Silberverbrauch von TOPCon-Solarzellen um Faktor 10 reduziert

(WK-intern) – Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE gelang es, den Silberverbrauch von TOPCon-Solarzellen auf 1,1 Milligramm pro Watt Peak zu reduzierten.

Aktuell haben TOPCon-Solarzellen im Schnitt einen Silberbedarf von 10 bis 12 Milligramm pro Watt Peak.

Dafür erprobten sie ein auf Galvanik basierendes Inline-Metallisierungsverfahren auf Pilotanlagen, die von der RENA Technologies GmbH entwickelt wurden. Durch die Kombination von ultrakurzer UV-Laserstrukturierung mit der elektrochemischen Abscheidung von Nickel, Kupfer und Silber fertigte das Forschungsteam TOPCon-Solarzellen der Wafergröße M10 mit einem Wirkungsgrad von 24 Prozent. TOPCon-Solarzellen haben im Vergleich zu PERC-Solarzellen einen erhöhten Silberverbrauch.

Solarzellenhersteller stehen deshalb unter besonderem Kostendruck, diesen zu senken.

Während Silizium-Heterojunction und IBC-Solarzellen bereits erfolgreich mit gedruckten Silber-Kupfer oder reinen Kupfer-Kontakten metallisiert werden, befindet sich die gedruckte Kupfer-Metallisierung für TOPCon-Solarzellen noch in der Erprobung. Gleichzeitig handelt 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 dient dabei als Diffusionsbarriere gegen eine Kupfer-Migration in die Zelle, Kupfer übernimmt die elektrische Leitung, ein minimaler Anteil an Silber verbleibt als Oxidationsschutz.

»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 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, deren Silber-Kontakte im klassischen Siebdruck-Verfahren aufgebracht wurden. 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 eine sehr gute Stabilität.

»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 gibt es die Möglichkeit, die Silberpasten durch hybride Silber-Kupfer oder reine Kupfer-Pasten zu ersetzen. Allerdings gestaltet 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, weshalb Forschende weltweit auch die Galvanik-Metallisierung für TOPCon-Solarzellen weiterentwickeln.

PM: Fraunhofer ISE

PB: Durchführung einer lichtinduzierten Kupferabscheidung an einer Inline-Galvanikanlage zur Metallisierung von c-Si Solarzellen mit einem Schichtstapel aus Nickel, Kupfer, Silber. / ©: Fraunhofer ISE / Foto: Dirk Mahler