Beidseitig kontaktierte monokristalline Silizium-Solarzelle / 25.10.2017

Mit neuem Verfahren näher an die ideale Solarzelle

Beschichtung von PERC-Solarzellen © Singulus Technologies AG

Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE untersuchten, wie sie den Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen steigern und innere Verluste reduzieren können. Sie entwickelten eine beidseitig kontaktierte, monokristalline Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 25,7 Prozent.

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.

Oberfläche, Rückseite und Kontakte optimieren

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 Energiesyste

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:

 

  • 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.

Innovation Tunneloxid-Rückseitenkontakt

Schema der TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) Solarzelle mit ganzflächigen selektiven Kontakten. © Fraunhofer-Institut für Solare Energiesyste

Mit einem neuen Verfahren optimieren die Forscher den Ladungsträger-Transport in der Solarzelle und sparen bisher nötige Bearbeitungsschritte ein. Bei der sogenannten Tunnel-Oxide-Passivated-Contact-Technik (TOPCon-Technik) entfällt die bei Zell-Technologien wie PERC erforderliche Strukturierung beziehungsweise punktförmige Kontaktierung der Rückseite. Die neue Rückseitenkontaktierung besteht aus dem ultradünnen Tunneloxid und einer dünnen Siliziumschicht.

Texturierung verbessert Lichteinkopplung

Je größer der Anteil der einfallenden Strahlung ist, den die Solarzelle in elektrische Energie wandeln kann, umso höher ist der Zell-Wirkungsgrad. Strukturen im Mikro- oder Nanometermaßstab helfen in Solarzellen, das Licht einzufangen und optimal zu nutzen. Diffraktive Strukturen auf der Solarzellenrückseite beugen und streuen das einfallende Licht und können die Absorptionsverluste minimieren. Eine Oberflächentextur reduziert die Vorderseitenreflexion und verlängert die Lichtwege im Silizium. Neue Konzepte zum Lichteinfang (Lighttrapping) kombinieren häufig Texturen mit unterschiedlichen Strukturdimensionen, beispielsweise eine pyramidale Vorderseite und ein Rückseitenbeugungsgitter. Die Forscher stellten hocheffiziente Solarzellen mit solchen diffraktiven Rückseitenstrukturen her.

 

Im Jahr 2016 bewilligte das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie für 166 neue Projekte der Photovoltaikforschung über 116 Millionen Euro, insgesamt flossen in dem Jahr über 154 Millionen Euro in die weitere Entwicklung der Photovoltaik.

Mehr vom Projekt

ForTeS - Entwicklung fortschrittlicher Technologien zur Effizienzsteigerung von Silicium-Solarzellen der nächsten Generation

Förderkennzeichen:
0325292

Laufzeit:
01.07.2011 - 30.06.2016

Service

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

Links

Video
Herstellung von Solarzellen mit Heterojunction Technologie

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Forschungsförderung

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