ISFH und Uni Hannover entwickeln POLO-IBC-Solarzelle mit 23,7 Prozent Wirkungsgrad

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Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Leibniz-Universität Hannover und des Instituts für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) hat zwei verschiedene Arten von Solarzellen entwickelt, die auf n-dotierten, elektronensammelnden Poly-Si auf Oxid (POLO)-Übergängen mit einem aluminiumlegierten p+-Übergang zum Sammeln von Löchern basieren: eine rückseitig kontaktierte Zelle (POLO-BJ) und eine interdigitale rückseitig kontaktierte Zelle (POLO-IBC).

„Wir haben beide Technologien parallel entwickelt, da ihre Prozessabläufe sehr ähnlich sind und sich bei der Entwicklung viele Synergien ergeben haben“, so Robby Peibst vom ISFH, Leiter des Forschungsprojekts, auf Anfrage von pv magazine. „Eine der Hauptmotivationen für die parallele Entwicklung war sicherlich die Risikominimierung, da es anfangs nicht sicher war, dass wir die jeweiligen Herausforderungen lösen können. Für das POLO-BJ-Element stellte sich zum Beispiel die Frage, ob es wirklich möglich ist, ein Aluminium-Fingergitter so dünn zu drucken, dass es sich als Vorderseitenmetallisierung einer hocheffizienten Solarzelle eignet, was nun der Fall zu sein scheint.“

Die Wissenschaftler erklärten, dass der aluminiumlegierte p+-Übergang für die Lochsammlung der Standard bei der Herstellung von PERC-Solarzellen ist und kostengünstig während des Metallisierungsprozesses gebildet werden kann, ohne dass eine Bor-Diffusion oder Silbermetallisierung erforderlich ist. Durch simulationsbasierte Sensitivitätsanalysen zur Qualität dieser lochsammelnden Übergänge konnte die deutsche Gruppe feststellen, dass die Reduzierung der Aluminium-p+-Rekombination und des Widerstands für beide Zellstrukturen von großer Bedeutung ist.

„Eine Reduzierung des Kurzschlussstroms von Stromwerten von 600 (830) auf 400 Femtoampere pro Quadratzentimeter ist mit einem hohen Wirkungsgradpotenzial von 25,4 Prozent für POLO-IBC und 24,6 Prozent für POLO-BJ vereinbar“, heißt es weiter. „Wir schließen daraus, dass die Optimierung der Qualität des Aluminium-p+-Bereichs eine lösbare Herausforderung und kein Hindernis darstellt. Eine noch bessere Qualität des Aluminium-p+-Bereichs würde noch höhere Wirkungsgrade ermöglichen.“

Das beste von den Wissenschaftlern entwickelte POLO-IBC-Element erreichte einen Wirkungsgrad von 23,71 Prozent, eine Leerlaufspannung von 711,5 Millivolt, einen Kurzschlussstrom von 41,3 Milliampere pro Quadratzentimeter und einen Füllfaktor von 80,9 Prozent. Die POLO-BJ-Zelle mit der besten Leistung erreichte einen Wirkungsgrad von 22,9 Prozent, eine Leerlaufspannung von 714 Millivolt, einen Kurzschlussstrom von 39,6 Milliampere pro Quadratzentimeter und einen Füllfaktor von 80,9 Prozent.

„Die IBC-Zellen erforderten einen zusätzlichen Strukturierungsschritt und die Entwicklung einer ‚Nicht-Standard‘-Modulverschaltungstechnologie“, betonte Peibst. „Deshalb erschien uns POLO-BJ zunächst als die naheliegendere Alternative zu PERC“. Ihm zufolge gibt es in der Branche jedoch derzeit eine deutliche Dynamik in Richtung IBC-Zellen. „Dennoch werden beidseitig kontaktierte Zellen zumindest mittelfristig sicherlich weiterhin dominieren. Vielleicht könnte POLO-BJ das erste Upgrade einer PERC-Linie sein, und POLO-IBC eine Folgeversion“, sagte Peibst.

Ihre Forschungsergebnisse beschreiben die Forscher in dem Artikel „On the chances and challenges of combining electron-collecting nPOLO and hole-collecting Al-p+ contacts in highly efficient p-type c-Si solar cells“ beschrieben, der im Fachmagazin „Progress in Photovoltaics“ veröffentlicht ist.

„Ich persönlich halte es für eine attraktive Option, dass Teile unserer Entwicklung in die Massenproduktion einfließen können“, so Peibst weiter. „Wenn wir zum Beispiel mit POLO-BJ erfolgreich zeigen können, dass eine Vorderseitenmetallisierung mit Aluminium-Fingern möglich ist und eine stabile Modulverschaltung erlaubt, wäre dies auch eine Option, um Silber in n-type Topcon-Zellen einzusparen. Unsere Arbeit zur Aluminium-Metallisierung von Poly-Silizium ist auch für diesen Zweck relevant.“

Dieselbe Forschungsgruppe hat vor kurzem eine Reihe von numerischen Simulationen durchgeführt, um zu bewerten, wie photonische Kristalle die Effizienz von IBC-Solarzellen erhöhen können, die auf einem POLO-Übergang am Minus-Kontakt der Zelle und einem lochselektiven p+-type POLO-Übergang am Plus-Kontakt basieren. Die simulierte Zelle wurde mit einer Standard-Waferdicke von 150 Mikrometern angenommen und die Wissenschaftler fanden heraus, dass sie bei normalem Lichteinfall einen Wirkungsgrad von über 28 Prozent erreichen kann.

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