Das Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme (ISE) hat den Verbrauch von Silber für TOPCon-Solarzellen auf 1,1 Milligramm pro Watt Spitzenleistung reduziert. Aktuell haben TOPCon-Solarzellen im Schnitt einen Silberbedarf von 10 bis 12 Milligramm pro Watt, teilte das Institut mit. Die Reduzierung entspricht damit dem Faktor Zehn. Dafür erprobten die Wissenschaftler ein auf Galvanik basierendes Inline-Metallisierungsverfahren. TOPCon-Solarzellen haben im Vergleich zu PERC-Solarzellen einen erhöhten Silberverbrauch. Solarzellenhersteller stehen deshalb unter besonderem Kostendruck, diesen zu senken.

Während die Metallisierung von Silizium-Heterojunction und IBC-Solarzellen mit gedruckten Silber-Kupfer oder reinen Kupfer-Kontakten bereits erfolgreich funktioniert, befindet sich die gedruckte Kupfer-Metallisierung für TOPCon-Solarzellen noch in der Erprobung. Gleichzeitig handele es sich dabei um den aktuell am meist produzierten Zelltyp und jenen mit einem besonders hohen Silberverbrauch. Galvanisierte Kupfer-Kontakte haben das Potenzial, den Silberbedarf von TOPCon-Solarzellen fast vollständig zu ersetzen. Nickel diene dabei als Diffusionsbarriere gegen eine Kupfer-Migration in die Zelle. Das Kupfer übernehme die elektrische Leitung, ein minimaler Anteil an Silber verbleibe als Oxidationsschutz.

In 3 Jahren reif für Massenmarkt

»Die sogenannte Nickel/Kupfer-Galvanisierung könnte innerhalb von zwei bis drei Jahren fest in den Photovoltaik-Markt eingeführt werden«, sagt Dr. Sven Kluska, Gruppenleiter für Elektrochemische Prozesse am Fraunhofer ISE. »Für Solarzellen-Hersteller hätte sie viele Vorteile, auch wenn sie dafür als Anfangsinvestition Galvanisierungsanlagen in ihren Produktionsprozess integrieren müssen«.

Dass die Galvanik-Metallisierung technisch machbar und im industriellen Maß umsetzbar ist, demonstrierten die Wissenschaftler im Konsortium mit dem Maschinenbauer RENA Technologies GmbH in den Forschungsprojekten »EURO« und »SHINE PV«. Sie metallisierten dabei auf einer Inline-Galvanik-Anlage mehrere Chargen von M10 TOPCon-Solarzellen und erreichten dabei Wirkungsgrade von 24 Prozent. Das entspricht dem Wirkungsgrad der Referenz-Solarzellen mit Silber-Kontakten aus klassischen Siebdruck-Verfahren. Um das Einhalten eines niedrigen Kontaktwiderstands und hoher Füllfaktoren zu prüfen, wiesen sie für eine Charge von 186 TOPCon-Solarzellen einen Füllfaktor von 82,1 ± 0,3 Prozent nach. Die mit den Solarzellen hergestellten Solarmodule zeigten in den Degradationstests gemäß IEC61215 ferner eine sehr gute Stabilität.

Geringere Abhängigkeit von China

»Die Metallisierung mittels Galvanik würde auch zu einer deutlich geringeren Abhängigkeit von China führen, als es aktuell bei Silber-Pasten für die heute übliche Siebdruckmetallisierung der Fall ist», sagte Dr. Florian Clement, Abteilungsleiter Metallisierungs- und Strukturierungstechnologien am Fraunhofer ISE. »Anlagen und Chemikalien für die Kupfer-Galvanik kommen von europäischen und amerikanischen Herstellern, für Rohkupfer gibt es einen globalen Markt, ohne Konzentration auf chinesische Lieferanten. Gleichzeitig arbeiten wir am Fraunhofer ISE intensiv daran europäische, resiliente Lieferketten für die Kupfer-basierte Siebdruckmetallisierung zu etablieren.«

Auch beim Siebdruck-Verfahren gebe es die Möglichkeit, die Silberpasten durch hybride Silber-Kupfer oder reine Kupfer-Pasten zu ersetzen. Allerdings gestalte sich die Umsetzung auf TOPCon Solarzellen im Vergleich zu Silizium-Heterojunction Solarzellen mit einer TCO-Schicht (transparente leitfähige Oxyd-Schicht), welche als Kupfer-Diffusionsbarriere wirkt, als erheblich schwieriger. Deshalb entwickelten Forschende weltweit auch die Galvanik-Metallisierung für TOPCon-Solarzellen weiter.

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