Solartechnologie

Weltrekord für rückseitenkontaktierte Siliciumsolarzellen

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat mit einem gemessenen Wirkungsgrad von 25,1 Prozent einen neuen Rekordwert für die Effizienz von Siliciumsolarzellen aufgestellt. Dieses Rekordergebnis ist nach Angaben der Forscher der höchste jemals erreichte Wirkungsgrad für Siliciumsolarzellen, bei denen die Metallkontakte auf Vorder- und Rückseite aufgebracht sind.

Fraunhofer ISE erzielt neuen Weltrekord für beidseitig kontaktierte Siliciumsolarzellen: TOPCon-Technologie ermöglicht 25,1 Prozent Wirkungsgrad.

Die Besonderheit der effizienten Solarzelle ist ein neues Rückseitenkonzept in Form eines ganzflächigen passivierten Kontakts. „Bisher wurden zur Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen immer komplexere Solarzellenstrukturen verwendet“, erklärt Dr. Martin Hermle, Abteilungsleiter Hocheffiziente Siliciumsolarzellen am Fraunhofer ISE. „Der große Vorteil an unserem Konzept ist, dass wir durch die Entwicklung einer neuartigen Rückseitenstruktur den Kontakt auf der Solarzellenrückseite ganzflächig und strukturierungsfrei aufbringen können, d. h. im Vergleich mit den momentan verwendeten hocheffizienten Solarzellenstrukturen vereinfachen wir den Herstellungsprozess und erhöhen dennoch die Effizienz der Solarzellen.“

Transmissionselektronenmikroskop (TEM)-Aufnahme der vom Fraunhofer ISE entwickelten TOPCon-Struktur für beidseitig kontaktierte Siliciumsolarzellen.

Bei der vom Fraunhofer ISE entwickelten sogenannten TOPCon-Technologie (Tunnel Oxide Passivated Contact) wird der Rückseitenkontakt strukturierungsfrei auf der Solarzellenrückseite aufgebracht. Hierfür haben die Freiburger Forscher einen selektiven passivierten Kontakt entwickelt, der die Majoritätsladungsträger passieren lässt, während die Minoritätsladungsträger nicht rekombinieren. Die ganzflächige Passivierungsschicht der Solarzelle wurde auf eine Dicke von ein bis zwei Nanometer reduziert, so dass die Ladungsträger durch diese hindurch tunneln können. Zusätzlich wird auf das ultradünne Tunneloxid eine dünne Schicht aus hochdotiertem Silicium flächendeckend abgeschieden. Diese Kombination erlaubt, dass der Strom verlustfrei aus der Solarzelle abfließen kann, die neutralisierende Vereinigung elektrisch positiver und negativer Ladungsträger jedoch gleichzeitig verhindert wird.

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Die in der Industrie aktuell noch dominierende Solarzelle hat als Rückseitenkontakt einen ganzflächigen einlegierten Aluminiumkontakt, der jedoch den Wirkungsgrad dieser Solarzelle limitiert. Zur Steigerung des Wirkungsgrads wird daher derzeit die PERC-Solarzelle (Passivated Emitter Rear Cell) von vielen Firmen in die Produktion überführt. Bei der PERC-Solarzelle wird nur ein kleiner Teil der Rückseite kontaktiert, um die Rekombination der Ladungsträger zu minimieren. Dieses Vorgehen erfordert jedoch zusätzliche Strukturierungsschritte und führt dazu, dass der Strom über längere Wege aus der Solarzelle abgeleitet werden muss. TOPCon ist ein möglicher Ansatz, um diese Leistungsverluste zu reduzieren.

„Mit der TOPCon-Technologie haben wir ein zukunftsweisendes Konzept entwickelt, um die Effizienz von Siliciumsolarzellen zu steigern“, glaubt Prof. Stefan Glunz, Bereichsleiter Solarzellen - Entwicklung und Charakterisierung. „Mit dem Wirkungsgrad von 25,1 Prozent können wir als erstes Forschungsinstitut mit einer evolutionären Weiterentwicklung der beidseitig kontaktierten Solarzellen die 25-Prozent-Marke überschreiten und zum Weltrekord für rückseitenkontaktierte Siliciumsolarzellen aufschließen“, ergänzt Glunz. Das Team um Dr. Martin Hermle arbeitet seit rund drei Jahren am TOPCon-Konzept. Die Wissenschaftler haben den Wirkungsgrad der Technologie kontinuierlich erhöht und mit dem jüngsten Ergebnis es erstmals geschafft, diesen Solarzellentyp mehr als ein Viertel des einfallenden Sonnenlichts in Strom umwandeln zu lassen. Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Projekts „Fortes“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) und dem U.S. Department of Energy gefördert. cs

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