Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) haben den indirekten Tiefdruck für die Vorderseitenmetallisierung von Silizium-Heterojunction-Solarzellen (SHJ) eingesetzt. Damit ist es ihnen gelungen, den Silberverbrauch bei Zykluszeiten von 0,5 Sekunden pro Zelle zu senken und Wirkungsgrade von bis zu 20,7 Prozent zu erreichen.
„Ein großer Vorteil der Rotationsdrucktechniken wie Tiefdruck, aber auch Rotationssiebdruck und Flexodruck, ist die Möglichkeit, die Zykluszeit pro Wafer stark zu reduzieren und somit den Durchsatz pro Stunde im Vergleich zu modernen Metallisierungsmethoden zu erhöhen“, erklärt Forschungsleiter Jörg Schube gegenüber pv magazine. Den Forschern zufolge lag der Wirkungsgrad im Vergleich zum Siebdruckverfahren um 1,7 Prozent niedriger war – aber die Zykluszeit wurde verkürzt.
Hoher Durchsatz gefordert
Ziel der Fraunhofer-Forscher ist es, bessere Metallisierungstechniken für Silizium-Solarzellen zu finden, da die Technologie-Roadmap der Photovoltaik-Industrie mehr Silizium-Heterojunction (SHJ)-Zellen und siliziumbasierte Tandemgeräte vorsieht.
Ein zweites Ziel liegt in der Entwicklung von Niedertemperatur-Metallisierungsprozessen, die weniger Silber verbrauchen, aber dennoch einen hohen Durchsatz ermöglichen. So sollte der Durchsatz von 4.000 Wafern pro Stunde und Spur auf 9.500 Wafer pro Stunde und Spur erhöht werden. Das entspricht Zykluszeiten von 0,9 Sekunden bzw. 0,5 Sekunden pro Zelle.
Das legt den Einsatz von Metallisierungstechnik nahe, die auf Technologien wie Parallel Dispensing, Tintenstrahldruck, Rotationsdruck oder FlexTrail basiert, so die Forscher. FlexTrail ist eine neuartige Drucktechnologie, die vom Fraunhofer ISE entwickelt wurde.
Das Team des Fraunhofer ISE entschied sich für ein Rotationsdruckverfahren, das als indirekter Tiefdruck bekannt ist – eine Technologie, die im hochvolumigen, hochwertigen Zeitschriften- und Katalogdruck oder in der Verpackungsindustrie eingesetzt wird.
Für das Experiment und den rückseitigen Siebdruck von Fingern verwendete das Team industrielle SHJ-Vorläufer. Der indirekte Tiefdruck wurde auf der Vorderseite der Proben mit einer Tiefdruckbreite von 50 und 80 Mikrometer angewendet. Neben der Tiefdruckbreite wurde auch die Anzahl der Farbaufträge auf dem Transferzylinder variiert. Auch einen Referenzsiebdruckt haben die Forscher vorgenommen.
Alle Proben wurden anschließend getempert, mit dem Laser geschnitten und mechanisch in Halbzellen zerlegt, gefolgt von IV- und Elektrolumineszenz-Tests, Busbar-Druck und Trocknungsschritten. Die Charakterisierung umfasste konfokale Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Vier-Punkt-Sondenmessungen.
Effizienteste SHJ-Solarzellen mit Metallisierung im Tiefdruckverfahren
Die per indirektem Tiefdruck hergestellten Proben hatten eine mittlere Breite von 65 Mikrometer und eine mittlere Fingerhöhe von 5 Mikrometer. Wenn SHJ-Solarzellen für die Vorderseitenmetallisierung verwendet wurden, erreichten sie Wirkungsgrade von bis zu 20,7 Prozent; 1,7 Prozent weniger als die Referenzsolarzellen mit Siebdruck auf der Vorderseite – aber bei reduzierter Zykluszeit, betont das Team.
Die Fraunhofer-Forscher merken an, dass dies ihrem Wissen nach die effizientesten SHJ-Solarzellen mit einer im Tiefdruckverfahren hergestellten Metallisierung sind, über die bisher berichtet wurde. Das Team fügt hinzu, dass das Verfahren des indirekten Tiefdrucks auch ohne Optimierung „den Anforderungen an eine Erhöhung des Durchsatzes gerecht werden“ und potenziell die Kosten in der Photovoltaik-Herstellung senken kann.
Schube sagt, das Team sei überrascht gewesen, wie leicht es gleich zu Beginn der Nutzung des indirekten Tiefdrucks eine „signifikante“ Höhe der gedruckten Metallkontakte erreichen konnte. „Die Verwendung einer geeigneten Produktionsplattform ermöglicht Zykluszeiten von 0,5 Sekunden pro Zelle und sogar noch weniger. Dieses hohe Durchsatzpotenzial in Verbindung mit der Haltbarkeit von Tiefdrucksleeves kann zu einem großen Vorteil dieser Drucktechnik gegenüber modernen Metallisierungsverfahren führen“, erklärt er.
Übertragung auf andere Zellkonzepte möglich
In anschließenden Solarzellensimulationen fanden die Forscher heraus, dass ohne weitere Prozessoptimierung der indirekte Tiefdruck als Rückseitenmetallisierung für SHJ-Solarzellen mit nur 0,1 Prozent Effizienzverlust im Vergleich zum Siebdruck eingesetzt werden kann.
Die Wissenschaftler stellten jedoch fest, dass es bei dieser Variante des Rotationsdrucks noch Raum für Verbesserungen gibt. Insbesondere erwähnten sie, dass der Fingerwiderstand und der Kontaktwiderstand an der Schnittstelle zwischen Kontakt und Indium-Zinn-Oxid durch „eine Anpassung der Tintenformulierung und der Temperbedingungen“ verringert werden könnten. Darüber hinaus merkten sie an, dass eine bessere Maschinenausrichtung die Homogenität der Kontaktfinger verbessern könnte und ein optimiertes Tiefdruckdesign die Fingerbreite verringern könnte, während die Fingerhöhe bei 5 Mikrometer oder mehr gehalten werden könnte.
Das Team versichert, dass die Ergebnisse, obwohl sie mit SHJ-Geräten experimentierten, auf andere hocheffiziente waferbasierte Zellkonzepte übertragen werden können, die eine Metallisierung bei niedrigen Temperaturen erfordern, wie etwa Perowskit-Silizium-Tandems.
Dem Forschungsteam gehörten Wissenschaftler des Continental Center for Functional Printing Technologies (CFPT), einer Forschungs- und Entwicklungsabteilung des Automobilzulieferers Continental, und des Tiefdruckherstellers Sächsische Walzengravur (SWG) an.
Die Forscher haben ihre Arbeit in der Fachzeitschrift Energy Technology unter dem Titel „High-throughput indirect gravure printing applied to low-temperature metallization of silicon-based high-efficiency solar cells“ beschrieben. „Die veröffentlichten Ergebnisse sind für das gesamte Team sehr ermutigend, diesen innovativen Metallisierungsansatz weiterzuentwickeln. Die nächsten Schritte sind die Verringerung der Breite der gedruckten Kontakte und die Optimierung des Designs des Metallgitter-Layouts“, so Schube mit Blick auf die Zukunft.
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