Metallbeschichtung als Weg zu günstigeren hocheffizienten Solarzellen

Der erste Teil dieser Serie skizzierte die technologischen Entwicklungen, die bis heute stattgefunden haben siebgedruckte Solarzellen zusätzlich zum weltweiten PV-Umsatz. Trotz ihrer dominanten Stellung bei den meisten PV-Herstellern dürfte die klassische Siebdruckzelle durch sie ersetzt werden PERC Zellen innerhalb des kommenden Jahrzehnts. Darüber hinaus wurden die jüngsten Weltrekorde aufgestellt von Panasonic Und Sonnenkraft auf Rückseitenkontakt-Solarzellen deuten auf Architekturen hin, die die zukünftige Dominanz sichern. In diesem Artikel werden die Grundlagen der Metallbeschichtung für die Herstellung von Solarzellen erläutert. Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung in der Solarzellenverarbeitung, die Zelldesigns der Zukunft berücksichtigen und hocheffiziente Geräte zu geringeren Kosten ermöglichen kann.

Die Anforderungen an die PV-Fertigung wachsen kontinuierlich – sowohl die Panasonic- als auch die SunPower-Weltrekordzellen erfordern fortschrittliche Fertigungstechniken, die hochauflösende und kraftarme Metallkontaktierungssysteme ermöglichen. Die International Technology Roadmap for PV (ITRPV) prognostiziert, dass die Dicke von Siliziumwafern und der Einsatz von Silber in der PV-Produktion – hauptsächlich enthalten in Siebdruckpasten – im nächsten Jahrzehnt deutlich abnehmen werden. Dieser Trend ist auf den hohen Silberpreis und die Kostensenkung der Hersteller durch den Einsatz von weniger Silizium pro Wafer zurückzuführen. Bezeichnenderweise gehen dieselben ITRPV-Prognosen auch davon aus, dass (Nickel- und Kupfer-)beschichtete Solarzellen bis Ende 2024 über 35 % des PV-Marktes ausmachen werden.

Die projizierte Dicke von Wafern in der Massenproduktion. (Bildquelle: ITRPV)

Gewicht des pro Zelle verwendeten Silbers und der prognostizierte Anteil der Beschichtungstechnologien im nächsten Jahrzehnt. (Bildquelle: ITRPV)

Eine Einführung in die Beschichtung

Galvanisieren ist der Prozess, bei dem eine leitende Oberfläche mit einer Metallschicht bedeckt werden kann, wenn sie in eine Lösung eingetaucht wird, die gelöste Metallionen enthält. Damit gelöstes Metall auf die gewünschten leitenden Bereiche plattiert werden kann, müssen diese „reduziert“ werden – mit anderen Worten: Sie müssen irgendwo im Beschichtungssystem ein Elektron aufnehmen, um an der leitenden Oberfläche zu haften. Diese Elektronen können von einer externen Stromquelle (z. B. Batterie oder Netzteil), durch die Oxidation anderer Metalle innerhalb des Beschichtungssystems (z. B. durch die Oxidation des Kupferstabs im Bild unten) oder sogar von Reduktionsmitteln in der chemischen Lösung stammen (wie es bei der stromlosen Beschichtung der Fall ist).

Eine mit Kupfer (Cu) plattierte Metallkathode in einer Kupfersulfatlösung (CuSO4), die eine Opferanode aus Kupfer enthält, die während des Galvanisierungsprozesses oxidiert und Elektronen abgibt. (Bildquelle: Wikimedia Commons)

Obwohl es recht exotisch klingen mag, werden Metallbeschichtungen häufig zur Beschichtung und Bearbeitung vieler Konsumgüter wie Besteck, Autoteile, Elektronikkomponenten und sogar Musikinstrumente verwendet.

Vergoldete Solarzellen

Im Zusammenhang mit Solarzellen kann die Metallplattierung als Prozess mit geringem Kraftaufwand eingesetzt werden, bei dem Metall (typischerweise Nickel und Kupfer) an Stellen mit freiliegendem Silizium auf der Solarzelle abgeschieden werden kann – beispielsweise an Stellen, die durch isolierende Antireflexionsbeschichtungen geöffnet sind. Das Verfahren erfordert keinen nennenswerten Kraftaufwand und ist daher auch mit dünneren Wafern kompatibel. Zu den Anwendungen gehören die Bildung von Metallkontakten auf der Vorder- und/oder Rückseite sowie die Verstärkung weniger leitfähiger Materialien mit einer dickeren Schicht aus plattiertem Metall.

Eine besonders clevere Adaption der Metallisierung für Solarzellen ist das Verfahren der lichtinduzierten Beschichtung. Es nutzt die gleichen Grundprinzipien wie das Galvanisieren; Durch Beleuchten der Solarzelle, während sie in Lösung eingetaucht ist, kann jedoch die Stromversorgung überflüssig gemacht werden und der Strom, der die Solarplattierungsreaktion antreibt, kommt von der Zelle selbst. Hierbei handelt es sich um eine Beschichtungstechnik, die derzeit in Fertigungslinien auf der ganzen Welt eingesetzt wird.

Ein lichtinduzierter Galvanisierungsaufbau, der die beleuchtete Solarzelle zeigt, die den Galvanisierungsstrom antreibt. Dieser spezielle Aufbau verfügt auch über Spannungssteuerungsfunktionen (Vbias) (Bildquelle: Materialien)

Ausblick

Das ITRPV prognostiziert, dass die Kosten für PV innerhalb eines Jahrzehnts wahnsinnige 0,33 US-Dollar pro Watt betragen werden. Um an diesen Punkt zu gelangen, ist ein Übergang zu fortschrittlichen Fertigungstechniken erforderlich, und Beschichtungstechnologien, die es uns ermöglichen, weniger Silber- und Siliziummaterial zu verwenden und gleichzeitig die Zelleffizienz zu verbessern, werden uns dabei helfen, dorthin zu gelangen. Es ist keine leichte Aufgabe, neue Prozesse in der Massenproduktion zum Laufen zu bringen, und es müssen noch erhebliche Probleme gelöst werden, aber die PV-Forschungsgemeinschaft verfügt über eine Reihe von Optionen, die wir auf dem Weg zu supergünstiger Solarenergie prüfen können.

Top-Bildnachweis: Photovoltaik-Bildungsnetzwerk