Deutsche Forscher simulieren IBC-Solarzellenarchitektur mit einem Wirkungsgradpotenzial von 29,1 Prozent

von pv magazine International

Forscher in Deutschland haben eine Reihe von numerischen Simulationen durchgeführt, um zu bewerten, wie photonische Kristalle die Effizienz von Solarzellen mit Interdigitated Back Contact (IBC) erhöhen können, die auf einem passivierenden elektronenselektiven n-Typ Polysilizium-auf-Oxid-(POLO)-Übergang am Minuskontakt der Zelle und einem lochselektiven p-Typ POLO-Übergang am Pluskontakt basieren.

Photonische Kristalle sind periodische dielektrische Strukturen, die sich ideal für Photovoltaik-Anwendungen eignen. Denn sie weisen eine Bandlücke auf, welche die Ausbreitung eines bestimmten Frequenzbereichs des Lichts verhindert, wodurch sich die Weglänge der Photonen erhöht, insbesondere bei hohen Wellenlängen.

„Die praktische Effizienzgrenze von Silizium-Einzelzellen mit PPLO-Kontakten für beide Polaritäten – am besten auf der Rückseite, um Abschattung und parasitäre Absorption zu minimieren – liegt bei über 27 Prozent“, so Robby Peibst, der korrespondierende Autor des Forschungsprojekts, gegenüber pv magazine. „Der verbesserte Lichteinfang, den die photonischen Kristalle versprechen, könnte noch höhere Wirkungsgrade ermöglichen.“

Bei der simulierten Zelle wurde von einer Standard-Waferdicke von 150 Mikrometern ausgegangen, und die Wissenschaftler fanden heraus, dass sie bei normalem Lichteinfall einen Wirkungsgrad von über 28 Prozent erreichen kann. „Da die Maxwell-Gleichungen die Bildung optischer Moden parallel zur Oberfläche vorhersagen, ist die Optik ziemlich unabhängig von der Waferdicke“, so Peibst. „Letztere konnte daher stark reduziert werden, was auch die extrinsischen und intrinsischen Rekombinationsverluste im Wafer verringert.“

Die deutsche Gruppe untersuchte zudem, wie die Verbesserung des Hydrierungsprozesses der POLO-Kontakte durch einen rückseitigen dielektrischen Schichtstapel aus Aluminiumoxid und Siliziumnitrid (Al2O3/SiNx/Al2O3) die Effizienz des Bauelements bei gleicher Standarddicke weiter erhöhen kann. Es wurde festgestellt, dass sich mit dieser Konfiguration ein Wirkungsgrad von bis zu 29,1 Prozent erreichen lässt. „Auch ohne photonische Kristalle wird für die verbesserte Oberflächenpassivierung auf 150 Mikrometer dicken Wafern ein Wirkungsgradpotenzial von 27,8 Prozent vorhergesagt“, so die Wissenschaftler.

„Die Übertragung des Konzepts der photonischen Kristalle in die Photovoltaik befindet sich in einem sehr frühen Stadium“, so Peibst. Obwohl es keinen Zweifel an den Maxwell-Gleichungen gebe und photonische Kristalle bereits für andere Anwendungen kommerzialisiert worden seien, sei ihr Nutzen auf der Ebene der Solarzelle bisher nicht nachgewiesen worden. „Wir planen nun, Aspekte wie die Winkelabhängigkeit und die Auswirkung von spektralen Variationen experimentell zu untersuchen.“

Ein weiterer wichtiger Schritt sei die Entwicklung einer industriell umsetzbaren und kostengünstigen Methode zur Herstellung von photonischen Kristallen auch auf sägegeschädigten geätzten Oberflächen. „Bislang werden photonische Kristalle mit verschiedenen Lithographietechniken hergestellt“, so Peibst. „Ihre angestrebte Größe für die Anwendung auf der Vorderseite von Solarzellen von etwa ein bis drei Mikrometer ist jedoch auch mit anderen Techniken realisierbar, die für die Photovoltaik als billig genug angesehen werden können.“

Was die Kosten für Solarzellen auf der Basis photonischer Kristalle betrifft, so wären sie die gleichen wie für hocheffiziente Premiumzellen. „Die Kosten sind bisher höher als bei Standard-PERC-Modulen, aber sie können wahrscheinlich durch Skalierungseffekte und insbesondere durch neue kostengünstige Metallisierungsverfahren wie nichtlegierende Aluminium-Pasten zur Kontaktierung des Poly-Si weiter sinken“, fügte Peibst hinzu und wies darauf hin, dass diese Zellen ideale Anwendungen in der Aufdach- und fahrzeugintegrierten Photovoltaik finden könnten.

Die Solarzelle wurde in der Studie „Towards 28 %-efficient Si single-junction solar cells with better passivating POLO junctions and photonic crystals“ vorgestellt, die in Solar Energy Materials and Solar Cells veröffentlicht wurde. An der Forschergruppe sind Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover und des Instituts für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) beteiligt.