Fraunhofer ISE setzt neuen Wirkungsgrad-Weltrekord mit 26 Prozent für beidseitig kontaktierte Solarzellen

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Dem Forscherteam um Armin Richter vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ist ein neuer Wirkungsgrad-Weltrekord gelungen. Sie erreichten eine Effizienz von 26 Prozent für eine beidseitig kontaktierte Solarzelle, wie sie im Artikel „Design rules for high-efficiency both-sides-contacted silicon solar cell with balanced charge carrier transport and recombination losses“ berichten, der nun bei „Nature Energy“ erschienen ist. Darin erläutern sie den Aufbau der Solarzelle. Schlüssel für ihren Erfolg sei die die Ausbildung der Rückseite als vollflächiger ladungsträgersammelnder Passivierungskontakt gewesen.

Bislang seien Wirkungsgrade um 26 Prozent nur bei Solarzellen im IBC-Design, also mit Metallkontakten auf der Rückseite, erreicht worden, heißt es vom Fraunhofer ISE. Der Wert liegt dabei schon nahe am theoretischen physikalischeen Limit des Halbleitermaterials Silizium von 29,4 Prozent. Als Industriestandard hat sich mittlerweile aber eine beidseitig kontaktierte Solarzelle herauskristallisiert, die die Forscher nun zu höherer Effizienz getrieben haben. Grundlage sei dafür die Topcon-Technologie, die sehr niedrige Oberflächenrekombinationsverluste mit effizientem Ladungsträgertransport kombiniert, wie die Forscher zu ihrer Entwicklung schreiben.

Während industrielle Standardzellen über einen vorderseitigen pn-Übergang verfügten, sei bei der Rekordzelle der pn-Übergang auf der Rückseite in Form eines vollflächigen Topcon-Kontakts ausgebildet worden. Die vollflächige Bor-Dotierung auf der Vorderseite werde dadurch nicht mehr benötigt, sondern ausschließlich eine lokale Bor-Diffusion direkt unter den Vorderseiten-Kontakten ausgeführt. Diese Topcon Rear Emitter (TOPCoRE)-Solarzelle erlaubt den Forschern zufolge höhere Spannungen und höhere Füllfaktoren als Zellen mit sammelndem Emitter auf der Vorderseite.

Der Vorteil des Zelldesigns liege darin, dass der Wafer besser für den Ladungsträgertransport ausgenutzt werden könne. Die Vorderseite werde zudem mittels Aluminiumoxids effektiver passiviert. Eine detaillierte Verlustleistungsanalyse der Forscher habe gezeigt, dass diese Zelle sowohl Elektronen- und Lochtransportverluste als auch Transport- und Rekombinationsverluste im Allgemeinen ausgleicht und minimiert. Die vom Fraunhofer ISE entwickelte Zellstruktur lasse sich dabei in vielen Standardtechnologien einsetzen, da die Verschaltung der Solarzellen zu -modulen auf bereits bestehende Technologien aufgebaut werden könne.

„Aus einer systematischen Simulationsstudie konnten wir einige grundlegende Designregeln für zukünftige Silizium-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 26 Prozent ableiten. Beidseitig kontaktierte Solarzellen haben das Potenzial für Wirkungsgrade bis zu 27 Prozent und sind damit auch geeignet, den bisherigen Weltrekord für Silicium-Solarzellen zu übertreffen“, erklärt Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik-Forschung am Fraunhofer ISE.

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