Der Weg zu effizienteren und billigeren kristallinen Solarzellen führt unter anderem über die Materialsubstitution. Statt teures Silber bei der Metallisierung von kristallinen Solarzellen einzusetzen, tut es auch das vergleichsweise billigere Kupfer. Mit dieser Technik haben die Forscher des Interuniversity Microelectronics Centre (IMES) in Leuven, Belgien eine Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 19,4 Prozent hergestellt. Dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) in Freiburg ist es Anfang September gelungen, eine mit Kupfer metallisierte Zelle mit einem Wirkungsgrad von 21,4 Prozent herzustellen.
Dieses Ergebnis liegt auf Augenhöhe mit Vergleichswerten von Solarzellen mit einem hocheffizienten Titan/Palladium/Silber-Kontaktsystem, das in vergleichsweise teuren Vakuum-Laborprozessen erzeugt wird. Das Kupfer scheiden die Freiburger im galvanischen Prozess ab. Der ist nicht nur kostengünstig, sondern verspricht auch eine hohe Ausbeute. Als Barriere gegen die Diffusion von Kupfer in das Silizium nutzen die Forscher des Fraunhofer ISE Nickel, das sie ebenfalls in einem galvanischen Prozess abscheiden.
Die Forscher von IMES gehen einen anderen Weg. Sie erreichten ihren Spitzenwirkungsgrad, indem sie mit einem Laser die Antireflexschicht lokal entfernen. In die geöffnete Schicht scheiden sie Nickel ab, das sie mit Kupfer lötbar machen. Das Fraunhofer ISE bestätigt, dass mit diesem Verfahren noch höhere Wirkungsgrade möglich sind.
Laserprozess ist noch zu aufwändig
Allerdings ist der Laserprozess ein noch zu lösendes Problem. „Der sieht zwar einfach aus, ist aber nicht einfach zu handeln“, erklärt Robert Mertens vom IMES auf der EU PVSEC in Hamburg. „Die Kosten steigen vor allem aufgrund der Anzahl der Arbeitsschritte. Aber die Vorteile gegenüber der Metallisierung mit Silber sind neben den geringen Materialkosten vor allem die Reduzierung der Verluste durch Verschattungen und ein niedrigerer Kontaktwiderstand.“ Das macht den Einsatz von niedriger dotierten Emittern möglich, wodurch sich die Rekombinationsverluste verringern und die Stromausbeute steigt.
Neben der Materialsubstitution ist für Robert Mertens die Übertragung der bisherigen Forschungsergebnisse in den industriellen Herstellungsprozess notwendig, um effiziente Zellen billig anbieten zu können. Als Beispiel nennt er die vorder- und rückseitige Passivierung der Zellen. Diese sogenannte PERC-Technologie haben die Forscher des Fraunhofer ISE bisher im Labor angewendet, wobei sie schon im April einen Spitzenwirkungsgrad von 20,2 Prozent schafften. Das wird aber noch einige Zeit dauern. Mertens geht davon aus, dass erst 2020 die Marke von 20 Prozent Wirkungsgrad in der industriellen Herstellung von monokristallinen Zellen geknackt wird. Industriell produzierte polykrostalline Zellen schaffen es im gleichen Zeitraum auf knapp 19 Prozent. Allerdings sei die Reduzierung der Herstellungskosten pro Watt und der Stückkosten entscheidender „Der Beitrag des Wirkungsgrades der Zellen ist weniger entscheidend“, meint Robert Mertens. (Sven Ullrich)
