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aktualisiert am 21. April 2021

ISBN 9783868539684

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978-3-86853-968-4, Reihe Ingenieurwissenschaften

Sybille Hopman
Anwendung des Laser Chemical Processing zur Herstellung von Silizium-Solarzellen

209 Seiten, Dissertation Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau (2011), Softcover, B5

Zusammenfassung / Abstract

Ziel dieser Arbeit war, Anwendungen für das neuartige Laser Chemical Processing (LCP) zur Herstellung von Siliziumsolarzellen zu untersuchen und zu optimieren. Die Prozesse sollten durch verschiedene Analyse- und Charakterisierungsverfahren hinsichtlich Einflussgrößen und limitierenden Faktoren beschrieben werden, was letztlich zu einem besseren Prozessverständnis führen sollte. Die Anwendungen des LCP unterteilen sich in zwei Bereiche, das Tiefschneiden und die Mikrostrukturierung.

Das Tiefschneiden basiert auf der Idee, eine alternative Technik zur Multidrahtsäge mit Hilfe eines laserchemischen Prozesses zu entwickeln. Dazu wurden zunächst an Einzelgräben Parameter untersucht, mit denen es möglich ist, einen schnellen und effizienten Materialabtrag zu erzielen. Um die Ergebnisse der Parametervariationen miteinander vergleichen zu können, wurde der Begriff der Ablationseffizienz eingeführt, die das Verhältnis der theoretisch benötigen Wärmemenge für die Verdampfung von Silizium zur tatsächlich experimentell benötigen Wärmemenge angibt. Die Ablationseffizienzen wurden für variierende Energiedichten, Pulsüberlappe, Flüssigkeitsdrücke, Pulslängen, Wellenlängen und Flüssigkeitsmedien bestimmt. Eine wichtige Erkenntnis aus diesen Experimenten ist, dass es für einen effizienten Abtrag vorteilhaft ist, eine Siliziumschmelze zu erzeugen, die dann physikalisch durch den Impuls des Flüssigkeitsstrahls ausgetrieben wird. Hieraus lies sich ein optimales System auf einige wichtige Faktoren eingrenzen. Zum einen sollten lange Pulse verwendet werden, da längere Schmelzdauern und größere Schmelzvolumen erzeugt werden, und zum anderen sollten hohe Flüssigkeitsdrücke eingesetzt werden, um den Schmelzaustrieb zu verbessern. In Bezug auf die Wellenlänge ist 532 nm gegenüber 1064 nm zu bevorzugen, da die Verluste im Flüssigkeitsstrahl bei Verwendung von Wasser wesentlich niedriger sind. Durch den Einsatz einer ätzenden Kaliumhydroxidlösung (KOH) konnte in Bezug auf eine Materialabtragssteigerung kein Vorteil gefunden werden. Allerdings wurde gezeigt, dass durch ein Nachätzen der KOH im Lasergraben die Laserschädigung reduziert werden konnte.

Die Ergebnisse aus den Einzelgrabenexperimenten dienten anschließend als Ausgangspunkt für die Tiefschnittversuche. Sehr früh stellte sich jedoch heraus, dass die Anforderungen an einen effizienten Prozess für Einzelgräben bzw. tiefe Lasergräben sehr unterschiedlich sind. Der Austrieb eines großen Schmelzvolumens durch den Flüssigkeitsstrahl aus einem Graben mit hohem Aspektverhältnis ist schwierig. Die Anzahl der benötigten Schnitte, um einen 2 cmdicken Siliziumblock abzutrennen konnte dadurch verringert werden, dass höhere Laserenergien eingesetzt wurden. Hierdurch wird mehr Silizium verdampft und muss nicht mehr ausgetrieben werden. Die Flüssigkeitsdruckerhöhung reduzierte die Schnittanzahl ebenfalls. Die maximale Grabentiefe, die mit dem wasserstrahlgeführten Laser mit Hilfe eines 270 W starken Lasers bisher erreicht wurde, beträgt 7 cm bei einer Probenlänge von 0,5 cm. Solch ein Wert wurde nach detaillierter Recherche bisher in der Literatur noch für kein herkömmliches Lasersystem beschrieben. Die erzeugten Wafer wurden hinsichtlich Schädigungstiefe mit drahtgesägten Wafern verglichen. Es wurden Schädigungstiefen der LCP-Wafer von 6,4 μm gemessen, die um bis zu 50 % unter den in der Literatur gefundenen Werten für drahtgesägte Wafer liegen. Bei der Suche nach einem alternativen Medium für das Tiefschneiden, das den Laserabtragsprozess unterstützen sollte, wurde Chlor wegen seiner hohen Siliziumätzrate als aussichtsreiches Medium ausgewählt. Durch den Einsatz konnte zwar die Grabenform von einer V- zu einer U-Form verändert werden, allerdings wurde die maximale Grabentiefe hierdurch nur geringfügig erhöht.