Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben eine Technik entwickelt, die als „FlexTrail-Druck“ bekannt ist. Es handelt sich um eine Metallisierungsmethode, mit der Frontelektroden auf Basis von Silber-Nanopartikeln auf busbarlose Silizium-Heterojunction-Solarzellen (SHJ) gedruckt werden. „Derzeit arbeiten wir an einem ‚FlexTrail‘-Paralleldruckkopf, der eine schnelle, zuverlässige und präzise Verarbeitung von hocheffizienten Solarzellen ermöglicht“, so der Forscher Jörg Schube auf Anfrage von pv magazine. „Aufgrund des sehr geringen Flüssigkeitsverbrauchs erwarten wir positive Auswirkungen auf die Kosten und den ökologischen Fußabdruck von Photovoltaik-Lösungen.“

Mit dem „FlexTrail“-Druckverfahren lassen sich Träger unterschiedlicher Viskosität mit einer äußerst präzisen, minimalen Strukturbreite auftragen. „Es hat sich gezeigt, dass es sowohl eine effektive Silbernutzung, Kontaktgleichmäßigkeit als auch einen geringen Silberverbrauch ermöglicht“, so die Wissenschaftler. „Aufgrund seiner Einfachheit und Prozessstabilität hat es zudem das Potenzial für niedrige Zykluszeiten pro Zelle und ist damit prädestiniert für einen zukünftigen Lab-to-Fab-Transfer.“

Bei der Technik wird eine sehr dünne, flexible Glaskapillare eingesetzt, die bei einem atmosphärischen Druck von bis zu 11 bar mit Flüssigkeit gefüllt wird. Während des Druckvorgangs ist die Kapillare in Kontakt mit dem Substrat und wandert kontinuierlich über dieses. „Die Flexibilität und Biegsamkeit der Glaskapillare ermöglicht eine zerstörungsfreie Verarbeitung“, so die Wissenschaftler. Sie weisen darauf hin, dass das Verfahren auch den Druck gekrümmter Strukturen ermöglicht. „Außerdem gleicht es mögliche Welligkeiten des Substrats aus.“

Das Forschungsteam stellte Ein-Zellen-Module mit der Smartwire Connection Technology (SWCT) her, einer Mehrdraht-Verbindungstechnologie, die auf Kupferdrähten basiert, die mit einer Niedrigtemperatur-Lötlegierung überzogen sind. „Normalerweise werden die Drähte in eine Polymerfolie integriert und durch eine automatische Verkettung an der Solarzelle befestigt. Die Lötverbindung wird während eines anschließenden Laminierungsprozesses gebildet, der bei einer für Silizium-Heteroübergänge geeigneten Prozesstemperatur durchgeführt wird“, so die Forscher.

Sie druckten die Finger nacheinander mit einer Kapillare, was zu Funktionslinien auf Silberbasis mit einer Strukturgröße von 9 Mikrometer führte. Anschließend bauten sie SHJ-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 22,8 Prozent auf M2-Wafern und stellten mit diesen Zellen ein 200 mal 200 Millimeter großes Modul mit einer Zelle her.

Das Modul erreichte einen Wirkungsgrad von 19,67 Prozent eine Leerlaufspannung von 731,5 Millivolt, einen Kurzschlussstrom von 8,83 Ampere und einen Füllfaktor von 74,4 Prozent. Zum Vergleich: Ein im Siebdruckverfahren hergestelltes Referenzmodul erreichte einen Wirkungsgrad von 20,78 Prozent, eine Leerlaufspannung von 733,5 Millivolt, einen Kurzschlussstrom von 8,91 Ampere und einen Füllfaktor von 77,7 Prozent.

„‘FlexTrail‘ hat einen Vorteil gegenüber dem Tintenstrahldrucker in Bezug auf die Umwandlungseffizienz. Darüber hinaus hat es den Vorteil einer einfacheren und damit kostengünstigeren Verarbeitung, da nur ein Durchgang pro Finger zum Drucken erforderlich ist und zudem der Silberverbrauch geringer ist“, so die Forscher, die die Silberreduzierung auf etwa 68 Prozent schätzen.

Sie präsentierten ihre Ergebnisse in „FlexTrail Printing as Direct Metallization with Low Silver Consumption for Silicon Heterojunction Solar Cells: Evaluation of Solar Cell and Module Performance“ vor, die kürzlich im Fachmagazin „Energy Technology“ veröffentlicht wurden.

„Um den Weg für eine industrielle Anwendung des ‚FlexTrail‘-Drucks zu ebnen, wird derzeit ein paralleler Druckkopf entwickelt“, so das Fazit der Wissenschaftler. „Für die nahe Zukunft ist geplant, ihn nicht nur für die Metallisierung von SHJ, sondern auch für Tandem-Solarzellen, zum Beispiel Perowskit-Silizium-Tandems, zu nutzen.“