Das Rekordergebnis des Fraunhofer ISE ist der höchste jemals erreichte Wirkungsgrad für Siliciumsolarzellen, bei denen die Metallkontakte auf Vorder- und Rückseite aufgebracht sind. Die Besonderheit der Siliciumsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von 25.1% ist ein neues Rückseitenkonzept in Form eines ganzflächigen passivierten Kontakts. »Bisher wurden zur Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen immer komplexere Solarzellenstrukturen verwendet«, so Dr. Martin Hermle, Abteilungsleiter »Hocheffiziente Siliciumsolarzellen« am Fraunhofer ISE. »Der große Vorteil an unserem Konzept ist, dass wir durch die Entwicklung einer neuartigen Rückseitenstruktur den Kontakt auf der Solarzellenrückseite ganzflächig und strukturierungsfrei aufbringen können, d. h. im Vergleich mit den momentan verwendeten hocheffizienten Solarzellenstrukturen vereinfachen wir den Herstellungsprozess und erhöhen dennoch die Effizienz der Solarzellen«, erläutert Hermle.

TOPCon-Technologie
Bei der vom Fraunhofer ISE entwickelten so genannten TOPCon-Technologie (Tunnel Oxide Passivated Contact) wird der Rückseitenkontakt strukturierungsfrei auf der Solarzellenrückseite aufgebracht. Hierfür haben die Freiburger Forscher einen selektiven passivierten Kontakt entwickelt, der die Majoritätsladungsträger passieren lässt, während die Minoritätsladungsträger nicht rekombinieren. Die ganzflächige Passivierungsschicht der Solarzelle wurde auf eine Dicke von ein bis zwei Nanometer reduziert, so dass die Ladungsträger durch diese hindurch tunneln können. Zusätzlich wird auf das ultradünne Tunneloxid eine dünne Schicht aus hochdotiertem Silicium flächendeckend abgeschieden. Diese Kombination erlaubt, dass der Strom verlustfrei aus der Solarzelle abfließen kann, die Rekombination aber gleichzeitig verhindert wird.

Leistungsverluste reduzieren
Die in der Industrie aktuell noch dominierende Solarzelle hat als Rückseitenkontakt einen ganzflächigen einlegierten Aluminiumkontakt, der jedoch den Wirkungsgrad dieser Solarzelle limitiert. Zur Steigerung des Wirkungsgrads wird daher derzeit die PERC-Solarzelle (Passivated Emitter Rear Cell) von vielen Firmen in die Produktion überführt. Bei der PERC-Solarzelle wird nur ein kleiner Teil der Rückseite kontaktiert, um die Rekombination der Ladungsträger zu minimieren. Dieses Vorgehen erfordert jedoch zusätzliche Strukturierungsschritte und führt dazu, dass der Strom über längere Wege aus der Solarzelle abgeleitet werden muss. TOPCon ist ein möglicher Ansatz, um diese Leistungsverluste zu reduzieren.

Erstmals 25% Marke überschritten
»Mit der TOPCon-Technologie haben wir ein zukunftsweisendes Konzept entwickelt, um die Effizienz von Siliciumsolarzellen zu steigern«, so Prof. Stefan Glunz, Bereichsleiter »Solarzellen – Entwicklung und Charakterisierung«. »Mit dem Wirkungsgrad von 25.1 % können wir als erstes Forschungsinstitut mit einer evolutionären Weiterentwicklung der beidseitig kontaktierten Solarzellen die 25 %-Marke überschreiten und zum Weltrekord für rückseitenkontaktierte Siliciumsolarzellen aufschließen«, ergänzt Glunz. Das Team um Dr. Martin Hermle arbeitet seit rund drei Jahren am TOPCon-Konzept. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben den Wirkungsgrad der Technologie kontinuierlich erhöht und mit dem jüngsten Ergebnis erstmals die 25 %-Marke übertroffen. Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Projekts »FORTES« vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) und dem U.S. Department of Energy gefördert.

Text: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE