Die nächste Generation von Solarzellen wird erheblich zu einer nachhaltigen Stromversorgung im weltweiten Maßstab beitragen. Für aktuelle Technologien wie PERC (Passivated emitter and rear cell), die dabei im Fokus stehen, hat ein Team des Fraunhofer-Centers für Silizium-Photovoltaik CSP jetzt einen Wirkmechanismus erforscht, mit dem Hochleistungszellen optimiert werden können.

PERC steht für Passivated emitter and rear cell, also für Zellen mit passivierter Emitter- und Rückseite. Diese ermöglichen eine größere Lichtausbeute im hinteren Bereich der Zelle und damit einen höheren Stromertrag. Die PERC-Technologie dominiert derzeit den Markt, kann in günstiger Massenproduktion umgesetzt werden und ermöglicht eine noch leistungsfähigere Photovoltaik.

Da die hocheffizienten Solarzellen neuer Generationen noch nicht so gut erforscht sind wie seit Jahrzehnten etablierte Standardtechnologien, können damit auch neue Fehlerursachen, Degradationsprozesse oder Versagensrisiken einher gehen. Das Team um Dr. Stephan Großer, Projektleiter in der Gruppe “Diagnostik und Metrologie” am Fraunhofer CSP, will dafür frühzeitig Lösungen schaffen. Im jetzt abgeschlossenen Projekt war dafür die CE Cell Engineering GmbH mit an Bord, die sich auf Technologien und Prozesse für die Optimierung von kristallinen Solarzellen spezialisiert hat.

Gemeinsam haben die Projektpartner ein neues Verfahren für Solarzelltechnologien erprobt, wobei sie vor allem darauf abzielten, den Serienwiderstand von kristallinen Solarzellen zu senken und damit den Wirkungsgrad zu steigern. “Die Kontaktierung von Oberflächenstrukturen (Emittern) von Solarzellen mit hohem Schichtwiderstand ist derzeit technisch möglich, aber aufwändig. Der Serienwiderstand der Kontaktstruktur auf der Solarzelle steigt durch hohe Kontaktwiderstände an, was die Effizienz einer Solarzelle deutlich reduziert. Im Projekt hingegen haben wir den Serienwiderstand durch den Einsatz von Laser-unterstützer Strombehandlung senken und das Wirkprinzip aufklären können”, sagt Großer.

Gegenstand der Untersuchungen waren fehlerhafte Halbleiter-Metall-Kontakte in den Zellen, bei denen es zu einer unzureichenden elektrischen Kontaktbildung zwischen Metall und Halbleiter kam. Das Team testete, ob und inwiefern der Einsatz von Laser-unterstützer Strombehandlung an den Kontaktstellen die Leistungsfähigkeit der Solarzellkontakte verbessert. Durch Aufklärung der Mikrostruktur konnte der bisher unbekannte physikalische Wirkmechanismus der Kontaktbildung durch das Laser Enhanced Contact Optimization-Verfahren, auch als LECO-Prozess benannt, am Interface zwischen dem Metall und dem Siliziumwafer identifiziert werden. Der LECO-Prozess stellt einen nachgeschalteten Prozess dar, der die Metall-Halbleiter-Kontakte verbessert und somit die Ausbeute der Produktion erhöht. Die Optimierung der Kontakte findet durch eine Vielzahl von mikroskopisch kleinen Strom-gefeuerten Kontaktpunkten statt, die einen sehr geringen Serienwiderstand zwischen dem metallischen Silber-Kontaktfinger und dem dotierten Siliziumwafer ermöglichen.

Die Forschenden am Fraunhofer CSP meldeten zudem neuartige Methoden zur elektrischen Charakterisierung und Bewertung von LECO-Prozessparametern zur Patentierung an. Die durchgeführten Untersuchungen der Stabilität der Solarzellen zeigten, dass das angewendete LECO-Verfahren zu keiner Schädigung der Solarzellen führte.

“F&E-Aktivitäten bilden einen wichtigen Bestandteil zur Effizienzerhöhung von Solarzellen und somit zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit der Solarenergie und somit zur Einsparung von CO2. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts sind für uns ein hilfreicher Baustein zur Entwicklung und Herstellung von innovativer Maschinentechnik für den Weltmarkt”, sagt Patrick Müller, Geschäftsführer der CE Cell Engineering GmbH.

Bild ganz oben: Foto: Im Projekt konnten Leistungsverluste, die im Bereich hochohmiger Kontakte auftreten, mit Hilfe des LECO-Verfahrens deutlich reduziert und der zugehörige Wirkmechanismus auf Mikrostrukturebene aufgeklärt werden. Die Abbildungen zeigen Details der Kontaktstellen mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Fraunhofer CSP

Von fil