Erforschung von Technologien und Innovationen im Bereich der Solar-Photovoltaikzellen

Das Prinzip der Solar-Photovoltaikzellen

1. **Photonenabsorption und -übertragung:** Bei Lichteinwirkung werden Photonen mit einer Energie, die geringer ist als die Bandlückenbreite, nicht absorbiert und passieren die Solarzelle.
2. **Energieverlust bei hochenergetischen Photonen:** Photonen mit einer Energie, die größer ist als die Bandlücke, erzeugen Elektron-Loch-Paare, was zu einem gewissen Energieverlust führt.
3. **Ladungstrennung und -transport:** Innerhalb des pn-Übergangs entstehen Verluste durch die Trennung und den Transport photogenerierter Ladungsträger.
4. **Rekombinationsverluste:** Während des Transports photogenerierter Ladungsträger treten Rekombinationsverluste auf.
5. **Spannungsabfall:** Die Ausgangsspannung fällt ab, was zu Kontaktspannungsverlusten führt.

Reduzierung elektrischer Verluste

1. Verwenden Sie hochwertige Silizium-Wafer mit guter Kristallstruktur.
2. Entwickeln Sie Techniken zur Bildung idealer pn-Übergänge.
3. Implementieren Sie optimale Passivierungstechniken.
4. Setzen Sie effiziente Metallkontakttechnologien ein.
5. Nutzen Sie fortschrittliche Frontfield- und Backfield-Technologien.

Reduzierung optischer Verluste

Um die Zelleffizienz durch Minimierung optischer Verluste zu verbessern, wurden verschiedene Theorien und Technologien zur Lichteinfangung entwickelt, darunter Oberflächenstrukturierung zur Reduzierung der Reflexion, Antireflexbeschichtungen auf der Vorderseite, reflektierende Beschichtungen auf der Rückseite und kleinere Gitterlinien-Schattierungsbereiche.

TOPCon (Tunneloxid-passivierter Kontakt)

TOPCon-Solarzellen gelten als die nächste Generation nach der PERC-Technologie. Im Vergleich zu anderen aufstrebenden Technologien wie HJT und IBC kann TOPCon mit geringerem Kapitaleinsatz von bestehenden PERC- oder PERT-Linien aufgerüstet werden und einen Effizienzgewinn von etwa 1 % erzielen.

Aufbau von TOPCon Solarzellen

Die Vorderseite von TOPCon-Solarzellen ähnelt herkömmlichen N-Typ- oder N-PERT-Solarzellen und besteht aus einem Bor-(p+)-Emitter, einer Passivierungsschicht und einer Antireflexbeschichtung. Die Kerntechnologie liegt im passivierten Rückkontakt, der aus einer ultradünnen Siliziumoxidschicht (1–2 nm) und einer phosphordotierten mikrokristallinen Mischsilizium-Dünnschicht besteht. Für bifaziale Anwendungen erfolgt die Metallisierung durch Siebdruck von Ag- oder Ag-Al-Gittern auf der Vorderseite und Ag-Gittern auf der Rückseite.

Tunneloxid-passivierter Kontakt

Die TOPCon-Struktur, die einen hohen Wirkungsgrad von 25,7 % erreicht, besteht aus einer dünnen Tunneloxidschicht und einer phosphordotierten Polysiliziumschicht. Die phosphordotierte Polysiliziumschicht kann durch Kristallisation von a-Si:H oder durch Abscheidung von Polysilizium mittels LPCVD hergestellt werden. Dies macht TOPCon zu einem vielversprechenden Kandidaten für die hocheffiziente Solarzellentechnologie.

Heterojunction-Technologie (HJT)

Die Heterojunction-Technologie (HJT) kombiniert kristallines Silizium und amorphe Silizium-Dünnschichttechnologie und erreicht Wirkungsgrade von 25 % und mehr. HJT-Zellen übertreffen die aktuelle PERC-Technologie in puncto Effizienz und Leistungsabgabe.

Aufbau von HJT-Solarzellen

HJT-Zellen verwenden einen monokristallinen Siliziumwafer als Substrat. Die Vorderseite des Wafers wird nacheinander mit einem intrinsischen a-Si:H-Film und einem p-Typ a-Si:H-Film beschichtet, um einen pn-Heteroübergang zu bilden. Die Rückseite wird mit intrinsischen und n-Typ a-Si:H-Filmen beschichtet, um ein Back-Surface-Field zu bilden. Anschließend werden transparente leitfähige Oxidschichten abgeschieden, gefolgt von Metallelektroden im Siebdruckverfahren, wodurch eine symmetrische Struktur entsteht.

Vorteile von HJT-Solarzellen

- **Flexibilität und Anpassungsfähigkeit:** Die HJT-Technologie gewährleistet eine hervorragende Produktionskapazität selbst unter extremen Wetterbedingungen und verfügt über einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten als herkömmliche Solarzellen.
- **Langlebigkeit:** HJT-Solarzellen können über 30 Jahre lang effizient betrieben werden.
- **Höhere Effizienz:** Aktuelle HJT-Panels erreichen Wirkungsgrade zwischen 19,9 % und 21,7 %.
- **Kosteneinsparungen:** Das in HJT-Panels verwendete amorphe Silizium ist kostengünstig und der vereinfachte Herstellungsprozess macht HJT erschwinglicher.

Perowskit-Solarzellen

Perowskit-Solarzellen (PSCs) erreichten 2009 erstmals einen Wirkungsgrad von 4 % und erreichten bis 2021 einen Wirkungsgrad von 25,5 %. Dies weckte großes wissenschaftliches Interesse. Die rasante Weiterentwicklung von PSCs macht sie zu einem aufstrebenden Stern in der Photovoltaik.

Aufbau von Perowskit-Solarzellen

Moderne Perowskitzellen bestehen typischerweise aus fünf Komponenten: transparentem leitfähigem Oxid, Elektronentransportschicht (ETL), Perowskit, Lochtransportschicht (HTL) und Metallelektrode. Die Optimierung der Energieniveaus und Wechselwirkungen dieser Materialien an ihren Grenzflächen bleibt ein spannendes Forschungsgebiet.

Zukunft der Perowskit-Solarzellen

Die Forschung zu Perowskiten wird sich voraussichtlich auf die Reduzierung der Rekombination durch Passivierung und Defektreduktion, den Einsatz von 2D-Perowskiten und die Optimierung von Grenzflächenmaterialien konzentrieren. Die Verbesserung der Stabilität und die Reduzierung der Umweltbelastung sind wichtige Bereiche zukünftiger Forschung.

Qualitätskontrolle bei der Produktion von Solar-Photovoltaikzellen

Kristalline Silizium-Photovoltaikzellen dominieren den kommerziellen Solarzellenmarkt und machen über 90 % des weltweiten Umsatzes aus. Die Wirkungsgrade im Labor liegen bei über 25 % für monokristalline Zellen und 20 % für polykristalline Zellen. Industrielle Module erreichen unter Standardtestbedingungen jedoch Werte von 18 bis 22 %.

Ätzen und Texturieren

Oberflächenschäden werden durch Ätzen entfernt, und durch die Texturierung entsteht eine lichtabsorbierende Oberfläche, die Reflexionsverluste reduziert. Dieser Prozess wird durch eine Reflexionsmessung überwacht.

Diffusion und Kantenisolation

Diffusionsschichten werden auf Siliziumwafern gebildet, um pn-Übergänge zu erzeugen. Eine Passivierungsschicht wird abgeschieden, um die Effizienz der Dünnschicht-Solarzelle zu steigern. Die Effizienz wird anhand der Minoritätsträgerlebensdauer, der Waferdicke und des Brechungsindex überwacht.

Antireflexbeschichtung

Zur Verbesserung der Lichtabsorption wird eine Antireflexbeschichtung auf die Oberfläche des Siliziumwafers aufgebracht. Mittels PECVD wird ein dünner Film abgeschieden, der gleichzeitig als Passivierungsschicht dient. Transmissionsgrad und Flächenwiderstand sind wichtige Messparameter.

Elektrodenherstellung

Gitterlinienelektroden werden im Siebdruckverfahren auf die Vorderseite gedruckt, während die Backfield- und Back-Elektroden auf die Rückseite gedruckt werden. Temperaturkontrolle, Punktgenauigkeit und das Gitterlinien-Seitenverhältnis sind wichtige Überwachungsindikatoren während des Trocknens und Sinterns.

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