Photovoltaik-Forschung: 20 Prozent Wirkungsgrad für industrienahe Silizium-Solarzellen in Sicht

Forschern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE (Freiburg) ist es gelungen, neue Spitzen-Wirkungsgrade für einfach herzustellende großflächige Silizium-Solarzellen zu erreichen. Mit gegenüber dem heutigen Industriestandard weiter entwickelten Zellstrukturen konnten sie demonstrieren, dass in naher Zukunft Wirkungsgrade von 20 Prozent zu erreichen sind. Mehr als 80 Prozent der gegenwärtig hergestellten Solarzellen-Leistung basiert auf kristallinem Silicium. Ziel von Industrie und Forschung ist es, die Kostenoptimierung für dieses Arbeitspferd der Photovoltaik weiter voranzutreiben. Wandeln die Zellen derzeit durchschnittlich 14 – 19 Prozent des Sonnenlichts in elektrische Energie um, so haben die Forscher die 20-Prozent-Marke bereits im Blick. Die Übertragung ihrer Ergebnisse in die Produktion wird – parallel zur rasanten Marktentwicklung in Deutschland – die Kosten für photovoltaisch erzeugten Strom weiter senken. 

Neue Zellstrukturen mit innovativen Emittern

“Wir konnten jetzt mehrere Entwicklungsarbeiten für kristalline Silizium-Solarzellen sehr erfolgreich abschließen und dabei Ergebnisse erzielen, die weltweit zu den besten zählen”, freut sich Christian Schmiga, Projektleiter für hocheffiziente Silizium-Solarzellen am Fraunhofer ISE. Die untersuchten Zellstrukturen unterscheiden sich zum einen in der Art des verwendeten Silizium-Materials, das als Basis bezeichnet wird, und zum anderen in der Art des sogenannten Emitters, einer dünnen Schicht, die die elektrischen Ladungsträger sammelt. Man spricht von n-Typ Solarzellen, wenn die Basis negativ und von p-Typ Solarzellen, wenn die Basis positiv leitend ist. Dabei ist der Emitter immer umgekehrt zur Basis gepolt. “Zur Herstellung des Emitters haben wir drei unterschiedliche Verfahren eingesetzt: Aluminium-Legieren und Bor- Diffundieren für die p-Emitter unserer n-Typ Solarzellen sowie Phosphor-Diffundieren für den n-Emitter unserer p-Typ Solarzellen”, so Christian Schmiga. 

19,6 Prozent Wirkungsgrad erreicht

Für eine n-Typ Silizium-Solarzelle mit Aluminium-legiertem Emitter erreichten die Forscher nun einen Wirkungsgradrekord von 19,3 Prozent. Dabei wandten sie zur Emitterformierung das einfache Siebdrucken einer aluminiumhaltigen Paste, gefolgt von einem kurzen Hochtemperatur-Feuerschritt an. Ebenfalls für eine n-Typ Silizium-Solarzelle, aber mit einem bordiffundierten Emitter, dessen Oberfläche durch eine zusätzliche neue Schicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) passiviert wird, konnte Armin Richter, Doktorand am Fraunhofer ISE, einen Wirkungsgrad von 19,6 Prozent demonstrieren. Als weiteres wichtiges Ergebnis erzielten die Wissenschaftler für p-Typ Solarzellen mit Phosphor-diffundiertem Emitter und unter Anwendung der am Fraunhofer ISE entwickelten und patentierten Laser-fired-contact (LFC) Technologie 19,6 Prozent Wirkungsgrad. Alle Solarzellen wurden auf 125 x 125 mm2 großen einkristallinen Silizium-Scheiben gefertigt. Ein großer Vorteil ist, dass bei der Herstellung keine aufwändigen Justage- oder Strukturierungsschritte benötigt werden, was den Prozessablauf wesentlich vereinfacht und beschleunigt. Das Fraunhofer ISE entwickelt seit nahezu 30 Jahren neuartige hocheffiziente Siliciumsolarzellen. Mit den aktuellen Ergebnissen der Freiburger Forscher rücken Wirkungsgrade über 20 Prozent für die Massenfertigung von Siliciumsolarzellen in die nahe Zukunft. Quelle: Fraunhofer ISE

Willi Harhammer

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