Mit einer neuen, ganzflächig selektiven und passivierenden Kontaktierung auf der Rückseite der Solarzellen konnten Wissenschaftler Wirkungsgradverluste verringern.

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Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen erhöhen Mit neuer Kontaktierung zu höherer Effizienz

28.09.2017

Wie können Verluste von Siliziumsolarzellen reduziert werden? Wissenschaftler konzentrierten sich auf die Rekombination von Ladungsträgern sowie die Lichteinkopplung und erzielten so einen höheren Wirkungsgrad.

Um Wirkungsgradverluste zu reduzieren, müssen freie Ladungsträger möglichst verlustfrei übertragen und deren Rekombination vermieden werden. Dies erreichten 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.

Das Licht einfangen

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.

Zur Steigerung des Wirkungsgrads von Siliziumsolarzellen wird das PERC-Konzept (Passivated Emitter Rear locally Contacted) in die industrielle Produktion übertragen. Durch die dielektrische Oberflächenpassivierung und die Reduzierung der metallisierten Fläche zu Punktkontakten lassen sich höhere Spannungen erzielen. Der Spannungsgewinn bringt aber auch einen erhöhten Serienwiderstand mit sich, da die Ladungsträger einen weiteren Weg innerhalb des Siliciums zurücklegen müssen. Die Optimierung einer solchen Struktur erfordert daher den Ausgleich von hoher Spannung (großer Abstand der Punktkontakte) und hohem Füllfaktor (kleiner Abstand der Punktkontakte).

Verlustfrei transportieren

Eine Möglichkeit, diesen Zielkonflikt zu umgehen, liegt in der Verwendung von ganzflächigen selektiven Kontakten, auch passivierte Kontakte genannt. Die Herausforderung bei diesen Kontakten besteht darin, dass sie zum einen die Rekombination von Ladungsträgern unterdrücken und gleichzeitig einen verlustfreien Transport der Majoritätsladungsträger ermöglichen müssen. Am Fraunhofer ISE wurde ein solcher Kontakt auf Basis eines ultradünnen Tunneloxids und einer dünnen Siliziumschicht (Tunnel Oxide Passivated Contact, TOPCon) entwickelt und in hocheffiziente Solarzellenstrukturen implementiert.

Die hohen gemessenen effektiven Lebensdauern der Struktur belegen die sehr guten Passiviereigenschaften des verwendeten Schichtsystems. Da das als Tunneloxid verwendete Siliziumoxid auch für die Majoritätsladungsträger prinzipiell eine Barriere darstellt, muss diese so dünn ausgebildet werden, dass die Ladungsträger diese mittels quantenmechanischer Tunnelprozesse überwinden können. Um diesen Ladungsträgertransport zu untersuchen, wurden hocheffiziente n-Typ Solarzellen mit einem diffundierten vorderseitigen Bor-Emitter und dem ganzflächigen TOPCon- Rückseitenkontakt hergestellt.

Höherer Wirkungsgrad durch Rückseitenkontakt

Sehr hohe Füllfaktoren von über 82 Prozent und Spannungen von über 700 mV belegen, dass sich der Ladungsträgertransport über das Tunneloxid nahezu verlustfrei vollzieht. Dies zeigt, dass mit der TOPCon-Struktur ein selektiver passivierter Kontakt realisiert wurde. Insgesamt konnte mit der TOPCon-Rückseite ein einfacher und strukturierungsfreier Rückseitenkontakt etabliert werden, mit dem auf hocheffizienten n-Typ Solarzellen Wirkungsgrade von bis zu 24 Prozent erzielt werden konnten.

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