Ein Team des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) um Armin Richter hat eine beidseitig kontaktierte Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 26 Prozent entwickelt. Der Schlüssel für die Rekordzelle war die Ausbildung der Rückseite als vollflächiger ladungsträgersammelnder Passivierungskontakt.

Beidseitig kontaktierte Zellen erleichtern industrielle Fertigung

Bisher haben nur Solarzellen mit beiden Kontaktierungen auf der Rückseite (interdigitated back contacts, kurz IBC) so hohe Wirkungsgrade erreicht. Als Industriestandard haben sich jedoch beidseitig kontaktierte Solarzellen herauskristallisiert, da sie in der Produktion leichter zu handhaben sind. Die neue Zelle bietet den Vorteil, dass die Verschaltung zu Modulen auf bereits bestehende Technologien aufbauen kann. So können viele Standardtechnologien verwendet werden, heißt es vom Fraunhofer ISE.

„Aus einer systematischen Simulationsstudie konnten wir einige grundlegende Designregeln für zukünftige Silizium-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 26 Prozent ableiten. Beidseitig kontaktierte Solarzellen haben das Potenzial für Wirkungsgrade bis zu 27 Prozent und sind damit auch geeignet, den bisherigen Weltrekord für Silizium-Solarzellen zu übertreffen«, erklärt Prof. Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik-Forschung am Fraunhofer ISE. Damit rücken die Siliziumzellen wieder ein Stück näher an ihr physikalisches Wirkungsgrad-Limit von 29,4 Prozent.

PN-Übergang auf Zellrückseite verlegt

Die Grundlage für die beidseitig kontaktierte Rekordzelle ist die am Fraunhofer ISE entwickelte TOPCon-Technologie (Tunnel Oxide Passivating Contact). Diese verbindet laut Angaben des Instituts sehr niedrige Oberflächenrekombinationsverluste mit effizientem Ladungsträgertransport. Industrielle Standardzellen haben einen vorderseitigen pn-Übergang. Bei der neuen Zelle liegt der pn-Übergang dagegen auf der Rückseite in Form eines vollflächigen TOPCon-Kontakts. Somit ist die vollflächige Bor-Dotierung auf der Vorderseite nicht mehr nötig. Stattdessen genügt die lokale Bor-Diffusion direkt unter den Vorderseiten-Kontakten.

Die neue TOPCoRE-Zelle (TOPCon Rear Emitter Solarzelle) ermöglicht höhere Spannungen und höhere Füllfaktoren als Zellen mit sammelndem Emitter auf der Vorderseite. Durch dieses Zelldesign kann der Wafer besser für den Ladungsträgertransport ausgenutzt werden. Auch die Passivierung der Vorderseite wird so effektiver. Dies geschieht durch den Einsatz von Aluminiumoxid. Eine detaillierte Verlustleistungsanalyse zeigt, dass die Zelle sowohl Elektronen- und Lochtransportverluste als auch Transport- und Rekombinationsverluste im Allgemeinen ausgleicht und minimiert.

Den genauen Aufbau der Zelle und den Weg zu noch höheren Wirkungsgraden erklärt der  Nature Energy-Artikel „Design rules for high-efficiency both-sides-contacted silicon solar cell with balanced charge carrier transport and recombination losses“.

15.04.2021 | Quelle: Fraunhofer ISE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH