Diesmal monokristallin: Mit neuer Kontaktierung zu höherer Effizienz
Meldete das Freiburger ISE vor wenigen Tagen eine neuen Weltrekord für multikristalline Siliciumsolarzellen („jetzt mit 22,3 Prozent Wirkungsgrad“) so untersuchten Wissenschaftler nun im Projekt „ForTES“ (ebenfalls unter ISE-Leitung), wie sie die Verluste von Solarzellen reduzieren können. Dabei konzentrierten sie sich vor allem auf die Rekombination von Ladungsträgern sowie die Lichteinkopplung und erreichten 25,7 % bei einer monokristallinen Siliziumsolarzelle. Das BINE-Projektinfo „Mit neuem Verfahren näher an die ideale Solarzelle“ (13/2017) stellt die entscheidenden Schritte zur effizienteren Solarzelle vor.
Um Wirkungsgradverluste zu reduzieren, müssen freie Ladungsträger möglichst verlustfrei übertragen und deren Rekombination vermieden werden. Dies erreichten die Wissenschaftler unter anderem mit einer neuen, ganzflächig selektiven und passivierenden Kontaktierung auf der Rückseite der Solarzellen. Diese Kontaktierung besteht aus einem ultradünnen Tunneloxid und einer Siliziumschicht, die nur ein bis zwei Nanometer stark ist. Der neue Kontakt leitet die Ladungsträger nahezu verlustfrei weiter und verhindert, dass diese an den Metallkontakten rekombinieren.
Je größer der Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung ist, den die Solarzelle in elektrische Energie umwandeln kann, umso höher ist der Wirkungsgrad. Strukturen im Mikro- und Nanometermaßstab helfen in Solarzellen, das Licht einzufangen und optimal zu nutzen. Die Wissenschaftler entwickelten entsprechende Texturkombinationen für Vorder- und Rückseite der Solarzelle, mit denen die Lichteinkopplung verbessert wird.
[note Aus der „ForTES“-Seite des ISE: „Kristalline Siliciumsolarzellen absorbieren Licht im nahen Infrarot zwischen 900 und 1200 nm nur sehr schwach. Diffraktive Strukturen auf der Solarzellenrückseite können die dadurch entstehenden Absorptionsverluste minimieren. Wir simulieren und optimieren diese Strukturen und integrieren sie in hocheffiziente Siliciumsolarzellen. Mit zwei verschiedenen diffraktiven Rückseitengittern – hexagonale Kugelgitter und binäre, mittels Nanoimprint-Lithographie hergestellte Kreuzgitter – konnte nun erstmals eine Steigerung der Quanteneffizienz im nahen Infrarot experimentell gezeigt werden. Besonders für Solarzellen mit planer Vorderseite wurde ein signifikanter Stromgewinn von über 1 mA/cm2 nachgewiesen, was zu einer Gesamteffizienz von bis zu 22,1 % für Solarzellen mit planer Vorderseite führt.
Die Lichtwegverlängerung durch diffraktive Rückseitenstrukturen und somit die Steigerung der Quanteneffizienz von kristallinen Siliciumsolarzellen ist seit langem Gegenstand theoretischer und simulationsbasierter Arbeiten. Im Rahmen unseres Projekts haben wir diffraktive Rückseitenstrukturen hergestellt und erstmals erfolgreich in hocheffiziente Siliciumsolarzellen integriert. Dabei wurde insbesondere eine sehr gute elektrische Passivierung der Zellrückseite bei gleichzeitiger optischer Strukturierung erreicht. Wir bezeichnen die hergestellten Solarzellen daher als »elektrisch flach, aber optisch rau«. Damit können sowohl hohe Spannungen als auch hohe Ströme erreicht werden, was insgesamt hohe Wirkungsgrade ermöglicht. Zwei Solarzellkonzepte wurden erfolgreich entwickelt: zum einen auf n-typ Silicium basierende Solarzellen mit einem vollflächigen passivierten Kontakt (TOPCon) und einem hexagonalen Kugelgitter auf der Rückseite und zum anderen auf p-typ Silicium basierende Solarzellen mit einem binären, mittels Nanoimprint-Lithographie hergestellten Rückseitengitter und einer Aluminiumfolien-basierten Kontaktierung. In beiden Fällen wurden Steigerungen der Quanteneffizienz sowie des Kurzschlussstroms nachgewiesen. Diese Konzepte werden besonders im Hinblick auf sehr dünne, kristalline Siliciumsolarzellen oder auf Silicium-basierte Tandemsolarzellen noch attraktiver. Sollte in diesen Bereichen in Zukunft eine herkömmliche Texturierung der Solarzellenvorderseite nicht mehr möglich sein, stehen nun entwickelte Konzepte für die Lichtwegverlängerung an der Rückseite zur Verfügung.“]
->Quellen: