Photovoltaik-Produktion: Neuartige Feinlinienmetallisierungstechnologie verspricht höhere Solarzellen-Wirkungsgrade

Die so genannte Dispens-Technologie kann problemlos in herkömmliche Produktionslinien für Silizium-Solarzellen integriert werden und dort den für das Aufbringen der Vorderseiten-Metallkontakte üblichen Siebdruck ersetzen, betont das Fraunhofer ISE.
Der Materialverbrauch werde reduziert, die Kontakte würden dünner und mehr Halbleiterfläche sei dem Sonnenlicht ausgesetzt, was eine Erhöhung der Solarstrom-Ausbeute und somit des Wirkungsgrads um etwa 2 % zur Folge habe.
Auch andere Produktionsschritte in der Solarzellen-Fertigung lassen sich mit dem neuen Verfahren optimieren.

Solarzellen-Kontakte aus der Tube

Bei der Dispens-Technologie werden die von den Projektpartnern MERCK und HERAEUS neu entwickelten Materialien in einem kontaktlosen Druckverfahren durch feinste Öffnungen eines hochparallelen Druckkopfes auf der Solarzellen-Oberfläche platziert. Bei dieser neuen, auch Extrusionsverfahren genannten Methode werden die Materialien durch sehr feine Öffnungen eines Druckkopfes gedrückt, ähnlich wie Zahnpasta durch die Tubenöffnung, nur dass die Forscher hier Düsendurchmesser von der Dicke eines menschlichen Haars verwenden (ca. 50 μm) und viele Düsen parallel arbeiten, um die gewünschten Strukturen schnell zu fertigen.
„Am Fraunhofer ISE steht uns mit dem Photovoltaik-Technologie und Evaluationscenter PV-TEC eine hervorragende Infrastruktur für derartige Neuentwicklungen zur Verfügung“, so Projektleiter Dr. Florian Clement.
„Hier können wir alle Schritte von der ausführlichen Charakterisierung des Fließverhaltens der Medien bis hin zur Herstellung hocheffizienter Silizium-Solarzellen durchführen. Zur Entwicklung der Druckkopf-Architektur haben wir die Fluiddynamik des Extrusionsprozesses simuliert.“
Die hergestellten Dispensköpfe konnten so in mehreren Iterationsstufen optimiert und im Anwendungslabor auf Praxistauglichkeit erprobt werden.

Dispensautomat kann einfach in den herkömmlichen Fertigungsprozess einer Standardsolarzelle integriert werden
Der Partner ASYS entwickelte unter Einbeziehung der gesammelten Erfahrungen einen Dispensautomaten, der im Frühjahr 2014 am Fraunhofer ISE in Betrieb genommen wurde. Dieser hochflexible Automat erlaubt die Integration und Ansteuerung der entwickelten Dispensköpfe und kann einfach in den herkömmlichen Fertigungsprozess einer Standardsolarzelle integriert werden, um die gewünschte Metallisierungsstruktur mit höchster Präzision auf die Solarzelle aufzubringen.
Mehrere hundert Solarzellen seien bereits mit der Anlage und einem für die Vorderseitenmetallisierung optimierten Druckkopf metallisiert worden. Feinlinienkontakte mit Kontaktbreiten von weniger als 35 μm auf industriell vorprozessierten Solarzellen wurden dabei laut Fraunhofer ISE erreicht.
Dies entspricht einer Verringerung der Kontaktbreite um etwa ein Drittel bei gleichbleibender Kontaktquerschnittsfläche im Vergleich zum industriell weit verbreiteten Siebdruckverfahren. Ein Ergebnis, das die Leistungsfähigkeit dieser Technologie eindrucksvoll unterstreicht.
Zudem erlaubt das neue Verfahren eine äußerst homogene Extrusion der Kontakte, so dass keine so genannten „mesh-marks“, wie sie bei Siebdruckverfahren auftreten können, beobachtet werden.

Noch höhere Wirkungsgrade bei gleichzeitig reduzierten Silberverbrauch
Die Dispens-Technologie des Fraunhofer ISE hat das  Potenzial, herkömmliche Druckmaschinen in der Solarzellenfertigung zu ersetzen, da nur leicht adaptierte Pasten verwendet werden, die Druckgeschwindigkeiten sogar erhöht werden können und auch der Feuerungsprozess unverändert bleiben kann.
Darüber hinaus bietet sie Einsparungspotenzial im so genannten Dualdruckverfahren, bei denen Busbar und Kontaktfinger der Solarzelle in zwei separaten Druckschritten gefertigt werden, um noch höhere Wirkungsgrade bei gleichzeitig reduzierten Silberverbrauch zu erzielen.
Im Vergleich zum Siebdruck kann hier durch den kontaktlosen Druckprozess auf einen zusätzlichen Trockenprozess nach dem Busbar-Druck verzichtet werden, so dass nass in nass gedruckt und somit ein Trockner eingespart werden kann. Das berührungslose Verfahren verspricht zudem bei der Verwendung dünnerer Siliziumwafer eine geringere Ausschussrate.
Solarzellenhersteller zeigten bereits großes Interesse an der Dispens-Technologie und stellten Testwafer zur Verfügung, die am Fraunhofer ISE mit dem neuen System metallisiert werden.
Im nächsten Schritt ist geplant, einen noch leistungsfähigeren Druckkopf zu entwickeln und in das System zu integrieren.
Die Arbeiten wurden unter dem Projektnamen „Gecko“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und von den genannten Industriepartnern mitfinanziert. Die Ergebnisse werden auf dem Metallisierungs-Workshop „Fifth Workshop on Metallization of Crystalline Silicon Solar Cells“ am 20. und 21. Oktober 2014 in Konstanz vorgestellt.

16.10.2014 | Quelle: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH