Das Technologie- und Forschungsinstitut Natcore Technology in Rochester, New York, hat Solarzellen im Niedertemperaturverfahren und mit einem Laserprozess hergestellt. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen vor allem in den geringeren Produktionskosten. Denn während die Herstellung von Siliziumsolarzellen im herkömmlichen Produktionsprozess bei 850 Grad Celsius und mehr passiert, brauchen die amerikanischen Forscher maximale Temperaturen von 350 Grad Celsius. Die hohen Temperaturen im herkömmlichen Produktionsprozess kosten nicht nur viel Energie. Vielmehr ist dann auch ein spezielles Equipment notwendig. So brauchen die Hersteller spezielle Diffusionsöfen, die mit hohen Temperaturen arbeiten. Um diese Temperaturen zu überstehen, muss der Innenraum des Ofens mit Quarz oder anderen Materialien wie Siliziumkarbid ausgekleidet sein, damit er die hohen Temperaturen überhaupt überlebt. Das Niedertemperaturverfahren macht diesen Ofen komplett überflüssig.
Elektronen leben länger
Das Niedertemperaturverfahren hat aber noch weitere Vorteile. Durch die Beseitigung von hohen Temperaturen wird die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger, also des Elektrons, erhöht. Durch die verhinderte Rekombination mit den Majoritätsladungsträgern, also den Löchern, steigt der Wirkungsgrad der Solarzelle signifikant. Nach Angaben der Forscher erreicht die Solarzelle so eine Effizienz, die mit teuren und hochwertigen Silizium vergleichbar ist, wie es in Computerchips verwendet wird. So haben die Forscher mit ihrem Herstellungsverfahren Solarzellen mit einer Leerlaufspannung von mehr als 600 Millivolt produziert. Dies ist ein guter Wert für eine Solarzelle. Sie streben aber jetzt an, die Leerlaufspannung auf mindestens 650 Millivolt zu erhöhen. Selbst gute Solarzellen kommen bei einer Sonneneinstrahlung von 1.000 Watt pro Quadratmeter nicht über eine Leerlaufspannung von 630 Millivolt hinaus.
Schwarzes Silizium als Grundmaterial
Als Grundmaterial für die Solarzelle nutzten die Forscher von Natcore Technology ihr eigenes schwarzes Silizium. Dabei handelt es sich um eine Sonderform des Siliziums mit einer nadelförmigen Oberflächenstruktur, die durch den Beschuss mit sehr kurzen Laserpulsen entsteht. Durch diese Struktur kann das Silizium mehr einfallendes Licht absorbieren. Die Reflexionen werden geringer. Sie betragen nur noch etwa fünf Prozent. Dadurch erscheint das Silizium für das menschliche Auge schwarz. Allein die Verwendung des schwarzen Silizium senkt nach Angaben von Natcore die Herstellungskosten der Zellen um 23,5 Prozent. Zusätzlich dazu kommen noch die Kostenreduzierungen durch den Niedertemperaturprozess und die Strukturierung der Oberfläche mit einem Laser. „Wenn man schwarzes Silizium nimmt, ist schon das Ätzen des Silizium ein sehr kostengünstiger Prozess für das Aufbringen einer Antireflexschicht auf der Zelloberfläche“, erklärt Chuck Provini, Geschäftsführer von Natcore Technology. „Der Laserprozess ist noch preiswerter, denn dadurch werden der Energieeinsatz und die Kosten für die Chemikalien reduziert. Dazu kommen noch die Weggefallenen Kosten für den Diffusiosnofen. Mit der Kombination dieser beiden preiswerten Prozesse versuchen wir einen Paradigmenwechsel bei der Herstellung von Solarzellen.“
Kontakte auf die Rückseite verbannt
In einem nächste Schritt haben die Forscher von Natcore jetzt gezeigt, dass die Technologie auch für Solarzellen funktioniert, die komplett auf der Rückseite kontaktiert sind. Dadurch steigt der Lichteinfall in die Zelle um vier bis sechs Prozent. Schließlich fehlen auf der Vorderseite die Kontakte, die einen Teil des Halbleitermaterials verschatten. Zusammen mit anderen Verbesserungen geben die Forscher die Steigerung des absoluten Wirkungsgrads mit vier Prozent gegenüber den auf der Vorderseite kontaktierten Zellen an.
Aufwand bei Dotierung und Kontaktierung reduziert
Das Problem bei rückseitig kontaktierten Solarzellen ist, dass das Aufbringen der Kontakte sehr komplex ist. In der Regel wird die komplette Rückseite maskiert und danach auf den noch freien Stellen die Kontakte aufgebracht. Diesen Aufwand sowohl bei der Dotierung als auch bei der Kontaktierung der Rückseite reduzieren die amerikanischen Forscher durch den Einsatz eines Hochgeschwindigkeitslasers. „Diese elegante und einfache Technologie eignet sich hervorragend für die Massenproduktion“, betonen die Amerikaner.
Wann es so weit ist, dass die Entwicklungen der Forscher in Rochester tatsächlich in der Produktion ankommen ist noch offen. „Wir denken, dass unsere Technologie auf eine große Nachfrage stoßen wird“, gibt sich Chuck Provini optimistisch. „Wir werden jetzt dazu übergehen, die Technologie zusammen mit einem richtigen Industriepartner so schnell wie möglich zu lizenzieren.“ In der Forschung wollen die Amaerikaner als nächsten Schritt die Technologie des schwarzen Siliziums als Antireflexschicht auf der Vorderseite von Solarzellen anwenden, um den Wirkungsgrad noch weiter zu steigern. „Schließlich ist der Schlüssen zur Wettbewerbsfähigkeit der Solarenergie ohne Förderungen die Reduzierung der Kosten und die Steigerung des Stromertrags“, fasst Brien Lundin, Vorstandsvorsitzender von Natcore Technology, die alte Weisheit zusammen. „Unsere jüngsten Fortschritte mit dem Laserprozess ermöglicht beides und zwar sogar noch in einem größerem Ausmaß als wir es vorher für möglich gehalten haben. Dies ist unsere erste Anwendung die nicht nur marktreif ist, sondern diesen regelrecht durchbrechen wird.“ (Sven Ullrich)
