Neue Technologie bei Solarzellen etabliert sich

Photovoltaik ist eine der Schlüsseltechnologien der Energiewende. Um internationale Klimaziele zu erreichen, soll die jährlich neu installierte Photovoltaikleistung in den nächsten Jahren vervielfacht werden. Dafür ist immer effizientere und kostengünstigere Technologie gefragt. Ein laserbasierter Fertigungsprozess des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg ebnet den Weg.

Mit der „Fired Contact (LFC)-Technologie“ können effizientere Solarzellen kostengünstig in Serie produziert werden. Bisher werden Solarzellen in der Regel mit einem flächigen metallischen Kontakt versehen. So kann Strom aus der Zelle in die Elektrode fließen. Der Kontakt bedeckt die gesamte Rückseite eines Siliziumwafers – was den Wirkungsgrad limitiert. Eine leistungsfähige Alternative seit 1989: die Passivated Emitter and Rear Cell-Technologie, kurz PERC. Sie enthält im Vergleich zu konventionellen Zellen eine zusätzliche spiegelnde Schicht auf der Rückseite und Tausende elektrischer Kontaktstellen. Mit dem LFC-Prozess ermöglichen die Fraunhofer-Forscher nun die erste industrielle Massenproduktion der PERC-Solarzelle.

Effizientere Solarzellen in Serie

Auf der Unterseite einer PERC-Solarzelle wird zwischen Kontaktschicht und Wafer eine sehr dünne nicht-leitende Schicht abgeschieden. Sie dient als Spiegel und reflektiert den Anteil des Sonnenlichts, der beim Durchdringen des Wafers nicht absorbiert wurde, in die Siliziumscheibe zurück. Da auch die Vorderseite das Licht zurückwirft, wird es im Siliziumwafer gefangen – der Wirkungsgrad der Solarzelle steigt. Wird der Strom aus dem Wafer abgeleitet, sind viele kleine Öffnungen in der nicht-leitenden Schicht notwendig. Sie bilden den Kontakt zwischen Elektrodenmetall und Siliziumwafer. Beim LFC-Verfahren wird jeder dieser etwa 100.000 Kontakte durch einen einzelnen Laserpuls erzeugt.

„Die Schwierigkeit bestand darin, die Pulse so abzustimmen, dass einerseits der Kontakt vollständig ausgebildet ist, das Silizium aber nur minimal beeinträchtigt wird. Entscheidend dafür ist, dass das Laserlicht nur zwischen 50 und 2000 Nanosekunden einwirkt“, erklärt Dr. Jan Nekarda, Gruppenleiter am ISE. Durch ein neuartiges System die Laserstrahlen zu führen, können alle Kontakte in etwa einer Sekunde hergestellt werden.

„Die so produzierten PERC-Solarzellen haben einen verbesserten Wirkungsgrad von zirka fünf Prozent relativ bei einem Solarzellenwirkungsgrad von heute etwa 20 Prozent. Im gesamten System konnten wir den Energieertrag um etwa sieben Prozent steigern“, freut sich Ralf Preu, Bereichsleiter Photovoltaik-Produktionstechnologie und Qualitätssicherung am ISE. Der Wirkungsgrad ist bedeutend, da die meisten Kosten in der Photovoltaik flächenabhängig sind. „Braucht man derzeit 100 Quadratmeter Solarzellen, benötigt man in Zukunft nur noch 93 Quadratmeter, um die gleiche Strommenge zu erzeugen. Das bedeutet nicht nur weniger Silizium, sondern auch weniger Modul-Material, weniger Material in den Systemen, und man spart schlussendlich auch Planungskosten“.

Von der Wirtschaft angenommen

Das Laser-Verfahren lässt sich einfach und kostengünstig in bestehende Produktionsprozesse der Hersteller von Solarzellen integrieren. Weltweit haben Unternehmen die PERC-Technologie bereits in die Massenfertigung überführt. Ralf Preu: „Allein im laufenden Jahr werden von Herstellern dazu Investitionen von mehr als 200 Millionen Euro getätigt. Damit ist die nächste Evolutionsstufe der Siliziumsolarzelle endgültig etabliert.“