Stille Innovationen halten siebgedruckte Solarzellen an der Spitze

Bei allem wohlverdienten Hype um fortschrittliche Solarzellendesigns bleibt die Siebdruck-Solarzelle (SP) der Industriestandard. Das robuste Design, das 2014 etwa 90 % der weltweiten Produktion ausmachte, hat sich bewährt und hat seit seiner Einführung in den 1970er-Jahren einen rasanten Anstieg auf aktuelle Modulwirkungsgrade von nahezu 18 % verzeichnet. Es ist erst seit Kurzem ernsthafter Konkurrenz ausgesetzt. Warum war dieses Design so erfolgreich bei der Abwehr der Konkurrenz?

Kurz gesagt, Geld zählt und das liegt an der Fähigkeit von SP-Solarzellen, aus relativ kostengünstigen Materialien und Prozessen so viel Strom wie möglich herauszuholen. In den folgenden Abschnitten werden zwei aktuelle Innovationen näher erläutert, die diesen Trend fortgesetzt haben: fortschrittliche Siebdruckpasten und verbesserte Diodentechnik.

Das klassische Siebdruck-Solarzellendesign

Die vordere, lichtempfangende Seite einer SP-Solarzelle wird typischerweise mit den drei unten aufgeführten Merkmalen geformt.

1. Negativ geladener „n+-Emitter“: Die Vorderseite einer typischen SP-Solarzelle ist mit Phosphor „dotiert“, um dem Siliziummaterial insgesamt eine negative Ladung zu verleihen. Diese negativ geladene Schicht bildet eine Seite der Diode, die zur Herstellung einer Solarzelle benötigt wird – der andere positiv geladene Bereich der Solarzelle ist im Diagramm unten grau dargestellt. Der n+-Emitter ist unglaublich dünn. Mit einer Größe von weniger als einem halben Mikrometer (µm) ist es etwa 100-mal dünner als menschliches Haar.
2. Antireflexionsbeschichtung (ARC): Die ARC ist dafür verantwortlich, die Menge des von der Vorderseite reflektierten Lichts zu reduzieren und die elektrischen Eigenschaften der Siliziumoberfläche zu verbessern. Es handelt sich um ein isolierendes Material, das die Stromleitung durch das Material einschränkt.
3. Siebgedruckte silberne (Ag) „Finger“-Kontakte: Die SP-Silberfinger auf der Vorderseite sammeln den im Silizium erzeugten Strom für den Transport außerhalb des Geräts, ähnlich wie Batterien an beiden Enden metallische Anschlüsse haben. Als Paste auf die ARC aufgetragen, muss sie bei Temperaturen von bis zu 800 °C gebrannt werden, um die Metallpartikel zu verbinden und, was ebenso wichtig ist, durch die ARC zu ätzen, um einen elektrischen Kontakt mit dem darunter liegenden Silizium zu ermöglichen .

Das siebgedruckte Silber (Ag) auf der Vorderseite muss durch die isolierende Antireflexionsbeschichtung (ARC) geätzt werden, um einen elektrischen Kontakt zur darunter liegenden Silizium-Solarzelle zu ermöglichen. (Bildquelle: ISFH)

Obwohl dies recht einfach erscheint, kann es in der Praxis schwierig sein, es richtig hinzubekommen. Wenn die SP-Paste zu weit durch den ARC ätzt und sich zu weit in den n+-Emitter „frisst“, kann es zu erheblichen Leistungseinbußen der Zelle kommen. Der Trick besteht darin, das Metall vollständig durch den ARC zu transportieren, ohne etwas anderes als die oberste Schicht des n+-Emitters zu berühren, die typischerweise die höchste Phosphorkonzentration enthält und so einen guten elektrischen Kontakt ermöglicht. Im Allgemeinen konnten ältere SP-Pasten nicht mit leichter dotiertem Silizium in Kontakt kommen, ohne dass die Zellleistung danach abnahm.

Erschwerend kommt hinzu, dass es auch eine Grenze dafür gibt, wie viel Phosphor man in die Vorderseite des Siliziums einbringen kann, bevor es zu einer Verschlechterung der Zellleistung kommt. In der Vergangenheit litten die meisten SP-Solarzellen unter einer „toten Schicht“ an der Vorderseite des Geräts, die durch eine zu hohe Phosphorkonzentration in diesem Bereich verursacht wurde. Leider war eine so hohe Emitterdotierung erforderlich, um einen guten elektrischen Kontakt mit den damals verfügbaren älteren SP-Pasten zu ermöglichen. Jahrelang hatten Hersteller von Solarzellen nicht optimale SP-Zellen mit einer toten Schicht auf der Vorderseite hergestellt, was größtenteils auf die Einschränkungen des SP-Pasten- und Emitterbildungsprozesses zurückzuführen war.

Verbesserungen bei Siebdruckpaste und Emitter

Das hat sich mit zwei wichtigen Durchbrüchen geändert: (i) SP-Pasten, die einen guten elektrischen Kontakt mit leicht dotiertem Silizium herstellen können; und (ii) Emitterbildungsschemata, die Totschichteffekte reduzieren. In Kombination haben diese beiden Innovationen dazu beigetragen, die Effizienz von SP-Zellenmodulen auf das heutige Niveau zu bringen.

Einen großen Anteil an diesen Entwicklungen haben Siebdruckpastenhersteller wie DuPont und Heraeus. Sie haben spezielle PV-Pasten hergestellt, die einen guten elektrischen Kontakt zu leicht dotiertem Silizium ermöglichen und während des Brennprozesses der SP-Paste viel weniger durch den Emitter ätzen. Dies macht den Frontmetallisierungsprozess für Solarzellenhersteller deutlich verträglicher.

Darüber hinaus sind auch die Arbeiten der Forscher vorangekommen, um zu verstehen, wie die Menge an Phosphordotierung in der Zelle reduziert werden kann – so dass die tote Schicht effektiv beseitigt wird und gleichzeitig die Leistung erhalten bleibt. Diese Designverbesserung hat zu Effizienzsteigerungen von mehr als 1 % (absolut) bei SP-Zellen geführt.

Wenn man bedenkt, wie viel Gigawatt Solarenergie jedes Jahr produziert werden, bedeuten Verbesserungen um 1 % weltweit eine zusätzliche Stromerzeugung im zweistelligen Millionenbereich. Diese Effizienzsteigerung ohne Erhöhung der Herstellungskosten bedeutet, dass wir für unsere Module weiterhin weniger pro Watt bezahlen.

Die bescheidene SP-Solarzelle hat trotz ihres unscheinbaren Profils die PV-Branche dominiert und wird dies auch in den nächsten zehn Jahren weiterhin tun. Aber es gibt Herausforderer, die in der Schlange warten. Im zweiten Teil dieser Serie befassen wir uns mit einem der größten Konkurrenten des Siebdrucks, der Metallbeschichtung. Als bekannter Herstellungsprozess war er im letzten Jahrzehnt ein Thema von großem Interesse und bietet das Potenzial, die Kosten für Zellmetall zu senken und gleichzeitig die Effizienz zu steigern.

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