Forscher des deutschen Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben in einer aktuellen Studie die Entwicklung der Topcon- und PERC-Technologie verglichen. Sie präsentieren dabei eine Reihe von kostenorientierten Strategien entwickelt, um die industrielle Verbreitung von Topcon-Solarmodulen zu beschleunigen.
„Die Aufrechterhaltung eines hohen Umwandlungswirkungsgrades in der Massenproduktion ist ein Schlüsselaspekt, um mit den modernsten PERC-Zellen in Bezug auf die Systemkosten und die Stromgestehungskosten konkurrieren zu können“, sagte der Mitautor der Studie, Bishal Kafle, dem pv magazine. „Die jüngsten Entwicklungen in der Anlagenforschung haben dazu geführt, dass der Abstand zwischen den Umwandlungswirkungsgraden von Topcon und PERC-Zellen immer größer wird. Dennoch ist ein Standardprozessablauf für industrielle Topcon-Zellen noch nicht etabliert.“
Dem Fraunhofer-ISE-Forscher zufolge ist zwar eine Senkung der Produktionskosten wichtig, aber die wirtschaftliche Tragfähigkeit von Topcon erfordert eine stabile Produktion rund um die Uhr mit einer Betriebszeit und Auslastung, die derjenigen der derzeitigen Produktionsanlagen für passivierte Emitter-Rückseitenkontakt-Zellen (PERC) entspricht. „Darüber hinaus erfordert eine Topcon-Zelle auf einem n-Typ-Substrat Silberkontakte auf beiden Seiten, so dass die Reduzierung des Silberverbrauchs ebenfalls ein wichtiger Aspekt für dieses Konzept bleibt, zumindest mittel- und langfristig“, erklärte Kafle weiter.
Leicht anpassbar
In der Studie „Topcon – Technology options for cost efficient industrial manufacturing“, die in der Zeitschrift „Solar Energy Materials and Solar Cells“ veröffentlicht wurde, erklärt das deutsche Forscherteam, dass die Prozesse und bestehenden Anlagen, die üblicherweise für die Herstellung von PERC-Zellen verwendet werden, leicht an die Topcon-Zellenproduktion angepasst werden können, indem zwei Prozessschritte hinzugefügt werden: die Bildung von Tunneloxid und die Abscheidung von intrinsischem/dotiertem Polysilizium.
„Die Eigenschaften dieser Schichten sind von entscheidender Bedeutung für die Gestaltung der nachfolgenden Zellverarbeitungsschritte, um die vom Topcon-Konzept versprochene hohe Leerlaufspannung (VOC) und einen niedrigen Serienwiderstand zu erreichen“, erklärten die Forscher. Sie wiesen darauf hin, dass die Integration von n-Typ-Substraten teurer ist als die ihrer p-Typ-Gegenstücke, da der Bor-Emitter-Diffusionsprozess teurer ist als der Phosphor-Diffusionsprozess, der normalerweise bei der Herstellung von PERC-Zellen verwendet wird.
In der Studie wird ein technischer Weg zur Verbesserung des Low Pressure Chemical Vapour Deposition (LPCVD)-Verfahrens aufgezeigt, das derzeit der Industriestandard für Topcon-Produkte ist. Es werden mögliche Alternativen zu diesem Verfahren auf der Grundlage der Verfügbarkeit industrieller Werkzeuge, der Prozesskompatibilität, der Verfügbarkeit aller für eine Cost of Ownership (COO)-Modellierung erforderlichen Prozessparameter, des schlanken Prozessablaufs und der erfolgreichen Demonstration der Prozessfunktionalität bewertet.
Das LPCVD-Verfahren wird vom Forschungsteam nach wie vor als gängiger Ansatz angesehen, da es eine gute Dickenverteilung entlang des Wafers, lochfreie Schichten mit guter Stufenbedeckung, die Verwendung relativ niedriger Abscheidungstemperaturen nahe 600 Grad Celsius, eine große Anzahl von Wafern pro Charge und die Möglichkeit der In-situ-Dotierung mit konstantem Dotierprofil gewährleistet. Allerdings hat die LPCVD-Anlage auch einen geringeren Durchsatz aufgrund einer deutlich längeren Prozessdauer als bei der Herstellung von PERC-Zellen, was zwangsläufig zu höheren Produktionskosten führt.
„Für die Prozessroute mit in-situ abgeschiedenen LPCVD a-/poly-Silizium-Schichten haben wir jedoch eine Möglichkeit identifiziert, die Hochtemperatur-Ausglühung und die Oxidation des Bor-Emitters in einem einzigen Schritt zu kombinieren, was diesen Ansatz im Vergleich zur Prozessroute mit ex-situ LPCVD a-/poly-Silizium-Schichten wirtschaftlich wettbewerbsfähig macht“, so die Forscher weiter.
Alternativen
Als Alternativen zur LPCVD wurden die plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) und die chemische Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD) in Betracht gezogen. Die Analyse ergab, dass zwischen den drei Technologien kein klarer Sieger ermittelt werden kann. „Es wurde festgestellt, dass die COO der a-Si-Beschichtung mit der Dicke der a-Silizium-Schicht deutlich abnimmt, wobei die Kostenreduktion interessanterweise weitgehend von der verwendeten Beschichtungstechnologie abhängt“, so die Forscher des Fraunhofer ISE. „Eine wesentlich stärkere COO-Reduktion für dünnere Schichten wird für die PECVD- und APCVD-Abscheidungstechnologien beobachtet, was vor allem mit den deutlich höheren a-Silizium-Abscheidungsraten im Vergleich zur LPCVD zusammenhängt.“
Die Wissenschaftler verglichen auch die Stromgestehungskosten (LCOE) für 5-Megawatt-Freiflächen-Photovoltaik-Anlagen, die auf der bifazialen PERC-Technologie und Topcon-Produkten mit LPCVD, PECVD und APCVD basieren. Die Analyse ergab, dass die Topcon-Technologien im Vergleich zu PERC 13,5 bis 18,6 Prozent höhere Gesamtkosten für Solarzellen und 3,6 bis 5,5 Prozent höhere Modulgesamtkosten aufweisen.
„Die zusätzlichen Kosten für Topcon-Module stehen hauptsächlich im Zusammenhang mit höheren CAPEX- und anlagenbezogenen Kosten für die Zellproduktionsanlage, deutlich höheren Kosten für Verbrauchsmaterialien bei der Zellverarbeitung aufgrund der zusätzlichen Prozessschritte, die im Vergleich zu einer PERC-Zelle erforderlich sind, und dem höheren Preis des n-Typ-Wafersubstrats im Vergleich zum p-Typ-Wafersubstrat von PERC“, betonten sie. „Auf LCOE-Ebene zeigen alle evaluierten Topcon-Konzepte unter monofazialer Betrachtung leicht niedrigere LCOE-Werte als die bifaziale p-PERC-Technologie, wobei ein Topcon-Zellenwirkungsgradvorteil von 0,5 Prozent gegenüber PERC mit 23,5 respektive 23,0 Prozent angenommen wird.“
Um PERC wirtschaftlich zu übertreffen, müssten nach konservativsten Annahmen das Topcon-Konzept einen Mindestwirkungsgradvorteil von 0,55 Prozent erreichen. „Für das Topcon-Konzept im günstigsten Fall ermöglicht ein um 0,4 Prozent höherer Zellwirkungsgrad gegenüber bifacialem p-PERC bereits eine kosteneffiziente Großserienfertigung von Topcon-Solarzellen“, so die Forscher des Fraunhofer ISE.
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