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Ein bedeutender Hebel für die Forscher war der Siebdruckprozess für die Vorderseitenkontaktierung, der signifikant verbessert wurde.

Bild: iStock; SergiyMolchenko

Leistungsverlust um 50 Prozent gesenkt Modulleistung auf 318 Watt gesteigert

04.06.2018

Vor kurzem gelang es einem Forscherteam im Rahmen des AdmMo-Projekts eine monokristalline Siliziumsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 22 Prozent herzustellen.

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Auf Basis der neuen Zellen produzierte das Forschungskonsortium ein Modul mit 120 Halbzellen und einer Ausgangsleistung von 318 Watt. Gleichzeitig konnten die Produktionskosten für derartige Module signifikant reduziert werden. Das nächste Ziel ist es nun weitere Technologiebausteine aus dem Projekt Schritt für Schritt in die Massenproduktion zu überführen sowie deren Entwicklung kontinuierlich weiterzuführen. Hinsichtlich der Wirkungsgradsteigerung und Kostensenkung sehen die Forscher weiteres Potential.

Ziele wurden übertroffen

Zu Beginn des dreijährigen Projekts hatte sich das Forschungskonsortium vorgenommen, auf multikristallinem Silizium die 20-Prozent-Marke zu erreichen und ein 300 Watt-Modul herzustellen. Beide Ziele wurden während der Projektlaufzeit aufgrund der wachsenden Bedeutung monokristallinen Siliziums auf diesem Material fortgeschrieben und nun erreicht.

Ein bedeutender Hebel für die Forscher war der Siebdruckprozess für die Vorderseitenkontaktierung, der signifikant verbessert wurde. Dazu wurden die Metallisierungspasten hinsichtlich der Kontaktierung untersucht und weiterentwickelt. Die Fließeigenschaften wurden eingehend analysiert und das Druckverhalten zusammen mit angepassten Druckschablonen optimiert. Diese koordinierte Entwicklung ermöglichte den Druck von Silberstrukturen in einer produktionsnahen Pilotlinienfertigung mit einer Breite von weniger als 30 Mikrometer und einem Aspektverhältnis von mehr als 0,6. Damit wird das Verhältnis aus der Höhe der Kontaktfinger zu ihrer Breite beschrieben. Derartig günstige Strukturen gewährleisten eine hohe Leitfähigkeit, senken die Abschattungsverluste und führen aufgrund des reduzierten Silberverbrauchs zu erheblichen Kosteneinsparungen.

Mehrere technische Fortschritte

Die Forscher verbesserten die bei PERC-Zellen vorhandene Vorder- und Rückseitenpassivierung weiter und konnten zugleich durch die Entwicklung eines neuen Anlagenkonzepts die Kosten substanziell senken. Auch bei der rückseitigen Laseröffnung wurde ein neues Anlagenkonzept für einen Produktionsdurchsatz von mehr als 5.000 Wafern pro Stunde entwickelt und aufgebaut. Dieser Fortschritt wurde insbesondere durch einen verbesserten Handlingautomaten erreicht.

Ebenso wurde im Labor ein um den Faktor 10 beschleunigter Laserprozess demonstriert sowie ein Schnelltest für die Charakterisierung der lokalen Rückseitenkontakte entwickelt. Beim Modulbau gingen die Forscher neue Wege und untersuchten das Potenzial von Teilzellen verschiedener Größe in Abhängigkeit der Verschaltungstechnologie. Aus diesen detaillierten Voruntersuchungen resultierte das am Projektende hergestellte Halbzellenmodul.
Neben der Prozessentwicklung wurde auch an neuen Industrielösungen zum Messen der Zellen und Module gearbeitet und ein auf LED-Beleuchtung basierender Modulflasher konzipiert, aufgebaut und erprobt.

Alterungseffekte analysiert

Um die dauerhafte Leistungsfähigkeit der im Projekt entwickelten Solarzellen zu gewährleisten, wurden Alterungseffekte der Solarzellen-Passivierung, Metallisierung und -verschaltung analysiert. Durch 200 Temperaturwechsel zwischen -40 Grad Celsius und +85 Grad Celsius wurden die Solarzellen im Labor künstlich gealtert und die Änderung der Leistung gemessen. Im Projekt entwickelte Teststrukturen wurden genutzt, um die Alterungseffekte zu lokalisieren und deren Degradationsverhalten zu charakterisieren. Außerdem konnte erstmalig im Detail die Wechselwirkung zwischen Silber- und Aluminium-Metallisierung auf der Zellrückseite aufgezeigt werden.

Leistungsverlust um 50 Prozent gesenkt

Der Herstellungsprozess wurde ausgehend von dem Verständnis der Stromflussmuster innerhalb der Zellmetallisierung optimiert und so die Zuverlässigkeit verbessert. Durch den Wechsel von 3- zu 5-Busbar-Technologie und die Verwendung ausgewählter Aluminium-Rückseitenpasten konnte der Leistungsverlust in Bezug auf die Rückseitenmetallisierung gegenüber dem Projektbeginn um 50 Prozent gesenkt werden.

Der Projektkoordinator Dr. Jan-Frederik Nekarda sieht das Projekt als vollen Erfolg, da die Herstellung von PERC-Zellen und die darauf basierenden Module umfangreich verbessert werden konnten. Dabei sieht er die intensive Zusammenarbeit von Industriepartnern und Forschungseinrichtung als großen Faktor für die Optimierung der Einzelprozesse und einem verbesserten Zusammenspiel der einzelnen Technologien. Daraus resultierte eine deutlich verbesserte Haltbarkeit der Module und folglich ein höherer Ertrag und deutlich reduzierte Stromgestehungskosten.

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