Industriesolarzellen

Die Industriesolarzellengruppe arbeitet an der Weiterentwicklung industrieller Herstellungsprozesse für mono- und multikristalline Siliziumsolarzellen. Hierzu werden neue Konzepte und Technologien erforscht, sowie zum Teil bis zur Pilotlinienreife entwickelt, um sie in die industrielle Anwendung zu überführen. Die Auswahl der verfolgten Konzepte orientiert sich dabei an der kurz bis mittelfristigen industriellen Umsetzbarkeit und dem Potential einer Kostensenkung photovoltaischer Stromerzeugung durch eine Wirkungsgradsteigerung oder eine Reduktion der Herstellungskosten. Ergänzt wird diese anwendungsorientierte Arbeit durch Forschungsaktivitäten, die ein vertieftes Verständnis der physikalischen Vorgänge einzelner Prozessschritte zum Ziel haben.

Standard-Solarzellen

Mit der Arbeit der vergangenen Jahre konnten wir einen zuverlässigen, industrienahen Standardprozess etablieren, mit dem wir auf großflächigen Cz-Silizium-Substraten Zellwirkungsgrade von über 19 % erzielen, für multikristalline Standard-Solarzellen werden Wirkungsgrade von über 17 % erreicht. Dieser auf Siebdruckmetallisierung basierende Standardprozess bildet die Basis für den Technologietransfer und kann durch industriell umsetzbare Prozess-Erweiterungen ergänzt werden. 


Selektiver Emitter

Eine Reduzierung der frontseitigen Rekombinationsverluste kann durch einen selektiven Emitter erreicht werden. Dabei wird nur der metallisierte Emitter-Bereich hoch dotiert, um einen geringen Kontaktwiderstand zu gewährleisten, während die beleuchtete Oberfläche zur Reduzierung der Rekombinationsverluste nur schwach dotiert wird. Ein dazu in der Industriesolarzellengruppe entwickelter Rückätzprozess wird derzeit vom Anlagenhersteller Gebr. Schmid GmbH vermarktet.


Passivierte Zellrückseite

Zur Reduzierung der Rekombinationsverluste an der Zell-Rückseite kann das vollflächige Aluminium Back-Surface-Field (BSF) einer Standard-Solarzelle durch eine dielektrische Passivierung ersetzt werden. Diese wird zur Kontaktierung der Rückseite lokal geöffnet und vollflächig mit Aluminium-Paste bedruckt. Während des Feuerns bildet sich in den geöffneten Bereichen ein lokales Back-Surface-Field und sorgt so für eine Feldeffektpassivierung der hoch rekombinationsaktiven Kontaktfläche.

Zur Oberflächenpassivierung durch Aluminiumoxid steht eine Oxford ALD-Anlage (Atomic Layer Deposition) zur Verfügung, als kostengünstige Alternative ist zudem eine Abscheidung mittels der APCVD-Technologie (Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition) Gegenstand der aktuellen Forschung in der Industriesolarzellengruppe.


n-Typ Solarzellen

Die Rekombination in der Basis stellt für Standard-Solarzellen eine der Hauptverlustquellen dar. Die erfolgreiche Optimierung der Einzelprozesse in den vergangenen Jahren lässt den Anteil der Basis-Rekombination an den gesamten Verlusten weiter steigen, zudem stellen zukünftige Zellkonzepte teilweise deutlich höhere Anforderungen an die Qualität des Basis-Substrats. Das derzeit für die große Mehrzahl industriell gefertigter Solarzellen verwendete p-Typ Silizium weist eine Minoritätsladungsträger-Lebensdauer von typischerweise deutlich unter 1 ms auf. Unter Beleuchtung bilden sich rekombinationsaktive Bor-Sauerstoff-Komplexe, die zu einer lichtinduzierten Degradation der Minoritätsladungsträger-Lebensdauer führen.

Deutlich höhere Minoritätsladungsträger-Lebensdauern können durch mit Phosphor n-dotiertes Cz-Silizium erreicht werden, welches eine geringere Sensibilität für metallische Verunreinigungen aufweist, und aufgrund des sehr geringen Bor-Gehalts kaum von der lichtinduzierten Degradation betroffen ist.

Das sogenannte PHOSTOP-Zellkonzept stellt die einfachste Möglichkeit dar, eine auf n-Typ Silizium basierende Solarzelle herzustellen. Der Zellprozess entspricht weitgehend dem einer Standard-Solarzelle, die n-dotierte Basis wird dabei frontseitig durch das Phosphor-Front-Surface-Field passiviert, während die Einlegierung von Aluminium auf der Rückseite zu einem p/n-Übergang führt, an dem die Ladungstrennung erfolgt. Der geringere Rekombinationsstrom in der Basis führt zu einem Anstieg der offenen Klemmspannung, außerdem trägt die n-leitende Basis zur Querleitfähigkeit zwischen den Front-Kontaktfingern bei und erhöht damit den Füllfaktor. In Verbindung mit einer verbesserten Frontseitenpassivierung wurden mit diesem Zellkonzept Wirkungsgrade von bis zu 19,5% auf großflächigem Cz-Silizium an der Universität Konstanz erzielt.


Bifaziale Solarzellen

Bifaziale Solarzellen weisen eine passivierte Rückseite auf, die durch eine der frontseitigen Metallisierung ähnliche Fingerstruktur lokal kontaktiert wird. Da nur die kontaktierte Fläche mit Metall bedeckt ist, kann eine solche Zelle von beiden Seiten Licht absorbieren. Bei geeigneter Aufstellung kann so über einen Tag hinweg bis zu 20 % mehr Strom produziert werden. Eine senkrechte Aufstellung führt bei Ost-West-Ausrichtung der Oberflächen zu einer Umverteilung der Stromerzeugung auf den Vor- und Nachmittag und kann so dazu beitragen, den „Mittags-Peak“ des in das Stromnetz eingespeisten Solarstroms auszugleichen.

Neben der Passivierung der rückseitigen Zell-Oberfläche weist eine bifaziale Solarzelle darunter üblicherweise ein Dotierprofil mit der umgekehrten Polarität der frontseitigen Dotierung auf. Dieses dient der Verbesserung der Querleitfähigkeit und des Kontaktwiderstands, außerdem trägt das damit verbundene elektrische Feld zur Passivierung der Oberfläche bei. Bifaziale Solarzellen können aus p- oder n-Typ Silizium hergestellt werden, je nach Polarität der Oberflächen-Dotierung befindet sich der Emitter auf der Front- oder Rückseite der Solarzelle.

Aktuelle Forschungsaktivitäten der Industriesolarzellengruppe zu bifazialen Solarzellen konzentrieren sich auf die kostengünstige, möglichst gleichzeitige Erzeugung der Dotierprofile sowie die Reduzierung von Rekombinations- und Serienwiderstandsverlusten bei der Kontaktierung Bor-dotierter Oberflächen.