peltier-Kühlung oder durch eine beliebige Kombination dieser Kühltechniken erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die externe elektrische Spannung bzw. Stromstärke während des Haltezeitraums so gewählt wird, dass bei der eingestellten Temperatur der Solarzelle eine möglichst hohe Konzentration an neutralem Wasserstoff im Siliziumsubstrat erhalten wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen auf eine Temperatur oberhalb einer Mindesttemperatur von 250°C erhitzt und für den Haltezeitraum oberhalb dieser Mindesttemperatur gehalten werden, während die externe elektrische Spannung an den Solarzellen anliegt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen auf eine Temperatur oberhalb einer Mindesttemperatur von 400°C erhitzt und für den Haltezeitraum oberhalb dieser Mindesttemperatur gehalten werden, während die externe elektrische Spannung an den Solarzellen anliegt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen für einen Haltezeitraum von weniger als 150s auf der Temperatur oberhalb der Mindesttemperatur gehalten werden.
  14. Verfahren zur Prüfung von Solarzellen, deren Konversionseffizienz mit dem Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche stabilisiert werden soll oder stabilisiert wurde, bei dem an die Solarzellen über einen Zeitraum von wenigstens 1 s eine externe elektrische Spannung angelegt und sowohl vor als auch am Ende oder nach Ablauf dieses Zeitraums eine offene Klemmenspannung der Solarzellen gemessen wird.
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