Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem Silizium- Solarzellen künftig deutlich höhere Wirkungsgrade erreichen könnten. Sie nutzen dafür eine andere Dotierung als normalerweise gebräuchlich. Damit werden Photovoltaikerträge auch für kommerzielle Solarzellen möglich. Der Prototyp erreichte über 23 Prozent Wirkungsgrad.
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Silizium-Solarzellen bestehen aus zwei unterschiedlich dicken Bereichen, die sich in der Leitfähigkeit unterscheiden: n steht für negativ, p für positiv. Der dickere Bereich, das Substratmaterial, wird als Basis bezeichnet und gibt der Zelle den Namen, zum Beispiel p-Typ bei herkömmlichen Solarzellen. Sie
haben eine p-leitende Basis und eine dünne n-leitende Schicht, den Ladungsträger sammelnden Emitter. Bei n-Typ Solarzellen ist der Emitter also p-dotiert, was entweder durch eine Bor-Diffusion oder eine Einlegierung von Aluminium erreicht werden kann.
Andere Dotierung als üblich
Schon seit geraumer Zeit wird mit n-Typ Silizium als Basismaterial experimentiert. Doch die Fertigungstechnik war bisher sehr aufwändig.Das Hauptproblem für die Umsetzung von n-Typ Solarzellen, bei denen sich der Emitter auf der lichtzugewandten Seite befindet, war bisher die
Passivierung dieses meist Bor-dotierten Emitters. Sie erzeugt eine nichtmetallische Schutzschicht über der Zelle. Mit konventionellen Schichten wie Siliziumoxid SiO2 oder Siliziumnitrid SiNx ist eine optimale Passivierung solcher Oberflächen nicht zu erreichen.
23,4 ProzentWirkungsgrad
Jan Benick von Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ist es nun gelungen, mit einem speziell für die n-Typ Zelle entwickelten Hocheffizienz-Zellprozess, der die Bor-Diffusion zur Emitterherstellung nutzt, 23,4 Prozent Wirkungsgrad auf 2×2 Quadratzentimeter zu erreichen. In Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Eindhoven erhielten diese Zelle Aluminiumoxid Al2O3 als Vorderseitenpassivierung. Das ist der höchste Wirkungsgrad, der bisher für diesen Zelltyp erreicht wurde. Mit deutlich einfacheren, industrienahen Prozessschritten und der Verwendung eines Siebdruck-Prozesses zur Erzeugung des einlegierten Aluminium-Emitters, erreichte sein Kollege Christian Schmiga immerhin bereits 18,2 Prozent Wirkungsgrad auf 12,5 x 12,5 Quadratzentimeter.
Bessere Toleranz gegenüber Verunreinigungen
„Die meisten kommerziellen Silizium-Solarzellen haben heutzutage eine p-Typ Basis“, beschreibt Gruppenleiter Martin Hermle vom Fraunhofer ISE den Unterschied zum Stand der Technik. „Doch das für die am ISE entwickelten neuartigen Solarzellstrukturen verwendete n-Typ Silizium hat für die photovoltaische Stromgewinnung günstigere Eigenschaften wie eine hohe Toleranz gegenüber den meisten Verunreinigungen. Für die Praxis bedeutet das entweder eine höhere Effizienz oder geringere Herstellungskosten, da man mit preisgünstigem Silizium arbeiten kann“. Hinzu kommt, dass vor allem p-Type Czochralski (Cz) Silizium unter der lichtinduzierten Degradation leidet, ein Effekt der bei der Verwendung von n-Typ Silizium nicht auftritt.
Am Fraunhofer ISE wird nun konsequent an der Weiterentwicklung der Prozesstechnologie für n-Typ Solarzellen gearbeitet, damit eine industriell umsetzbare Silizium-Solarzelle mit Wirkungsgraden über 20Prozent rasch realisiert werden kann.
(Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, 23.09.2009 – NPO)
