Thermisches Prozessieren von dünnen, freitragenden, flächig ausgedehnten Siliziumfilmen (Akronym: ExSilon)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Innerhalb des Projektes ExSilon stand die Entwicklung eines großflächig ausgedehnten, freitragenden Siliziumsubstrates mit weniger als 50 µm Dicke im Mittelpunkt. Die zu lösenden Herausforderungen waren die Handhabung, das Schweißen, das Epitaxieren der dünnen Siliziumfolien und ihre Weiterverarbeitung zu Solarzellen. Thematisch wurde das Projekt zwischen dem blz und dem ZAE Bayern aufgeteilt. Schwerpunktmäßig beschäftigte sich das blz dabei mit der Entwicklung und Untersuchung eines laserbasierten Fügeprozesses für dünne Siliziumfolien. Parallel dazu wurde ein Simulationsmodel entwickelt, das zur Darstellung der komplexen Zusammenhänge beim Silizium-Schweißen dient. Das ZAE Bayern entwickelte einen Epitaxie-Prozess für dünne Siliziumfolien, sowie Methoden um Testsolarzellen herzustellen. Ein weiterer Schwerpunkt am ZAE Bayern war die Charakterisierung der gefügten Substrate und epitaxierten Schichten insbesondere mittels Mikro-Raman und EBSD. Die durchgeführten Schweißexperimente zeigen bei Raumtemperatur eine prinzipielle Schweißbarkeit, werden jedoch von Rissbildung und Verzug begleitet. Dadurch eignet sich Laserstrahlschweißen bei Raumtemperatur nicht für die Herstellung eines ausgedehnten, selbstragenden Substrates. Motiviert durch vorangegangene experimentelle Arbeiten als auch im Projektrahmen durchgeführte thermomechanische Simulationen wurden Schweißversuche an im Ofen vorgeheizten Proben mit verschiedenen Intensitätsverteilungen des Laserstrahls durchgeführt, um den thermischen Gradienten und damit die Riss- und Verzugbildung zu reduzieren. Dabei konnte als eine optimale Schweißstrategie ein sogenannter Keyhole-Schweißprozess bei Vorheiztemperaturen von knapp über 1000 °C identifiziert werden. Aufgrund der geringen Fokusgröße und der damit verbundenen hohen punktuellen thermischen Belastung erfordert dieses Verfahren besonders aufgrund der geringen Dicke der Proben hohe Vorschubgeschwindigkeiten, die wiederum neben dem essentiellen Vorheizen eine geeignete, temperaturbeständige Einspannung zur Reduktion des Verzugs erfordern. Daher wurde hierfür einerseits eine temperaturbeständige Probenhalterung entwickelt als auch ein Galvanometer-basiertes Laserablenksystem verwendet, um Vorschubgeschwindigkeiten von 550 mm/s zu erreichen. Auf diese Weise können dünne Siliziumproben reproduzierbar und defektfrei im Überlappstoß geschweißt werden, wobei der induzierte Winkel-Verzug der Proben geringer als 0,25 ° ist. Die bereits im Vorprojekt begonnenen Forschungen zum chemischen Abdünnen sowie zur Epitaxie auf dünnen freitragenden Proben wurden weitergeführt. Des Weiteren wurden wichtige Erkenntnisse aus der Charakterisierung gefügter und epitaxierter Proben mittels Mikro- Ramanmikroskopie, EBSD und EBiC gewonnen. Insbesondere Schweißungen bei Raumtemperatur mit Punktfokus und konstantem Vorschub zeigen hohe Druckspannungen, wobei das Kristallwachstum beim Fügen durch Bildung von Korngrenzen, insbesondere Zwillingskorngrenzen, begleitet wird. Dagegen zeigen sich bei Proben, die im Keyhole-Prozess bei hohen Vorheiztemperaturen geschweißt wurden, geringere Verspannungen. Am Rand der Fügezone entstehen wenige Kleinwinkelkorngrenzen, bei welchen die induzierte Spannung ca. -100 MPa über dem im restlichen Substrat gemessenen Wert liegt. Die Charakterisierung der mittels CoCVD gewachsener Schichten zeigt, dass auch auf defektreichen Substraten in allen Fällen ein kohärentes, d.h. epitaktisches Kristallwachstum, erfolgt und dass durch das Schichtwachstum keine zusätzlichen Verspannungen in das Material eingebracht werden. Auch im Grenzbereich der Substrat-Epitaxieschicht treten keine zusätzlichen Defekte auf. Entsprechend können die mittels Keyhole-Schweißprozesses gefügten Proben erfolgreich epitaxiert werden. Epitaxierte Proben wurden, nach dem beim ZAE Bayern entwickelten COMBO-Prinzip, zu Testsolarzellen weiterverarbeitet und liefern im Versuch eine Leerlaufspannung zwischen 510 und 546 mV.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Anforderungen an den Prozess und die Systemtechnik beim Laserstrahlschweißen von Silizium“, Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik, Tagungsband: LEF 2010, Hrsg.: M. Schmidt, M. Geiger, C. Kägeler S.75-85, Meisenbach, Bamberg 2010
L. Schäfer, S. Roth, M. Heßmann
- „Laser Based Joining of Monocrystalline Silicon Foils“ Proc. LANE 2010, Erlangen, Physics Procedia, Vol. 5, 2010
L. Schäfer, H. Koch, K. Tangermann-Gerk, M. Hessmann, T. Kunz, T. Frick, M. Schmidt
- „Laserstrahlschweißen von dünnen Siliziumfolien“, Lasermagazin 2/2010
L. Schäfer, M. Zimmermann, U. Urmoneit, M. Schmidt
- Laser process for extended silicon thin film solar cells, Thin Solid Films 520, 2011, p. 595 - 599
M.T. Hessmann, T. Kunz, I. Burkert, N. Gawehns, L. Schaefer, T. Frick, M. Schmidt, B. Meidel, R. Auer, C.J. Brabec
- Laser welding of 50 micrometer thick monocrystalline silicon wafers, Proc. 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg, Germany, 2011, p. 2825 - 2828
M.T. Heßmann, T. Kunz, I. Burkert, N. Gawehns, L. Schäfer, B. Meidel, R. Auer, C.J. Brabec
- „Laserstrahlschweißen von dünnen Siliziumfolien“, Lasermagazin 4/2011
K. Cvecek, M. Zimmermann, U. Urmoneit, M. Schmidt
- „Laserstrahlschweißen von Glasfasern und Siliziumfolien“, Workshop Laserbearbeitung von Glaswerkstoffen, 12.04.11, Erlangen
K. Cvecek, L. Schäfer, G. Mayer, M. Schmidt
- „Thermische Prozessierung dünner Siliziumsubstrate für die solare Energieerzeugung“, Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik, Tagungsband: LEF 2012, Hrsg.: M. Schmidt, S. Roth, P. Amend Tagungsband LEF 2012, S. 91-101, Meisenbach, Bamberg 2012
K. Cvecek, M. Zimmermann, U. Urmoneit, T. Frick, M. Hessmann, T. Kunz, M. Schmidt
