Forscherkonsortium um Singulus senkt Produktionskosten für PERC-Solarzellen

Das Forschungsprojekt „Simplex“ kann bei der Zwischenbilanz erste Erfolge vorweisen. Auf Basis der plasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) sei es gelungen, den Fertigungsprozess von PERC-Solarzellen wesentlich zu verbessern. „Für den industriellen Plasmabeschichtungsprozess konnte die Dicke der für die PERC-Zelle wesentlichsten Schicht erfolgreich auf ein Viertel verringert werden, ohne die Zelleffizienz zu senken“, erklärte Projektkoordinator Bernhard Cord von Singulus am Dienstag. Die PERC-Solarzellen verfüge nur noch über vier Nanometer dicke Aluminiumoxid-Schichten, statt der heute üblichen 20 bis 30 Nanometer. Der Wirkungsgrad der sei mit 21 Prozent stabil gehalten worden, gleichzeitig seien die Kosten für den Fertigungsprozess jedoch deutlich gesenkt worden.

Die drastische Reduktion der Schichtdicke der Passivierung unter Anwendung eines industrieüblichen Plasmabeschichtungsverfahrens sei möglich geworden, weil im Forschungsverbund Plasmatechnik und Solarzelltechnologie kombiniert weiterentwickelt worden sei. Bislang seien solch dünne Schicht nur mit der Atomic Layer Deposition (ALD) – einem verglichen mit der PECVD wesentlich aufwändigerem Verfahren – erreicht worden. Mit den nun erreichten Fortschritten eröffneten sich große Potenziale für Material-, Energie- und Zeitersparnis, hieß es weiter.

Das Aufbringen geeigneter Passivierungsschichten sei ein essenzieller Fertigungsschritt bei der Produktion von kristalline Solarzellen. Bei der PERC-Technologie komme hinzu, dass eine beidseitige Oberflächenpassivierung mittels dünner Schichten erfolge. Dabei würden vor allem Siliciumnitrid (SiNy) und Aluminiumoxid (AlOx) eingesetzt. Im industriellen Fertigungsprozess müssten die Schichten großflächig homogen sein. Zugleich dürfe es bei den hohen Abscheideraten nur einen geringen Material- und Energieeinsatz geben.

Der Forschungsverbund Simplex – der aus fünf Industrieunternehmen und zwei Forschungsinstituten besteht – setze dafür auf PECVD-Prozesse auf Basis induktiv gekoppelter Plasmen (ICP). Sie arbeiteten auch intensiv an der Prozesskontrolle. So seien während des Beschichtungsprozesses drei sehr unterschiedliche in-situ-Messtechniken eingesetzt worden: Bei dem spektralen Plasmamonitoring (SPM) und der Self-Excited Electron Resonance Spectroscopy (SEERS) handelt es sich um Diagnostiken zur Charakterisierung des Plasmas, während in der in-situ-Laser-Ellipsometrie das Schichtwachstum direkt beobachtet werden kann.

„Dieser einzigartige Aufbau ermöglicht Einblicke in die kausalen Zusammenhänge von den Grundlagen der Plasmaphysik bis hin zur Dynamik und Qualität der Schichtabscheidung mit dem Nutzen, weitere Steigerungen von Schichtqualität und -wachstumsrate zu erzielen“, so Cord weiter. Dies sei nicht nur für PERC-Solarzellen relevant, sondern auch für die Fertigung anderer hocheffizienter Zellen. Immer mehr Photovoltaik-Hersteller setzten mittlerweile darauf: Der Marktanteil der PERC-Technologie liege bereits bei etwa 22 Prozent.

Die Forschungserfolge wollen die Projektpartner auch in der Praxis gewinnbringend nutzen. „Die Partner beabsichtigen, die neuen Erkenntnissen zu den Möglichkeiten eines verringerten Materialeinsatzes, zum Aufbau von Plasmareaktoren für eine effiziente Schichtabscheidung und der Analyse und Kontrolle des Schichtprozesses in den Bau neuer Anlagen zur kostengünstigen, industriellen Produktion von Hocheffizienz-Solarzellen einfließen zu lassen“, erklärte Cord. Neben Singulus sind auch Plasus, Plasmetrex, Sentech Instruments, Trumpf Hüttinger sowie das Fraunhofer ISE und das Fraunhofer IST an dem Konsortium beteiligt.

Als nächster Schritt sei nun geplant, einen verbesserten Plasmareaktor einzusetzen, der sich noch in der Aufbauphase befinde. Außerdem sollen die Erkenntnisse aus den in-situ Messungen und Simulationen des Plasmaabscheideprozesses ausgewertet und weitere Solarzellen hergestellt werden, um die erreichte Reduzierung der passivierenden AlOx-Schichtdicken abzusichern, wie es weiter hieß.

Das Projekt gehört zur Initiative „F&E für Photovoltaik“ – auch als Solarstromforschung bezeichnet. Das Bundeswirtschafts- und -forschungsministerium unterstützen die mehr als zehn Projekte über einen Zeitraum von drei Jahren mit insgesamt 50 Millionen Euro.