Fraunhofer ISE: Bifaziale Topcon-Solarzelle mit 23,84 Prozent Wirkungsgrad und 90 Prozent weniger Silberverbrauch

Forscher des deutschen Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE bemühen sich seit mehreren Jahren um eine Verringerung des Silberverbrauchs in Solarzellen. Dies ist ein Hauptanliegen der Photovoltaik-Industrie bei der Metallisierung von Topcon-Solarzellen, bei denen der Einsatz geringerer Mengen des Edelmetalls entscheidend ist, um die Herstellungskosten zu senken und weitere Marktanteile zu gewinnen.

Kürzlich hat eine Gruppe von Wissenschaftlern des deutschen Instituts Kontakte auf der Basis von galvanischem Nickel, Kupfer und Silber anstelle der üblichen Silberkontakte verwendet, um eine bifaziale n-type-Topcon-Zelle herzustellen, die einen höheren Wirkungsgrad als ihre Gegenstücke mit gedruckten Silberkontakten erreichen und gleichzeitig den Silberverbrauch um 90 Prozent reduzieren sollen. „Selbst in der industriellen Produktion ermöglicht diese galvanische Metallisierung erhebliche Silbereinsparungen, ohne Kompromisse bei der Effizienz eingehen zu müssen“, so der Fraunhofer-Forscher Sven Kluska.

Die für die siebgedruckte Metallisierung konzipierte Solarzelle wurde mit einem industrietauglichen Bor-Emitter auf der strukturierten Vorderseite hergestellt, der durch einen Stapel aus Aluminiumoxid und Siliziumnitrid (AlOx/SiNx) passiviert wird. Die Rückseite besteht aus einer Topcon-Schicht mit einem tunnelnden Oxid und einer hoch n-dotierten Poly-Silizium-Schicht, die von einer Siliziumnitrid-Schicht bedeckt ist.

„Der Beschichtungsprozess kombiniert zwei einseitige Galvanisierungsschritte eines Nickel/Kupfer/Silber-Stapels auf jeder Seite“, so die Wissenschaftler über die verwendete Metallisierungstechnik. „Das Nickel und Kupfer lieferte die Atotech Group, während der Silber-Elektrolyt identisch ist, wie er von Grübel präsentiert wird.“

Die Topcon-Rückseite wird zunächst in einem Flusssäure-Vorbehandlungsprozess beschichtet, um native und laserinduzierte Oxidschichten innerhalb der Laserkontaktöffnung zu entfernen. In einem zweiten Schritt wird ein Nickel-Kupfer-Stapel durch lichtinduzierte Beschichtung abgeschieden und durch eine Silber-Tauchbeschichtung abgeschlossen.

Die Leistung der plattierten Zelle, die eine volle Fläche von 268 Quadratzentimeter hat, wurde mit der eines ähnlichen Produkts verglichen, das mit einer siebgedruckten Metallisierung versehen wurde. Die plattierte Solarzelle erreichte eine Energieumwandlungseffizienz von 23,84 Prozent, eine Leerlaufspannung von 709 Millivolt, einen Kurzschlussstrom von 40,9 Milliampere pro Quadratzentimeter und einen Füllfaktor von 82,2 Prozent. Die siebgedruckte Zelle zeigte einen Wirkungsgrad von 23,46 Prozent, eine Leerlaufspannung von 708 Millivolt, einen Kurzschlussstrom von 40,4 Milliampere pro Quadratzentimeter und einen Füllfaktor von 82,0 Prozent.

Durch die Verringerung der Laserkontaktöffnungsbreite und die Anpassung der Anzahl der Finger profitieren die plattierten Kontakte von schmaleren Kontaktbreiten von bis zu 5,5 Mikrometer, was einen Kurzschlussstromgewinn von fast bis zu 0,5 Milliampere pro Quadratzentimeter ermöglicht, erklären die Wissenschaftler des Fraunhofer ISE. „Es gab keine Hinweise darauf, dass sich die Laserkontaktöffnungsbreite auf die Kontakthaftung auswirkt. Die Optimierung der Flusssäure-Vorbehandlung vor dem Beschichtungsprozess zeigte eine Verbesserung des Kontaktwiderstandes, so dass der Füllfaktor trotz kleinerer Kontaktgeometrien als bei den siebgedruckten Referenzen bei über 82 Prozent stabilisiert werden konnte.“

Die Solarzelle und der zugehörige Herstellungsprozess werden in dem Artikel „Progress of plated metallization for industrial bifacial Topcon silicon solar cells“ beschrieben, der im Fachmagazin „Progress in Photovoltaics“ veröffentlicht wurde. „Die plattierte Metallisierung erweist sich als geeigneter Kandidat für die Metallisierung von i-Topcon-Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden, die über denen der siebgedruckten Basis-Metallisierung liegen“, so das Fazit der Freiburger Wissenschaftler.