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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Beschichtung von PERC-Solarzellen
© Singulus Technologies AG
Photovoltaik
Projektinfo 13/2017

Die Simulation verdeutlicht den Unterschied des Stromtransports in Solarzellen mit lokaler Rückseiten-Kontaktierung (links) und in Zellen mit dem neuen ganzflächigen, passivierten TOPCon-Rückseitenkontakt (rechts).
© Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Schema der TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) Solarzelle mit ganzflächigen selektiven Kontakten.
© Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
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Mit neuem Verfahren näher an die ideale Solarzelle

Das Ziel von Entwicklern und Kunden sind Solarzellen, die dem theoretisch maximal erreichbaren Wirkungsgrad möglichst nahe kommen. Und diese Zellen sollen dann auch noch kostengünstiger herstellbar sein. Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE untersuchten, mit welchen Methoden und Verfahren sie den Wirkungsgrad der Zelle steigern und innere Verluste reduzieren können. Diesen Vorgaben entsprechend entwickelten sie eine beidseitig kontaktierte, monokristalline Silizium-Solarzelle. Diese erreicht einen Wirkungsgrad von 25,7%.

Durch eine Reduzierung der Verlustmechanismen lässt sich der Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen steigern. Die Forscher untersuchten, wie sie die Verluste senken, die durch Rekombination von Ladungsträgern entstehen, und wie sie die Lichteinkopplung verbessern können. Ihr Ziel ist es, hocheffiziente Zellen mit weniger aufwendigen Verfahren und weniger Prozessschritten als bisher herzustellen.

Dr. Martin Hermle, Leiter der Abteilung Hocheffiziente Silizium-Solarzellen am Fraunhofer ISE, erklärt den Ansatz: „Bisher wurden zur Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen immer komplexere Solarzellenstrukturen verwendet. Im Vergleich mit den momentan genutzten hocheffizienten Solarzellenstrukturen vereinfachen wir den Herstellungsprozess und erhöhen dennoch die Effizienz der Solarzellen.“

Hochleistungs-Labor-Solarzellen aus kristallinem Silizium kratzen beim Wirkungsgrad inzwischen an der 27-Prozent-Marke – eine ideale Silizium-Solarzelle erreicht theoretisch 29%. Dies bedeutet, dass sie 29% der gesamten Energie im Sonnenspektrum, vom ultravioletten Licht bis hin zu langwelliger Wärmestrahlung, in elektrische Energie umwandelt. In der Praxis entstehen die bedeutendsten Wirkungsgradverluste durch Rekombination von Ladungsträgern, durch die Metallisierung sowie durch optische Verluste.

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Oberfläche, Rückseite und Kontakte optimieren

Zur Reduzierung der Wirkungsgradverluste geht es darum, Rekombination von Ladungsträgern zu vermeiden und freie Ladungsträger möglichst verlustfrei zu übertragen. Ebenso ist es das Ziel, Licht optimal einzukoppeln und zu nutzen. Dafür sollen Verschattung durch (Front-) Kontakte, Verluste durch Reflexion sowie Wiederaustreten des Lichts aus dem Silizumwafer minimiert werden. Zur Effizienzsteigerung entwickelten die Forscher neue Technologien und Prozesse, mit denen sich Oberfläche, Rückseite und Kontakte der Zelle optimieren lassen. Hier kurz zusammengefasst die Handlungsschwerpunkte, die im Folgenden genauer ausgeführt werden:

  • Eine gut leitende Emitterschicht sammelt freie Ladungsträger und leitet sie möglichst verlustfrei aus der Zelle an die Metallkontakte weiter.
  • Neue passivierende Kontakte transportieren den Strom der Solarzelle möglichst verlustfrei ab. An diesen neuen Kontakten ist die Ladungsträger-Rekombination geringer als bei den bisherigen selektiven Emittern und lokalen BSFs.
  • Neue multifunktionale Oberflächenschichten haben verbesserte optische und elektrische Eigenschaften; eine neue dielektrische Rückseitenpassivierung verbessert zugleich die Lichteinkopplung.

Effizientere Solarzellen einfacher herstellen

Ziel des Projektes ForTES war es, neue Technologien zur Effizienzsteigerung von Silizium-Solarzellen der nächsten Generation zu untersuchen. Die Forscher erreichten den höchsten Wirkungsgrad für Silizium-Solarzellen mit Metallkontakten auf  Vorder- und Rückseite durch eine neue, ganzflächig selektive und passivierende Kontaktierung. Damit konnten sie zum Weltrekord für rückseitenkontaktierte Silizium-Solarzellen aufschließen, bei denen die Vorderseite nicht durch Kontaktfinger verschattet wird, die den Wirkungsgrad mindern.

Die im Projekt entwickelten Technologien sollen für einfache Zellstrukturen höhere Wirkungsgrade ermöglichen und für n- und p-Typ-Silizium verwendbar sein. Sie sollen sowohl evolutionär zur Verbesserung aktueller Technologielinien als auch für neue Zellkonzepte wie die Hetero-junction-Technologie nutzbar sein.

Bei hocheffizienten Zellstrukturen limitieren die metallischen Kontakte auf der Rückseite den Wirkungsgrad. Deshalb wird bei den sogenannten Passivated-Emitter-and-Rear-locally-Contacted-Zellen (PERC-Zellen) die Kontaktfläche auf der Rückseite auf tausende punktförmige Kontakte minimiert. PERC-Zellen erreichen mittels einer dielektrischen Oberflächen-Passivierung und einer Reduzierung der metallisierten Fläche höhere Spannungen als herkömmliche Zellen mit einer ganzflächigen Metallisierung auf der Rückseite. Doch zugleich steigt der Serienwiderstand, da die Ladungsträger einen weiteren Weg innerhalb des Siliziums zurücklegen müssen.

Diesen Zielkonflikt umgeht der im Projekt entwickelte ganzflächige, selektive Kontakt. Dieser Tunneloxid-Kontakt unterdrückt einerseits die Rekombination von Ladungsträgern am Metallkontakt, zugleich lässt er einen verlustfreien Transport der Majoritätsladungsträger zu.

Projektinfo 13/2017:
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Merkzettel

Adressen

Projektleitung
Fraunhofer ISE

BINE-Projektinfo 13/2017
(PDF, 4 Seiten, 291 kB)

Links

Video
Herstellung von Solarzellen mit Heterojunction Technologie

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