Aktuell / 09.02.2016

Helene: Rekord-Solarzelle erreicht 22 Prozent Wirkungsgrad

Eine Mitarbeiterin überwacht die Solarzellenproduktion bei Solarworld. Die im Projekt HELENE gefertigten Solarzellen werden mit industriellen Verfahren hergestellt. © Solarworld AG

Photovoltaik-Forscher konnten bei der Vorstellung der Halbzeitbilanz des Projekts HELENE einen neuen Wirkungsgrad-Rekord von 22 Prozent für industrielle monokristalline PERC-Solarzellen (Passivated Emitter and Rear Cell) präsentieren. Sie haben damit ihren im Juli 2015 erreichten Rekord von 21,7 Prozent noch einmal überboten. Die neu entwickelten Solarmodul-Technologien sollen möglichst schnell in die industrielle Produktion eingeführt werden. Ziel ist, durch höhere Wirkungsgrade und günstigere Modul-Herstellungskosten Photovoltaikstrom billiger erzeugen zu können.

Das Konsortium des Verbundprojekts HELENE präsentierte seine Zwischenergebnisse beim ersten Statuskolloquium der Initiative „F&E für Photovoltaik“ am 3. Februar 2016 in Berlin, bei dem auch der Stand weiterer 12 Verbundprojekte vorgestellt und diskutiert wurde. Ziel des Forschungsvorhabens HELENE ist es, „hocheffiziente und kostengünstige PERx-Solarzellen als Wegbereiter für eine wirtschaftliche Umsetzung speicherunterstützter PV-Systeme“ zu entwickeln. Diese neuen, hocheffizienten Solarzellen auf Basis kristalliner p-Typ-Siliziumwafer wurden bei Solarworld auf Basis industrieller Produktionsprozesse gefertigt; dadurch lässt sich das Herstellungsverfahren vergleichbar schnell in die Massenfertigung überführen. Für dieses Jahr ist geplant die Produktion für 60-Zeller 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%, den multikristalliner Zellen auf 19,5% steigern. Zur Herstellung dieser Solarzellen-Prototypen nutzen sie die sogenannte PERC-Technologie (Passivated Emitter and Rear Cell), p-type Solarwafer mit industriellem Format (156 x 156 mm²) sowie industrierelevante Produkt- und Prozesstechnologien. „Mit dem Wirkungsgrad von 22 % haben wir jetzt ein wichtiges Zwischenziel erreicht, doch bis Ende 2017 wollen wir die Marke von 22,5% 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 - 15%, 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 ISE den Wirkungsgrad von 22% 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 5 Busbars, also Strom-Sammelschienen, an Stelle der derzeit noch  industriell üblichen 3 Busbars.“

Vorteile und Funktionsprinzip der PERC Technologie

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

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

Die neue Technologie erobert die Praxis

Schritt für Schritt fließen die Projektergebnisse - dank der sehr guten Zusammenarbeit mit den produzierenden Schwesterunternehmen innerhalb der Solarworld AG - 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-/ 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 der 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 Standard (monofazialen) Modul je nach Modul-Umgebung um bis zu 25% 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 die Markt-Response anzutesten.

Das Verbundprojekt HELENE wird vom 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 (ISFH) sowie die Universität Konstanz, Arbeitsgruppe Photovoltaik 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. Ziel des Projektes ist es, die Al-BSF Technologie, die aktuell einen Marktanteil von über 85% hält, durch die leistungsfähigere PERC-Technologie zu ersetzen.

Verknüpfte Projekte

  • Mit einem neuen Verfahren zur Rückseitenkontaktierung von Silicium-Solarzellen haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE einen Rekord für beidseitig kontaktierte Siliciumsolarzellen aufgestellt. Die Wissenschaftler erreichten einen Wirkungsgrad von 25,1 Prozent mit einem ultradünnen Tunneloxid-Rückseitenkontakt. ... mehr

Mehr zum Projekt

Förderkennzeichen: 0325777A-G
Projektvolumen: 19,9 Mio. Euro (ca. 50% Förderanteil)
Projektlaufzeit: 2014 - 2017

Verbundkoordinator

Solarworld Innovations GmbH

Dr. Phedon Palinginis
Berthelsdorfer Straße 111 A
09599 Freiberg

Tel.: 03731 301-0
phedon.palinginisatsolarworld.com

Adressen

Koordination, PERx-Solarzellen-Technologie
Solarworld Innovation

H-Passivierung, rekombinationsarme Emitter
Universität Konstanz

Simulationsmodelle, Charakterisierungsmethoden
Institut für Solarenergieforschung

Industrieller PassDop-Prozess
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme

Mess- und Testverfahren
Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik

Anlagen-Entwicklung
Centrotherm Photovoltaics

Drucktechnologie-spezifische Pasten
Heraeus Precious Metals

Service

Solarzellen mit Laser bearbeiten
BINE-Projektinfo 8/2015

Forschungsförderung

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