Fraunhofer ISE: Heterojunction-Zelle mit weniger als zwei Milligramm Silber pro Watt

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) arbeiten derzeit im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Forschungsprojekts gemeinsam mit mehreren Industriepartnern an innovativen Lösungen, um den Silberverbrauch von Silizium-Heterojunction (HJT)-Solarzellen drastisch zu reduzieren.

„Im Rahmen dieser Arbeit hat das Fraunhofer ISE verschiedene Metallisierungsansätze mit siebgedruckten Silber-Kupfer- und Kupferpasten auf Heterojunction-Solarzellen untersucht“, so der Leiter des Forschungsprojekts, Andreas Lorenz, gegenüber pv magazine. „Unser Ziel ist es, einerseits den Silberverbrauch stark zu reduzieren und andererseits einen hohen Umwandlungswirkungsgrad zu erreichen, indem wir eine hervorragende optische und elektrische Leistung der siebgedruckten Metallisierungsmuster sicherstellen.“

Das angestrebte Ziel kann laut Lorenz erreicht werden, wenn auf der Vorderseite der Zellen sehr feine Linien mit silberreduzierten Pasten gedruckt werden können, während auf der Rückseite durch die Verwendung von reiner Kupferpaste der Einsatz von Silber ganz vermieden wird.

„Um solch feine Linien im Siebdruck zu realisieren, können neue Siebkonfigurationen mit ultrafeinen Maschen von Vorteil sein, um ultrafeine und gleichmäßige Kontakte zu erzielen“, sagt Lorenz. „Wir haben ein Modell entwickelt, um die effektive Silberausnutzung für verschiedene Siebkonfigurationen zu berechnen, zu vergleichen und zu optimieren. Es zeigt sich, dass sie um den Faktor zwei gesteigert werden kann, wenn anstelle von reinen Silberpasten Metallisierungspasten aus Silber und Kupfer und neuen Siebmaschenkonfigurationen verwendet werden.“

Mit dem Simulationstool Gridmaster des Fraunhofer ISE führten die Forscher eine Reihe von Simulationen mit verschiedenen Metallisierungsvarianten durch, um hocheffiziente Solarzellen mit minimalem Silberverbrauch zu realisieren. Das Experiment zeigte, dass die konventionelle Metallisierung mit Silberpaste auf der Vorder- und Rückseite schrittweise durch Silber-Kupfer- und reine Kupferpasten ersetzt werden kann. Dafür kam eine ultrafeine Linienmetallisierung mit Öffnungen von bis zu 13 Mikrometern mit neuartigen ultrafeinen Maschensieben des japanischen Drahtgewebeanbieters Asada Mesh zum Einsatz.

„Durch eine optimale Kombination von Silber-Kupfer-Paste auf der Vorderseite und reiner Kupferpaste auf der Rückseite in Verbindung mit einem optimierten Feinliniendruckverfahren konnten hocheffiziente Heterojunction-Solarzellen mit einem minimalen Silberverbrauch von nur 1,4 Milligramm Silber pro Watt hergestellt werden“, erklärt Lorenz. „Damit ist auch das langfristige Ziel eines Silberverbrauchs von weniger als zwei Milligramm pro Watt erstmals erfolgreich demonstriert worden.“

Außerdem stellten die Forscher fest, dass die Solarzellen bei minimalem Silberverbrauch einen noch höheren Wirkungsgrad erreichen als die silbermetallisierten Referenzzellen. „Der relative Anstieg des Wirkungsgrads bei den silbersparenden Zellen mit Silber-Kupfer- und Kupfer-Metallisierung beträgt 0,9 Prozent“, sagt Sebastian Pingel, Forscher am Fraunhofer ISE. „Dieses Ergebnis erreichten wir, wenn wir feinere Linien mit einer Öffnung von 17 Mikrometer statt 20 Mikrometer Öffnung und mit Silber-Kupfer statt Silber auf der Vorderseite und auf der Rückseite mit Kupfer statt Silber gedruckt haben.“

„Leider haben wir dies nicht für die spezifischen Zellen berechnet“, sagte Lorenza auf die Frage nach möglichen Verbesserungen bei den Herstellungskosten. „Das wäre möglich, aber es ist nicht so einfach, da für eine solide Analyse der gesamte Produktionsprozess berücksichtigt werden muss. Das Einsparungspotenzial ist jedoch beträchtlich, da die Kosten für die Silbermetallisierung einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten ausmachen.“

„Weitere Aktivitäten am Fraunhofer ISE werden sich darauf konzentrieren, die gedruckte Fingerbreite weiter zu reduzieren und die Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität der neuartigen Metallisierung im Modul zu evaluieren“, sagt Lorenz.

Kürzlich hat dasselbe Forscherteam auch gezeigt, wie sich der Silberverbrauch für Heterojunction-Zellen durch Siebdruck mit Niedertemperaturpaste auf der Basis von Silber, Silber-beschichtetem Kupfer oder reinen Kupfer-Partikeln reduzieren lässt. Ihre Ergebnisse sind in dem Artikel „Transition from silver-to copper-based screen printed SHJ solar cells“ (Übergang von Silber- zu Kupfer-basierten siebgedruckten SHJ-Solarzellen) enthalten, der kürzlich in Solar Energy Materials and Solar Cells veröffentlicht wurde.

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