© Fraunhofer ISE / Foto: Dirk Mahler
Photovoltaik
Deutlich weniger Silberverbrauch für die Produktion von TOPCon-Solarzellen
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben zusammen mit dem Verbundpartner RENA Technologies GmbH einen bedeutenden Fortschritt bei der Ressourceneffizienz von Solarzellen erzielt. Im Projekt EURO gelang es, die für die Herstellung von TOPCon-Solarzellen benötigte Menge an Silber um den Faktor zehn zu reduzieren und gleichzeitig zu demonstrieren, dass das neue Verfahren technisch im industriellen Maßstab umsetzbar ist.
TOPCon-Solarzellen sind eine moderne Solarzellentechnologie und aktuell der am häufigsten produzierte Solarzellentyp. Sie zeichnen sich durch höhere mögliche Wirkungsgrade aus als bei bisher üblichen PERC-Solarzellen. Um TOPCon-Solarzellen herzustellen, werden typischerweise etwa 10 bis 12 Milligramm Silber pro Watt Leistung benötigt. Verglichen mit Silizium-Heterojunction- und IBC-Solarzellen ist das ein sehr hoher Silberanteil. Diese Solarzellentypen können bereits erfolgreich mit Silber-Kupfer- bzw. reinen Kupfer-Kontakten metallisiert werden. Das am Fraunhofer ISE entwickelte neue Verfahren zur Metallisierung der Kontakte von TOPCon-Solarzellen ermöglicht nun, die Silbermenge auf etwa 1,1 Milligramm pro Watt zu senken.
Galvanik statt konventionellem Siebdruck
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Das Wissenschaftsteam hat dazu ein galvanisches Inline-Metallisierungsverfahren auf Pilotanlagen erprobt. Die Anlagen hat der Maschinenbauer RENA Technologies entwickelt. Die Forschenden kombinieren bei dem Verfahren eine ultrakurze UV-Laserstrukturierung mit einer elektrochemischen Abscheidung von Nickel, Kupfer und Silber. Das verwendete Nickel dient als sogenannte Diffusionsbarriere. Sie schützt davor, dass Kupfer von den Kontakten in die Zelle migriert. Das Kupfer wiederum ist für die elektrische Leitung verantwortlich. Der minimale Silberanteil dient als Schutz vor Oxidation.
Mit Kupfer als leitfähigem Metall lassen sich die Produktionskosten von Solarzellen reduzieren. Galvanisch abgeschiedene Kupferkontakte können perspektivisch dazu beitragen, den Silberanteil in TOPCon-Solarzellen drastisch zu reduzieren – möglicherweise sogar fast vollständig zu ersetzen.
Hoher Wirkungsgrad der TOPCon-Solarzelle bleibt erhalten
Dass das galvanische Metallisierungsverfahren auch im industriellen Maßstab funktioniert, hat RENA Technologies im Verbund mit dem Fraunhofer ISE im Projekt EURO demonstriert. Obwohl die Forschenden den Silberanteil erheblich reduziert haben, konnten sie TOPCon-Solarzellen der Wafergröße M10 mit einem Wirkungsgrad von 24 Prozent fertigen. Damit entspricht ihr Wirkungsgrad dem der referenzierten TOPCon-Solarzelle, die per klassischem Siebdruck-Verfahren aufgebrachte Silber-Kontakte enthält. Dass das eingesparte Silber sich nicht zulasten der Leistungsfähigkeit auswirkt, ist entscheidend für eine künftige industrielle Umsetzung des neuen Verfahrens.
„Die sogenannte Nickel/Kupfer-Galvanisierung könnte innerhalb von zwei bis drei Jahren fest in den Photovoltaik-Markt eingeführt werden. Für Solarzellen-Hersteller hätte sie viele Vorteile, auch wenn sie dafür als Anfangsinvestition Galvanisierungsanlagen in ihren Produktionsprozess integrieren müssen“, sagt Dr. Sven Kluska, Gruppenleiter für Elektrochemische Prozesse am Fraunhofer ISE.
Relevanz für Kosten, Versorgungssicherheit und Nachhaltigkeit
Produktionskosten und Nachhaltigkeitsfaktoren sind zentrale Aspekte für die gesamte Photovoltaikbranche. Die TOPCon-Technologie gehört für die Weiterentwicklung von Solarzellen aktuell zu den maßgebenden Zellkonzepten. Der bisherige, im Vergleich zu anderen Technologien relativ hohe Materialeinsatz von Silber und die damit verbundenen Kosten machen es für die Branche zum wichtigen Anliegen, weniger silberintensive Verfahren zu etablieren.
Mit den nun erzielten Ergebnissen kann die TOPCon-Technologie zukünftig nicht nur niedrigere Produktionskosten realisieren – durch einen deutlich geringeren Verbrauch an Silber tragen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit ihrer Arbeit ebenfalls zu einer nachhaltigeren Solarzellenproduktion und zu einer höheren Versorgungssicherheit bei. (av)
