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Elmar Lohmüller

Elmar Lohmüller wurde am 01. Februar 1983 in Tübingen geboren. Nach erfolgreichem Abitur am Eugen-Bolz-Gymnasium in Rottenburg am Neckar im Jahr 2002 begann Elmar Lohmüller ein Studium der "OnlineMedien" an der Fachhochschule Furtwangen, welches er nach einem Semester abbrach und an die Eberhard Karls Universität Tübingen in den Diplomstudiengang Physik wechselte. Auf das erfolgreich abgelegte Vordiplom im Jahr 2005 folgten ein Praktikum bei der Robert-Bosch GmbH in Reutlingen (2007) und ein Auslandssemester an der Nelson Mandela Metropolitan University (NMMU) in Port Elizabeth, Südafrika (2008). Von November 2009 bis Oktober 2010 schrieb Elmar Lohmüller seine Diplomarbeit am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg zum Thema "Entwicklung und Charakterisierung von Prozessen zur Herstellung von MWT-PERC Solarzellen", und konnte sein Physikstudium mit der Note „sehr gut“ abschliessen. Daraufhin arbeitete er als wissenschaftliche Hilfskraft am Fraunhofer ISE weiter an der Optimierung von MWT-PERC-Solarzellen.

Kurzbeschreibung des Promotionsvorhabens: „Entwicklung und Charakterisierung industrieller n‑Typ MWT‑Solarzellen mit passivierten Oberflächen“.

Historisch bedingt basiert der Großteil (ca. 80%) der heutzutage industriell hergestellten Silicium-Solarzellen auf mit Bor dotiertem p-Typ Silicium. Das p-dotierte Silicium weist allerdings im Gegensatz zu mit z. B. Phosphor dotiertem n-Typ Silicium gewisse Nachteile auf. Zum Einen wirken Bor-Sauerstoff-Komplexe, die sich vor allem in Bor dotiertem Czochralski-(Cz)-Silicium unter Ladungsträger-Injektion bilden können, als zusätzliche Rekombinationszentren. Diese sind für eine lichtinduzierte Degradation verantwortlich: Innerhalb der ersten 48 Stunden unter Beleuchtung kann der anfängliche Wirkungsgrad der Solarzelle beispielsweise um 0,5%abs sinken. Zum Anderen weist n‑Typ Silicium eine geringere Sensibilität gegenüber metallischen Verunreinigungen auf. Dies zeigt sich in Form höherer Volumenlebensdauern in n‑Typ Silicium im Vergleich zu p-Typ Silicium. N‑Typ Silicium hat dementsprechend ein höheres Wirkungsgradpotential als p-Typ Silicium. Ziel der Promotion ist es, das bereits auf p-Typ Silicium erfolgreich eingesetzte und nachfolgend beschriebene Metal Wrap Through (MWT) Konzept mit passivierten Oberflächen auf ein industriell umsetzbares n‑Typ MWT-Solarzellendesign zu übertragen. Entsprechende Prozesse bzw. Prozessfolgen für die Herstellung sollen hierfür entwickelt werden.

Mit der MWT-PERC-(Metal Wrap Through-Passivated Emitter and Rear Cell)-Solarzelle wird derzeit am Fraunhofer ISE eine industriell herstellbare Hocheffizienzsolarzelle für p-dotiertes Silicium entwickelt. Die vorderseitigen externen Kontakte werden bei diesem Konzept durch sogenannte Vias (metallisierte Löcher) auf die Rückseite verlegt und die Oberflächen beidseitig passiviert. Die MWT-PERC-Solarzelle lässt sich somit über beide rückseitig angeordneten externen Kontakte kontaktieren. Mit etablierter, industrienaher Produktionstechnologie hergestellte MWT-PERC-Solarzellen mit selektivem und nach-oxidiertem Vorderseiten­emitter sowie sieb­ge­druckter Vorderseitenmetallisierung erreichten Mitte 2011 hohe Wirkungs­grade von 19,4% (Cz, ausgeheilt) und 20,1% (Float-Zone, FZ) auf großem Format (149 cm²). Durch die Verwendung einer dispensten Vorderseitenmetallisierung konnten die Wirkungsgrade erst kürzlich auf 20,1% (Cz, ausgeheilt) und 20,6% (FZ) gesteigert werden (jeweils bestätigt durch Fraunhofer ISE CalLab PVCells). Die lichtinduzierte Degradation wirkt sich für das Cz-Material in beiden Fällen durch einen signifikanten Wirkunsgradabfall von rund 0,5%abs aus.

Um vergleichbare Wirkungsgrade wie mit hochwertigem und kostenintensivem p-Typ FZ-Material auch auf großen Zellformaten mit kostengünstigem Silicium-Material zu erreichen, ist z. B. n-Typ Cz-Material aufgrund seiner zu p-Typ FZ-Material vergleichbar hohen Volumenlebensdauer gut geeignet. Zusätzlich degradiert das n-Typ Cz-Material unter Beleuchtung nicht.

Im Rahmen der Dissertation soll ein Herstellungsprozess für hocheffiziente, großformatige, passivierte n-Typ Silicium MWT-Solarzellen auf Pilotlinienniveau entwickelt und optimiert werden. Mit den hergestellten n‑Typ MWT-Solarzellen soll ein vergleichbares Effizienzniveau wie mit p-Typ FZ-Material und eine signifikante Effizienzsteigerung im Vergleich zu p-Typ Cz-Material im degradierten Zustand demonstriert werden. Der Wechsel von p-Typ Silicium auf n-Typ Silicium erfordert allerdings die Evaluation neuer Prozesstechnologien und -abläufe. Folglich sollen die bereits zur Herstellung von p‑Typ MWT-Solarzellen etablierte Prozesstechnologien, wie z. B. Metallisierungsverfahren, auf n-Typ MWT-Solarzellen angepasst und noch nicht etablierte Technologien, wie z. B. die Emitterdiffusion und -passivierung für p-Typ Emitter, in den Herstellungsprozess für n-Typ MWT-Solarzellen eingebracht und hierfür optimiert werden. Das höhere Effizienzpotential der n-Typ MWT-Solarzellen soll auch mittels Demonstratormodulen bestätigt werden.