Solar-Reports:

Photovoltaik-Forschung und -Entwicklung:
Innovationen bei Solarzellen und Modulen

Noch ist der solare Beitrag zur deutschen Stromerzeugung relativ gering. Wachstumsraten der Photovoltaikindustrie von jährlich etwa 30% lassen aber erwarten, dass er rasch steigen wird. Die politischen Rahmenbedingungen in Japan und Deutschland, aber auch in den USA und Spanien führten zu einer langfristigen Planungssicherheit und erhöhten so die Investitionsbereitschaft der Industrie, welche die Produktionskapazitäten konsequent ausbaute: Bereits 2004 wurde weltweit ein Gigawatt (GW) Solarstromleistung produziert, noch vor 2020 könnten es 10 GW sein.

Unternehmen und Politik sehen die wirtschaftlichen und ökologischen Chancen der Solarstromtechnologie. Ablesbar ist dies auch an dem breiten und nachhaltigen Engagement in Forschung und Entwicklung. Das ist auch dringend geboten, denn nicht allein die Chancen sind enorm – die Herausforderungen sind es auch. Sollen Solarstromanlagen energiewirtschaftlich relevant werden, müssen die Photovoltaik-Fertigungskapazitäten stark ausgeweitet werden und die Kosten weiter sinken.

Ein etwa 20 µm dünnes Solarmodul wird vom Silizium-Substrat abgelöst. Neue Fertigungstechnologien halten Einzug in die industrielle Produktion.
Links: Antwort auf die Herausforderungen des Photovoltaik-Marktes aus dem Labor: Ein etwa 20 µm dünnes Solarmodul wird vom Silizium-Substrat abgelöst. Die Dünnschicht-Solarzellen aus einkristallinem Silizium „wachsen“ auf einem Silizium-Substrat, das mehrfach verwendet werden kann. Rechts: Neue Fertigungstechnologien halten Einzug in die industrielle Produktion: berührungslose Methode zur Kontaktbildung (Fotos: ISFH)

Die sehr dynamische Branche und die Energieforschung stellen sich diesen Herausforderungen. Schon jetzt zeichnet sich eine ganze Reihe von Neuerungen ab, die in den nächsten Jahren Realität werden können.

In einer dreiteiligen Serie wirft der Solar-Report in Zusammenarbeit mit dem BINE Informationsdienst einen Blick in die Forschungs- und Entwicklungslabors von Instituten und Industrie.

BINE Informationsdienst
Zunächst werden die weiterhin großen Entwicklungspotenziale der derzeit dominierenden Silizium-Wafer-Technologie aufgezeigt, danach Innovationen in der Modultechnik beschrieben und zum Abschluss Dünnschicht-Technologien dargestellt, die ihre Möglichkeiten in den nächsten Jahren unter Beweis stellen können.

Die Kosten für Solarstromanlagen wurden in den letzten 15 Jahren mehr als halbiert, die Kosten für Solarmodule sanken etwa um den Faktor vier - eine Erfolgsgeschichte für die marktbeherrschenden Silizium-Wafer-Solarzellen. Diese Entwicklung lässt sich jedoch nicht beliebig fortschreiben, grundlegende Innovationen sind gefragt: Aus Kostengründen und wegen aktuell knapper Fertigungskapazitäten zur Herstellung von Silizium optimierten Forschung und Industrie klassische Solarzellen, um höchste Leistungen pro eingesetztem Gramm Silizium zu erreichen.

Der erste Teil des umfangreichen Grundlagenbeitrags beschäftigt sich mit den Entwicklungspotenzialen von Silizium-Solarzellen und gibt zunächst einen Überblick über die Fertigungsschritte bei der Solarzellenproduktion.

Im zweiten Teil werden neue Solarzellenkonzepte vorgestellt und die Herstellung kostengünstiger Wafer vom Band beschrieben:

I. Solarzellen aus Silizium-Wafern:
Entwicklungspotenziale nutzen


Solarzellen aus kristallinem Silizium nutzen das häufigste Element der Erdkruste und basieren auf einer relativ einfachen Technologie. Sie haben sich mit einem Marktanteil von mehr als 90% durchgesetzt. Mit den aktuellen Technologieinnovationen werden effiziente Fertigungsprozesse im Gigawatt-Maßstab vorbereitet.

Bei polykristallinem Silizium lässt sich die Oberfläche mit einer sauren Lösung strukturieren.

In Pyramidenform texturierte Oberfläche aus monokristallinem Silizium.

Links: Bei polykristallinem Silizium lässt sich die Oberfläche mit einer sauren Lösung strukturieren. Rechts: In Pyramidenform texturierte Oberfläche aus monokristallinem Silizium. Die Struktur wird mit einer alkalischen Lösung geätzt. Grafiken: BINE Informationsdienst.

Vom Silizium zur Solarzelle

Zum Verständnis der weiteren Ausführungen werden die notwendigen Schritte bei der Herstellung klassischer Solarzellen skizziert:

  1. Schmelzen, Schneiden und Reinigen: Das stark gereinigte Silizium wird eingeschmolzen und erstarrt anschließend je nach Kristallisationsverfahren als Einkristall (monokristallines Silizium) oder als Festkörper mit Bereichen verschiedener Kristallorientierung (polykristallines Silizium). Geschnitten in quadratische Scheiben von typischerweise 100 mm bis 210 mm Kantenlänge und 0,2 mm bis 0,3 mm Dicke ist es Ausgangsmaterial für die Herstellung kristalliner Silizium-Solarzellen. Dieser so genannte Silizium-Wafer wird dann von allen Seiten angeätzt und gereinigt. Dabei wird der oberflächennahe Bereich entfernt, der durch das Schneiden des Siliziums geschädigt wurde.
  2. Absorption maximieren: Gleichzeitig können die Silizium- Kristalle bei der Ätzung ausgerichtet werden (Oberflächentextur). Bei monokristallinen Wafern entstehen auf der Oberfläche zufällig verteilte Pyramiden. Bei polykristallinen Wafern mit Oberflächenbereichen, die in verschiedene Richtungen orientiert sind, entstehen unabhängig von der Kristallorientierung zufällige Oberflächenstrukturen.
  3. p-n-Übergang: Nach der nasschemischen Ätze und Reinigung wird Phosphor bis in eine Tiefe von zirka einem halben bis einem Mikrometer in den Wafer eingebracht (diffundiert). Dazu wird er in einem Ofen bei 800° C bis 1000° C einer phosphorhaltigen Atmosphäre ausgesetzt. Die mit Phosphor durchsetzte (dotierte) Siliziumschicht ist im Gegensatz zum positiv leitfähigen Ausgangswafer (p-Basis) negativ leitfähig (n+-Emitter). Die Solarzelle weist nun einen so genannten pn-Übergang auf, der für die Trennung der durch Licht erzeugten Ladungsträger verantwortlich ist. Durch Lichteinstrahlung werden positive und negative Ladungsträger freigesetzt und es fließt elektrischer Strom (Photoeffekt).
  4. Zwischenschritte: Bei der Diffusion bildet sich auf dem Wafer eine Oxidschicht, welche durch eine Flusssäurebehandlung entfernt werden muss. Außerdem findet die Diffusion an allen phosphorexponierten Stellen des Wafers statt, so dass die negativ dotierte Schicht (Emitter) in der Regel auch über die Kanten bis zur Rückseite reicht. Um einen Kurzschluss in der Solarzelle zu vermeiden, müssen diese Emitter-Bereiche entfernt oder vom Emitter auf der Vorderseite getrennt werden. Dies geschieht in der Regel durch Ätzen der Kanten in einem Plasma.
  5. Reflexion minimieren, Kontakt herstellen: Vor der Kontaktierung der beiden Pole des p-n-Übergangs wird die Vorderseite mit einer Antireflexschicht (ARC) vergütet, meist aus Siliziumnitrid. Schließlich werden auf der Vorder- und Rückseite Metallkontakte aufgedruckt; hinten als ganzflächige Schicht aus Aluminium und vorne in Form von dünnen "Fingern" aus Silber, um möglichst wenig Lichtabschattung durch die Kontakte zu erhalten. Die Kontaktierung selbst erfolgt in einem Schritt bei Temperaturen um 800° C. Dabei sintert das Silber durch die Antireflexschicht und kontaktiert den Emitter, während sich gleichzeitig das Aluminium auf der Rückseite mit dem Silizium vermischt und eine hoch dotierte positive Oberflächenschicht erzeugt (Back Surface Field, BSF), was die Verluste an der Solarzellenrückseite reduziert.
Legende zu den Grafiken. Schema einer konventionellen Silizium-Solarzelle, in der Struktur wie sie heute in großen Stückzahlen produziert wird.
Links: Legende zu den Grafiken. Rechts: Schema einer konventionellen Silizium-Solarzelle, in der Struktur wie sie heute in großen Stückzahlen produziert wird. Grafik: BINE Informationsdienst

Verluste vermeiden, Wirkungsgrad steigern

Solarzellen aus Silizium-Wafern zeichnen sich im Vergleich zu anderen Zellen durch relativ hohe Wirkungsgrade aus. Auf diese Weise industriell produzierte Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrischen Strom mit einer Effizienz von 15,0 % (polykristalline Solarzellen) bzw. 16,5 % (monokristalline Solarzellen) um. Hohe Wirkungsgrade können letztlich nur erzielt werden, indem die Verluste minimiert werden. Auch klassische Solarzellen (Silizium-Wafer + einfacher pn-Übergang) können theoretisch Wirkungsgrade bis über 30% erreichen. Optische Verluste, Verluste durch Rekombination der durch Licht erzeugten Ladungsträger sowie elektrische Widerstandsverluste verhindern dies jedoch.

Elementare Verlustmechanismen in Solarzellen, die zwar nicht vollständig aber teilweise beachtlich reduziert werden können.

Die Entwicklung zielt darauf, diese Verluste zu verringern, doch die Maßnahmen wechsel-wirken teilweise kontra-produktiv, so kann beispiels-weise eine Reduktion optischer Verluste zur Erhöhung elektrischer Verluste führen.
Elementare Verlustmechanismen in Solarzellen, die zwar nicht vollständig aber teilweise beachtlich reduziert werden können. Grafik: BINE Informationsdienst.

Optimierte monokristalline Solarzellen industriell produziert

Höhere Wirkungsgrade erreichen Solarzellen mit ausgefeilteren Strukturen. Beispielsweise haben die Saturn-Solarzellen von BP Solar geringere Abschattungsverluste, weil die Frontkontakte "vergraben" werden. Per Laser werden Vertiefungen geschnitten, in denen der Frontkontakt chemisch abgeschieden wird. Damit werden in der Produktion Wirkungsgrade von über 17 % erreicht. Bei der HIT-Solarzelle von Sanyo wird das sehr gute Absorptionsvermögen und die passivierende Wirkung des amorphen Siliziums mit den guten elektronischen Eigenschaften von monokristallinem Silizium kombiniert. Der Emitter besteht aus einer sehr dünnen amorphen Silizium-Schicht, während die Basis aus einem (negativ leitenden) monokristallinen Silizium-Wafer besteht. In der Produktion erreichen die nur 200 µm dicken Solarzellen gut 18,5 % Wirkungsgrad. Auch die A-300-Solarzellen von SunPower basieren auf einem negativ leitenden Silizium-Wafer. Hier ist allerdings der Emitter auf die Rückseite diffundiert und alle Kontakte sind ebenfalls hinten angeordnet, so dass es auf der Vorderseite zu keiner Abschattung durch Metallbahnen kommt (Rückseitenzellen). In der Pilotlinie von SunPower werden Wirkungsgrade von über 21 % erreicht.

Saturn-Solarzelle. HIT-Solarzelle. Rückseitenzelle
Links: Saturn-Solarzelle: Per Laserschnitte eingebrachte Gräben lassen die Frontkontakte "in der Versenkung verschwinden". Mitte: HIT-Solarzelle: Sandwich-Konstruktion mit kristallinem Silizium-Wafer zwischen zwei sehr dünnen Schichten aus amorphem Silizium. Rechts: Rückseitenzelle (z.B. A-300 von SunPower): Auf der Rückseite wechseln sich Basis- und Emitterbereiche ab und können kontaktiert werden. Frontseitenkontakte entfallen. Grafiken: BINE Informationsdienst.

Labor-Wirkungsgrade bereits über 20 %

Das Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) verfolgt ein Konzept, welches gleichfalls die Abschattung durch Frontkontakte minimieren will. Durch schräges Aufdampfen entstehen auf den Flanken von Gräben elektrische Kontakte, die den Lichteinfall praktisch nicht mehr behindern. Im Labor wurden bereits Wirkungsgrade über 20 % erzielt. Auch mit dem Konzept des Fraunhofer ISE werden Wirkungsgrade jenseits der 20 %-Marke erreicht – unter Verwendung industrietauglicher Techniken. Es basiert auf einem Rückseitenkontakt, der nur punktuell hergestellt wird, um den größten Teil der Rückseite mit einer Schicht aus einer dielektrischen Siliziumverbindung (Siliziumoxid, -nitrid oder -carbid) zu vergüten. Dies führt zu besseren Ergebnissen als ein ganzflächiges Aluminium-Rückseitenfeld und kann gleichzeitig auf sehr viel dünneren Wafern verwendet werden, welche sich bei ganzflächiger Aluminiumbeschichtung stark verbiegen würden.

OECO-Solarzelle. Solarzelle mit punktuellem Rückseitenkontakt.

 

Links: OECO-Solarzelle: MIS-n+p-Solarzelle mit mechanisch erzeugter Oberflächenstruktur, die Frontkontakte werden ohne Masken schräg bedampft und bieten dem Licht wenig Widerstand. Rechts: Solarzelle mit punktuellem Rückseitenkontakt: Durch eine dielektrische Schicht ist die Rückseite optimal passiviert, die Kontaktierung erfolgt nur punktuell und mit lokalen BSF.
Grafiken: BINE Informationsdienst.

Verluste minimieren

Bei allen beschriebenen optimierten Solarzellenkonzepten werden monokristalline Silizium-Wafer verwendet, mit teils hohen Ansprüchen an die Materialqualität. Bei manchen Konzepten kommt man nicht ohne aufwändige und teure Verfahrensschritte aus. Die Konzepte sind meist (noch) nicht auf die kostengünstigeren multikristallinen Silizium-Wafer übertragbar.

II. Auf dem Weg zu neuen Solarzellenkonzepten

Um möglichst viel Licht in die Solarzelle zu bekommen, müssen auch die Vorderseitenkontakte möglichst klein sein. Damit steigt allerdings ihr elektrischer Widerstand. Alternativen sind vergrabene Kontakte oder das Verlegen aller Kontakte auf die Rückseite. Um die Kontaktierung der negativ dotierten Schicht (Emitter) auf die Rückseite zu führen, müssen sehr viele Löcher in den Wafer gebohrt werden. Bei der Diffusion werden die Flanken dieser Löcher dann ebenfalls zu Emittergebieten und der Emitter wird von der Rückseite erreichbar. Dieses Emitter-Wrap-Through (EWT) genannte Verfahren ist allerdings sehr aufwändig. Stattdessen kann der Emitter auch auf die Rückseite diffundiert werden, wie bei der A-300. Allerdings muss hier sehr hochwertiges und deshalb teures Silizium eingesetzt werden, um die Rekombination in der darüber liegenden, dem Licht zugewandten Basis zu begrenzen.

Vorderseite einer EWT-Solarzelle. Rückseite einer EWT-Solarzelle.
Vorderseite (links) und Rückseite (rechts) einer EWT-Solarzelle, bei der die frontseitigen elektrischen Kontakte an sehr vielen Punkten auf die Solarzellenrückseite geführt werden.
Grafiken: BINE Informationsdienst.

Einen Mittelweg bietet das Metal-Wrap-Through-Konzept (MWT): Lediglich die für die Verschaltung im Modul nötigen Lötbahnen, welche einen großen Teil der metallisierten Fläche auf der Vorderseite ausmachen, werden auf die Rückseite verlegt und haben über in den Wafer gebohrte Löcher Verbindung zum Emitterkontakt auf der Vorderseite. Diese Solarzellen stellen weniger Anforderungen an die Materialqualität als eine Rückseitenzelle und sind einfacher herzustellen als eine EWT-Zelle. Deshalb verfolgen Solarzellenhersteller wie Shell Solar, Photovoltech, Sharp oder Q-Cells diesen Ansatz.

Spezielles Solar-Silizium als kostengünstiges Ausgangsmaterial

Eine Kostenrechnung für die Fertigung von Silizium-Solarzellen zeigt, dass der Wafer den mit Abstand größten Anteil ausmacht.

Kostenstruktur bei der Fertigung von Silizium-Solarzellen

Derzeit wird Silizium verwendet, dessen Qualität den Ansprüchen der Mikroelektronik entspricht. Durch Vereinfachungen des Reinigungsverfahrens soll ein spezielles Solar-Silizium gewonnen werden, das bei geringerer Qualität und niedrigeren Herstellungskosten auf die Ansprüche der Photovoltaik abgestimmt ist.

Kostenstruktur bei der Fertigung von Silizium-Solarzellen. (Quelle: Deutsche Cell)

Dieses Solarsilizium muss aber besonders behandelt werden, um die vermehrt enthaltenen Störstellen soweit möglich zu inaktivieren, damit Ladungsträgerverluste aufgrund von Rekombinationseffekten minimiert werden.

Materialverluste beim Sägen von Wafern

Auch das Kristallisationsverfahren hat starken Einfluss auf die potenzielle Leistung und die Kosten eines Wafers. Monokristalline Wafer sind teurer als polykristalline, weil das Kristallisationsverfahren (Czochralski) aufwändiger ist und bei der Herstellung quadratischer Wafer aus den grundsätzlich runden Kristallen viel Material weggeschnitten wird. Da polykristalline Wafer aus quadratischen Säulen geschnitten werden, die wiederum aus quadratischen Blöcken stammen, bleibt weit weniger Material ungenutzt. Allerdings gehen auch hier 40 bis 50 Prozent des Siliziums beim Sägen der Wafer verloren.

Solarzellen vom Band

Wafer aus bandgezogenem Silizium sind hier im Vorteil: Beim EFG-Verfahren (edgedefined film-fed growth) wird ein achteckiges Silizium-Rohr direkt aus der Schmelze gezogen und anschließend per Laser in Scheiben geschnitten.
Beim String-Ribbon-Verfahren werden zwei Drähte durch flüssiges Silizium gezogen und das Silizium erstarrt in Form eines Bandes, das dann in Scheiben geschnitten wird. Auch beim RGS-Verfahren (ribbon growth on substrate) entsteht ein Band aus Silizium. Allerdings wird es erzeugt, indem ein Trägermaterial unter einem Tiegel mit flüssigem Silizium hinweg bewegt wird. So wird Silizium mitgezogen und kann dann auf dem Substrat kristallisieren.

Anlagen für flächig gezogenes Silizium nach dem String-Ribbon-Verfahren. Fertige Solarzellen Flächig gezogenes Silizium nach dem EFG-Verfahren.
Links und Mitte: Anlagen für flächig gezogenes Silizium nach dem String-Ribbon-Verfahren und fertige Solarzellen (Quelle: Evergreen Solar). Rechts: Flächig gezogenes Silizium nach dem EFG-Verfahren (Quelle: Schott Solar)
Doch bislang gilt: Je einfacher und kostengünstiger das Kristallisationsverfahren desto geringer die elektronische Qualität der Silizium-Wafer. Ein anderer Weg zur Kostenreduktion sind dünnere Wafer, die bei gleicher Fläche weniger Silizium benötigen. Während die Standarddicke kristalliner Silizium-Wafer lange bei 330 µm lag, werden heute bereits vielfach 270 µm oder sogar 240 µm dünne Wafer eingesetzt, und das Ziel sind 150 µm.
80 µm dünner Wafer mit Testsolarzellen. Industriell gefertigte 150 µm-Solarzelle.
Je dünner die Solarzelle, desto weniger Silizium und Energie wird für die Herstellung benötigt. Links: 80 µm dünner Wafer mit Testsolarzellen (Quelle: Fraunhofer ISE). Rechts: Industriell gefertigte 150 µm-Solarzelle. (Quelle: Deutsche Cell)

Neue Fertigungsschritte für die Industrielle Serienfertigung

Im Hinblick auf eine Serienfertigung im Gigawatt-Maßstab wird eine höchst effiziente Fertigungstechnik immer bedeutsamer. Hierfür werden auch neue Fertigungsschritte entwickelt wie die Plasma- und PVD-Verfahren, Alternativen zur Nasschemie, der Einsatz von Lasern, die Entwicklung von Durchlaufprozessen und sehr schnelle Prozesse mit geringer Zykluszeit. So wurden z. B. Alternativen zur Kantenisolation mittels Plasma-Ätzen entwickelt. Auch ein Verfahren zum Ätzen der kompletten Rückseite wird erprobt, bei dem die Wafer über eine Ätzflüssigkeit schwimmen.

Neue Produktionstechnik: Ein Lasergraben trennt Emitter und Basis.

Der Einsatz von Lasern bringt ebenfalls neue Möglichkeiten. Künftig sollen Synergien mit Technologien aus der Dünnschicht-Photovoltaik aber auch der Glas- und Display-Industrie genutzt werden.

Links: Neue Produktionstechnik: Ein Lasergraben trennt Emitter und Basis. (Quelle: Fraunhofer ISE)

So wird derzeit die Sputtertechnik, die sich für die großflächige Beschichtung von Architekturglas etabliert hat, an die Anforderungen der ARC-Beschichtung von Solarzellen angepasst.

III. Perspektiven für Forschung und Entwicklung

Um Rohstoffe einzusparen werden die Herstellung von dünneren Wafern und ihre Verarbeitung zu Solarzellen untersucht. Auch werden immer größere Waferformate eingesetzt: Der bisherige Standard (125x125 mm2) wird derzeit vom Format 156x156 mm2 abgelöst und ein neues Format (210x210 mm2) steht kurz vor der Einführung. Die Effizienz günstiger Siliziummaterialien und Prozesse kann gesteigert werden, z. B. mit Getter- und Passivierschritten zur Materialverbesserung. Auch die Oberfläche von multikristallinem Silizium könnte mit geeigneten Prozessen passiviert und texturiert werden. Die Solarzellen der nächsten Generation werden sicher auch effizientere Kontaktstrukturen aufweisen. So wird an Feinliniensiebdruck und vergrabenen Kontakten, an der Kontaktierung großer dünner Wafer, neuartigen Rückseitenkontaktierungen und kompletten Rückseitenzellen gearbeitet.


Orientierung der Solarzellen-Fertigung am Solarmodul

Die Entwicklung neuer Konzepte und Produktionstechniken in der Solarzellenfertigung zielt aber auch auf Verbesserungen in der Weiterverarbeitung. Modulorientierte Solarzellenstrukturen, wie die erwähnten Rückseitenkontaktsolarzellen, aber auch übergreifende Ansätze integrierter Solarzellen-Modul-Konzepte werden zusätzlich Synergien der verschiedenen Wertschöpfungsschritte bringen. Das niederländische Forschungsinstitut ECN hat beispielsweise das Konzept der MWT-Zelle dahin gehend erweitert, dass die Solarzellen bei der Modulverschaltung auf eine Art Leiterplatte mit Kontaktstiften aufgesteckt werden können.

Mit der Solarmodultechnik wird sich der zweite Solar-Report zu den Photovoltaik-Innovationen befassen, zum Abschluss der Serie ist ein Beitrag über Dünnschicht-Solartechnik geplant.

Das komplette BINE Themeninfo III/05 kann beim BINE Informationsdienst www.bine.info heruntergeladen werden unter http://bine.info/pdf/publikation/themen0305internetx.pdf. Der Solarserver dankt dem BINE Informationsdienst und Herrn Dr. Ralf Lüdemann für die Rechte zur Internetpublikation.

Autor "Solarzellen aus Silizium-Wafern": Dr. Ralf Lüdemann, Deutsche Cell GmbH.
Redaktion: Johannes Lang (BINE Informationsdienst), Rolf Hug (Solarserver).

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