PVSEC: Kupfer statt Silber

Neuheiten bei marktfähigen Photovoltaik-Produkten im Downstream-Bereich werden in Deutschland eher auf der Intersolar Europe in München lanciert, so dass die PVSEC in dieser Hinsicht eher mau ist. Einiges gab es aber doch. Etwa das JA-Solar-Modul mit den quadratischen Monozellen. Der chinesische Solarmodulhersteller ET Solar hat zum Beispiel ein AC-Modul entwickelt, bei dem ein Wechselrichter in das Modul integriert ist. Dadurch verhält es sich – ähnlich wie die Module mit Leistungsoptimierer – besser bei Teilverschattungen. Die andere Neuheit ist ein bifaziales Modul, das Licht von der Vorder- und der Rückseite aufnehmen kann. Das Photovoltaik-Unternehmen stellt in Aussicht, dass im Vergleich zu einem entsprechenden Modul ohne die aktive Oberfläche auf der Rückseite der Ertrag um 16 bis 37 Prozent steigt. Das hängt aber sicherlich davon ab, wo das Solarmodul verwendet wird. Vorstandschef Dennis She sieht sein Unternehmen im Übrigen gut aufgestellt, da es auch als EPC tätig ist und Ende des Jahres mehr als 200 Megawatt installiert haben wird.

Bezüglich der Zelltechnologie war die PVSEC schon immer ein geeigneter Ort, Neuigkeiten zu finden. Das belgische Forschungsinstitut imec arbeitet weiter an dem Projekt, die Frontseitenkontaktierung der Zellen aus Kupfer statt aus dem teureren Silber herzustellen. Schon vergangenes Jahr haben die Wissenschaftler eine solche Zelle mit sehr hohem Wirkungsgrad hergestellt. Dieses Jahr melden sie, dass sie eine Solarzelle hergestellt haben und dazu einen Prozess nutzen, der auch in der industriellen Zellfertigung Anwendung finden kann. Dazu wird in einem einzigen Schritt erst eine wenige hundert Nanometer dünne Nickelschicht, dann eine rund zwölf Mikrometer dicke Kupferschicht, dann eine sehr dünne Silberschicht abgeschieden. Das funktioniert in einer Art Elektrolyse. So wurde auch schon die Saturn-Zelle von BP Solar produziert. Bisher war die Methode langsam und damit teuer. Der neue Trick ist, dass die Zelle selber als Spannungsquelle fungiert. Konsequenterweise heißt das Verfahren deshalb „Light induced plating“. Die Zelle hat nach Aussage des imec einen Wirkungsgrad von 20,3 Prozent.
Die Kupfer-kontaktierten Zellen könnten der nächste Entwicklungsschritt nach den so genannten Perc-Zellen sein. Die Perc-Technologie hat in den vergangenen zwei Jahren Eingang in die Serienproduktion gefunden. Etliche der Hocheffizienzzellen, die derzeit unter verschieden Namen eingeführt werden, dürften dieses Zellkonzept nutzen. Das imec hat diese Zellen jetzt noch dünner gemacht, was weiter Silizium spart. Es meldet, dass es jetzt über 300 solche Perc-Zellen auf nur 100-Mikrometer dicken Wafern mit Prozessen produziert, die industrietauglich sind. Diese Zellen hat Solarworld in der vollautomatischen Produktionslinie zu Modulen verarbeitet. Obwohl sie im Vergleich zu den Standardzellen, die rund 150 bis 200 Mikrometer dick sind, deutlich dünner waren, ist im ganz normalen Produktionsprozess „keine einzige zerbrochen“, sagt imec-Forscher Joachim John. Zellbruch gilt ansonsten als einer der Herausforderungen, wenn man die Wafer dünner machen will. Der Grund für das positive Ergebnis ist laut John, dass mit dem imec-Verfahren hergestellten Perc-Zellen mechanisch weniger unter mechanischer Spannung stünden als Standardzellen.

Perc-Produktionsanlage

Auch die Schmid Group hat eine Perc-Zelle vorgestellt, besser eine Produktionsanlage, mit der das Unternehmen eine Solarzelle mit 20,74 Prozent Effizienz hergestellt hat. Das Unternehmen gibt an, dass die Kosten mit der neuen Technologie nur um 0,02 US-Dollar pro Wafer steigen würden. Die Technologie, die von Schott Solar lizensiert wird, basiert auf dem so genannten APCVD-Verfahren. Dabei werden Stickstoff, Sauerstoff und ein weiteres Prozessgas in eine Prozesskammer geleitet. Der Wafer wird auf 400 bis 900 Grad erhitzt. „Dadurch reagieren die Gase an der Oberfläche und formieren Aluminiumoxid“, erklärt Woon-Hoong Jung, Sales Manager der Business Unit Cell. Das nicht leitende Aluminiumoxid verringert im Perc-Konzept die elektronischen Verluste an der Rückseite der Zelle. Um die Zelle trotzdem zu kontaktieren, wird die Aluminiumoxidschicht punktweise geöffnet.
Solche Perc-Zellen lassen sich auch mit anderen Verfahren herstellen. Oft wird etwa der so genannte PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)-Prozess genutzt. Doch dabei werden die Gase in einer Vakuumkammer gemischt, in der ein Plasma herrscht. Das APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition)- Verfahren funktioniert dagegen unter Atmosphärendruck und ist damit im Prinzip weniger aufwendig. Schmid behauptet, es sei das einzige wirtschaftliche Verfahren zur Aluminiumoxidabscheidung für die Massenproduktion.

Ein anderes Verfahren, das Aluminiumoxid auf der Zellunterseite aufzubringen, ist die so genannte Atomic Layer Deposisiton, kurz ALD. Dazu wird erst eine Vorläufersubstanz auf die Oberfläche gebracht, in einem nächsten Schritt eine zweite, die mit der ersten reagiert und die gewünschte Schicht bildet. Das Verfahren war ursprünglich langsam, es kam aus der Waferfertigung der Halbleiterindustrie, wo keine großen Flächen erzeugt werden müssen. Vor zwei Jahren wurde auf der PVSEC ein Verfahren vorgestellt, das einen ausreichenden Durchsatz für eine Serienfertigung hatte. Jetzt melden das imec und die Unternehmen Rena und Solaytec, dass sie mit der ALD eine Zelle mit einem Wirkungsgrad von 19,6 Prozent hergestellt haben. In den nächsten Monaten soll sie auf 20 Prozent steigen.
Was die Entwicklung zu Kupfer kontaktierten Solarzellen betrifft, sind die Schmid-Experten jedoch skeptisch. Sie setzen darauf, die Zellen mit Silber zu kontaktieren, dieses jedoch deutlich zu reduzieren. Dazu haben sie eine so genannte Multi-Busbar-Zelle vorgestellt. Statt wie gewöhnlich zwei oder drei breite Busbars hat die Neuentwicklung 15 Busbars, die deutlich dünner sind. Dadurch verringert sich die Verschattung der Zelle, was einen Wirkungsgradgewinn um 0,6 Prozentpunkte verspreche. Der Silberverbrauch reduziere sich von 100 bis 120 Milligramm pro Zelle auf 60 Milligramm. Die Maschinen dafür sollen nächstes Jahr in den Markt eingeführt werden. (Michael Fuhs)