Ein Laser-basierter Fertigungsprozess des Fraunhofer ISE in Freiburg revolutioniert den Photovoltaik-Markt. Erstmals können punktkontaktierte Solarzellen in Serie hergestellt werden. Mehrere Millionen Zellen mit deutlich höherem Wirkungsgrad sind bereits auf dem Markt.
Die Energiewende und damit das Ziel, mehr Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu gewinnen, gilt als eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte. Solar-Technologie wird einen entscheidenden Anteil dazu beitragen. »Die gesamte elektrische Energie, die jährlich durch Photovoltaik bereitgestellt wird, beträgt mehr als 250 Terawattstunden. Das entspricht etwa dem Ertrag von 30 Atomkraftwerken. Um mitzuhelfen die internationalen Klimaziele zu erreichen, muss die jährlich neu installierte Photovoltaikleistung in den nächsten 15 Jahren verzehnfacht werden. Insgesamt muss Solar-Technologie also immer effizienter und kostengünstiger werden, um diesen Markt gut bedienen zu können«, erklärt Dr.-Ing. Ralf Preu, Bereichsleiter Photovoltaik-Produktionstechnologie und Qualitätssicherung am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Mit der Entwicklung der Laser Fired Contact (LFC)-Technologie haben der Forscher und sein Kollege Dr. Jan Nekarda bereits einen Beitrag zum Klimaschutz geleistet. Effizientere Solarzellen können damit kostengünstig hergestellt werden.
Solarzellen werden heute in der Regel mit einem flächigen metallischen Kontakt versehen, damit Strom aus der Zelle in die Elektrode fließen kann. Der Kontakt bedeckt dabei die gesamte Rückseite eines Siliziumwafers. Dies limitiert jedoch den Wirkungsgrad. Als leistungsfähigere Alternative ist seit 1989 die Passivated Emitter and Rear Cell-Technologie, kurz PERC, bekannt. Sie enthält im Vergleich zu konventionellen Zellen eine zusätzliche spiegelnde Schicht auf der Rückseite und Tausende elektrischer Kontaktstellen. Durch die Entwicklung des LFC-Prozesses ermöglichten die Fraunhofer-Forscher die erste industrielle Massenproduktion der PERC-Solarzelle.
Auf der Unterseite einer PERC-Solarzelle wird zwischen Kontaktschicht und Wafer eine sehr dünne nicht-leitende Schicht abgeschieden. Diese dient als Spiegel und reflektiert den Anteil des Sonnenlichts, der beim Durchdringen des Wafers nicht absorbiert wurde, in die Siliziumscheibe zurück. Da auch die Vorderseite das Licht zurückwirft, wird es im Siliziumwafer gefangen und der Wirkungsgrad der Solarzelle steigt. Um den Strom aus dem Wafer ableiten zu können, sind viele kleine Öffnungen in der nicht-leitenden Schicht notwendig, durch welche ein Kontakt zwischen Elektrodenmetall und Siliziumwafer entsteht. Beim LFC-Verfahren wird jeder dieser etwa 100 000 Kontakte durch einen einzelnen Laserpuls erzeugt. »Die Schwierigkeit bestand darin, die Pulse so abzustimmen, dass einerseits der Kontakt vollständig ausgebildet ist, das Silizium aber nur minimal beeinträchtigt wird. Entscheidend dafür ist, dass das Laserlicht nur zwischen 50 und 2000 Nanosekunden einwirkt«, erklärt Dr. Jan Nekarda, Gruppenleiter am ISE. Durch ein neuartiges System die Laserstrahlen zu führen, können alle Kontakte in etwa einer Sekunde hergestellt werden.
»Die so produzierten PERC-Solarzellen haben einen verbesserten Wirkungsgrad von zirka fünf Prozent relativ bei einem Solarzellenwirkungsgrad von heute etwa 20 Prozent. Im gesamten System konnten wir den Energieertrag um etwa sieben Prozent steigern«, freut sich Ralf Preu. Da die meisten Kosten in der Photovoltaik flächenabhängig sind, besitzt der Wirkungsgrad eine enorme Bedeutung. »Braucht man derzeit 100 Quadratmeter Solarzellen, benötigt man in Zukunft nur noch 93 Quadratmeter, um die gleiche Strommenge zu erzeugen. Das bedeutet nicht nur weniger Silizium, sondern auch weniger Modul-Material, weniger Material in den Systemen, und man spart schlussendlich auch Planungskosten«.
Das Laser-Verfahren lässt sich einfach und kostengünstig in bestehende Produktionsprozesse der Hersteller von Solarzellen integrieren. Hanwha Q Cells hat laut Unternehmensangaben seit der Produktionseinführung bereits 20 Millionen Zellen mit Hilfe der LFC-Technologie hergestellt. Weltweit haben Unternehmen die PERC-Technologie mittlerweile in die Massenfertigung überführt. »Allein im laufenden Jahr werden von Herstellern dazu Investitionen von mehr als 200 Millionen Euro getätigt. Damit ist die nächste Evolutionsstufe der Siliziumsolarzelle endgültig etabliert«, sagt Ralf Preu begeistert.
Als Wegbereiter dieses Wandels erhalten Ralf Preu und Jan Nekarda den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2016. Die Jury begründet die Auszeichnung unter anderem mit der Feststellung, dass »die Entwicklung der Forscher dazu beiträgt, dass deutsche Unternehmen weiterhin im umkämpften Photovoltaik-Markt erfolgreich agieren können.«
Ein Laser-basierter Fertigungsprozess des Fraunhofer ISE in Freiburg revolutioniert den Photovoltaik-Markt. Erstmals können punktkontaktierte Solarzellen in Serie hergestellt werden. Mehrere Millionen Zellen mit deutlich höherem Wirkungsgrad sind bereits auf dem Markt.
Fraunhofer-Wissenschaftler Dr. Ralf Preu erklärt, warum Photovoltaik für ihn die eleganteste Form der Energiegewinnung ist, und wie er und seine Kollegen dazu beitragen, diese Technologie immer effizienter zu gestalten.
Seit 1978 verleiht die Fraunhofer-Gesellschaft jährlich Preise für herausragende wissenschaftliche Leistungen ihrer Mitarbeiter, die anwendungsnahe Probleme lösen. Mehr als 200 Forscherinnen und Forscher haben diesen Preis inzwischen gewonnen. In diesem Jahr werden drei Preise mit jeweils
Weltweit steht die Photovoltaik-Industrie unter einem hohen Wirtschaftlichkeitsdruck. Verbesserungen im Herstellungsprozess sind neben hohen Wirkungsgraden vorrangige Ziele. Die Entwicklung der Forscher hat unter anderem auch über die Effizienzweltrekorde für Solarzellen und Module dazu beigetragen, dass deutsche Firmen weiterhin in dem umkämpften Markt erfolgreich agieren. Damit ist die Laser Fired Contact-Technologie ein »game changer«. Dem Team gelang die Entwicklung dieser Solarzellentechnologie von den Grundlagen bis hin zum Transfer in die Massenproduktion. Die Jury würdigt darüber hinaus die konsequente Weiterentwicklung in einem wirtschaftlich schwierigen Umfeld.
Pate für die Abstimmung: Dr. Monika Kursawe, Merck KGaA
Fraunhofer-Gesellschaft