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Eine Mitarbeiterin überwacht die Solarzellenproduktion bei Solarworld. Die im Projekt HELENE gefertigten Solarzellen werden industriell hergestellt.
© Solarworld AG
Hochleistungs-Solarzelle
09.02.2016

Derzeit werden etwa 85 Prozent der Siliziumsolarzellen nach dem Al-BSF-Konzept (oben) gefertigt. Die Zellrückseite ist vollflächig mit Aluminium metallisiert. Beim Aufbau der PERC-Solarzelle (unten) ist zu sehen, dass die Rückseitenpassivierung punktuell von den Kontakten unterbrochen ist. Rekord: Die im Projekt HELENE entwickelte neue Solarzellen-Generation erreicht so einen Wirkungsgrad von 22 Prozent.
© Solarworld AG

Rekord: Solarzelle erreicht 22 Prozent Wirkungsgrad

Photovoltaik-Forscher präsentierten vergangene Woche die Zwischenergebnisse ihres Projekts HELENE. Die Forscher erzielten einen neuen Wirkungsgrad-Rekord von 22 Prozent für industrielle monokristalline PERC-Solarzellen (Passivated Emitter and Rear Cell). Sie haben damit ihren im Juli 2015 erreichten Rekord von 21,7 Prozent noch einmal überboten. Die neu entwickelte Solarmodul-Technologie soll möglichst schnell in die industrielle Produktion überführt werden. Ziel ist – durch höhere Wirkungsgrade und günstigere Herstellungskosten – Photovoltaikstrom billiger erzeugen zu können.

Das Konsortium des Verbundprojekts HELENE stellte seine Zwischenergebnisse beim ersten Statuskolloquium der Initiative F&E für Photovoltaik am 3. Februar 2016 in Berlin vor. Ziel des Forschungsvorhabens HELENE ist es, hocheffiziente und kostengünstige PERx-Solarzellen zu entwickeln. Diese hocheffizienten Solarzellen auf Basis kristalliner p-Typ-Siliziumwafer fertigte Solarworld auf Basis industrieller Produktionsprozesse. Dadurch lässt sich das Herstellungsverfahren relativ schnell in die Massenfertigung überführen. Für dieses Jahr ist geplant, die Produktion für 60-Zellen-Solarmodule mit 300 Watt kontinuierlich zu erhöhen, um das Hochleistungsmodul-Segment nach und nach zu bedienen.

Weitere Wirkungsgradsteigerungen im Visier

Bis zum Projektende im September 2017 wollen die Entwickler den Wirkungsgrad monokristalliner Solarzellen auf 22,5 Prozent, den multikristalliner Zellen auf 19,5 Prozent steigern. Zur Herstellung dieser Solarzellen-Prototypen nutzen sie die sogenannte PERC-Technologie, p-typ-Solarwafer mit industriellem Format (156 x 156 mm²) sowie industrierelevante Produkt- und Prozesstechnologien. „Mit dem Wirkungsgrad von 22 Prozent haben wir jetzt ein wichtiges Zwischenziel erreicht, doch bis Ende 2017 wollen wir die Marke von 22,5 Prozent knacken“, sagt Dr. Phedon Palinginis, Koordinator des Forschungsverbundes HELENE und Leiter der Solarzellen-Entwicklungsgruppe bei SolarWorld, und fügt hinzu: „Die im Projekt angestrebten Ziele entsprechen einer Leistungssteigerung von 10 bis 15 Prozent, verglichen mit den Solarzellenwirkungsgraden, die 2013 Stand der Technik waren, als das Projekt beantragt wurde.“

Gutes Material und fünf Busbars bringen Rekordleistung

Zur Halbzeit des Projekts bestätigte das Prüflabor CalLab am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE den Wirkungsgrad von 22 Prozent der im Solarzellen-Technikum der Solarworld Innovations gefertigten Zellen. Wie dies erreicht wurde, beschreibt Koordinator Palinginis: „Technologische Schlüssel zur Erreichung dieses Zwischenziels sind neben der sehr guten Rückseitenpassivierung des PERC-Konzepts eine gute Materialqualität des monokristallinen p-type-Substrats, ein hocheffizienter, rekombinationsarmer Emitter sowie einem Vorderseiten-Layout mit fünf Busbars, also Strom-Sammelschienen, anstelle der derzeit noch industriell üblichen drei Busbars.“

Vorteile und Funktionsprinzip PERC-Technologie

Die Vorteile der PERC-Technologie im Vergleich zur Aluminium-Back-Surface-Field-(Al-BSF)-Technologie liegen in einer Verbesserung der Solarzellen-Rückseite. Die AL-BSF-Zelle ist vollflächig mit Aluminium metallisiert, dadurch bleibt der Wirkungsgrad dieser Zellen auf unter 19,5 Prozent begrenzt. PERC-Zellen haben ein höheres Leistungspotenzial, bei ihnen erfolgt die Kontaktierung nur lokal mit einem Flächenanteil von weniger als 10 Prozent. Die nicht kontaktierten Bereiche werden dabei durch ein dielektrisches Schichtsystem deutlich besser passiviert als durch das sogenannte Aluminium-Back-Surface-Field in einer Al-BSF-Solarzelle. Die Ladungsträger-Rekombination auf der Solarzellen-Rückseite wird reduziert, das führt zu deutlich höheren Leerlaufspannungen. Des Weiteren ist die Reflexion auf der PERC-Solarzellen-Rückseite (Grafik links unten), das heißt an der Grenzfläche vom Si-Wafer zur dielektrischen Passivierung, deutlich erhöht: Das bewirkt eine Steigerung des Kurzschluss-Stroms. Mit dem PERC-Konzept lassen sich mit weiteren Verbesserungen im Substrat sowie im vorderseitigen Emitter deutlich höhere Leistungssteigerungen als bei einer Zelle mit einem Al-BSF erreichen (Grafik links oben).

Erste Gehversuche mit der neuen Technologie

Schritt für Schritt fließen die Projektergebnisse – dank der Zusammenarbeit mit den produzierenden Schwesterunternehmen innerhalb von Solarworld – in die Praxis ein. Um die angepeilten Solarzellenwirkungsgrade zu erreichen, müssen bis zum Projektende noch weitere Technologie-Bausteine entwickelt werden. Damit sich das Potenzial der PERC-Solarzellen-Technologie auch auf multikristallinem Material weitestgehend entfalten kann, muss die Volumenlebensdauer der angeregten Ladungsträger gesteigert werden. Dies ermöglichen Prozess-Schritte wie eine Wasserstoff-Passivierung der Volumen- beziehungsweise Materialdefekte.

Erste Hersteller haben bereits damit begonnen, ihre Fertigung auf die effizienteren PERC-Zellen umzustellen; bereits 2012 überführte Solarworld die PERC-Technologie in die Massenfertigung. Neben der Weiterentwicklung des klassischen, monofazialen Solarzellen-Typs wurde im Projekt außerdem eine bifaziale PERC-Solarzelle entwickelt, die auf Vorder- und Rückseite Licht nutzt; eingebettet in ein bifaziales Glas-Glas-Modul kann der Energieertrag im Vergleich zu einem monofazialen Standard-Modul um bis zu 25 Prozent gesteigert werden. Das geschieht über den Lichteinfang auf der Solarzellen-Rückseite, je nach Lichtstreuverhalten des Modul-Hintergrunds. Auch dieses Produkt wird derzeit in kleinen Mengen in die Produktion überführt, um das sogenannte Markt-Response auszutesten.

Förderung

Das Verbundprojekt HELENE wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen der Initiative F&E für Photovoltaik gefördert. Gemeinsam arbeiten die drei Unternehmen Solarworld Innovations, Heraeus Deutschland, Centrotherm, die drei Forschungsinstitute Fraunhofer ISE, Fraunhofer CSP, Institut für Solarenergieforschung Hameln sowie die Universität Konstanz daran, die für die Fertigung der PERC-Solarzellen notwendigen Produktionstechnologien, Materialsysteme, Prozesse und Prozess-Sequenzen zu entwickeln und führen diese im Zuge des Projekts im Solarzellen-Technikum der Solarworld Innovations zusammen.

(gh)

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Adressen

Verbundkoordinator
SolarWorld Innovations GmbH

Infotipp

Solarzellen mit Laser bearbeiten
BINE-Projektinfo 5/2015

Links

Solarstromforschung

Verwandtes Projekt „ForTeS“
ForTeS – Entwicklung fortschrittlicher Technologien zur Effizienzsteigerung von Silicium-Solarzellen der nächsten Generation

EnEff:Industrie
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Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.