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Kupfermetallisierung spart Kosten bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad

Forscher ersetzen in Solarzellen teures Silber durch Kupfer

06.09.2011, 00:08

Solarzellen mit Kupfer-Metallisierung
2x2cm messen die hocheffizienten Solarzellen mit langzeitstabiler Kupfer-Metallisierung aus dem Fraunhofer-Labor Etalab. © Fraunhofer ISE

Im Labor für neue Solarzellenstrukturen und -prozessschritte Etalab des Fraunhofer-Instituts für solare Energiesysteme ISE ist es gelungen, Solarzellenkontakte zu 100 Prozent aus kostengünstigen Materialien herzustellen. Dabei wurden laut ISE industrietaugliche Galvanik-Prozesse genutzt und teures Silber wurde vorwiegend durch Kupfer ersetzt. Die Forscher erreichten eine Solarzellen-Effizienz von 21,4 Prozent. Dieses Ergebnis liegt auf Augenhöhe mit Vergleichswerten von Solarzellen mit einem hocheffizienten Titan/ Palladium/ Silber-Kontaktsystem, das in vergleichsweise teuren Vakuum-Laborprozessen erzeugt wird.

Um hohe Solarzellenwirkungsgrade zu erreichen, müssen die Vorderseitenkontakte den bei Beleuchtung erzeugten Strom möglichst verlustarm ableiten und gleichzeitig möglichst wenig Zellfläche verdecken. Aus technologischer Sicht kommen für diese Aufgabe nur Materialien mit höchster Leitfähigkeit infrage, insbesondere Silber und Kupfer. Im aktuellen Standardprozess werden mit silberhaltigen Pasten per Siebdruck relativ breite und poröse Kontakte erzeugt. Durch den enormen Kostenunterschied zwischen Silber und Kupfer ist es allein durch einen Wechsel des Materials bei gleichbleibender Leitfähigkeit möglich, die Herstellungskosten von Solarzellen um etwa acht Cent je Watt Peak beziehungsweise um bis zu zehn Prozent zu senken.

Kupfer lässt sich aus chemischen Lösungen in galvanischen Prozessen abscheiden, die kostengünstig sind und hohe Abscheideraten bieten. Wird mit solchen industrietauglichen Prozessen die Solarzelleneffizienz weiter gesteigert, ist der Vorteil der spezifischen Kosten den Fraunhofer-Forschern zufolge noch größer.

Die Herausforderung bei der Solarzellen-Metallisierung mit Kupfer liegt in der Erzeugung einer homogenen und qualitativ hochwertigen Schicht zwischen Silicium und Kupfer. Diese dient als Barriere gegen Diffusion von Kupfer in den Halbleiter. Ein effektives Unterbinden der Kupferdiffusion ist entscheidend, um einen verlustfreien Betrieb der Solarzelle zu gewährleisten. Dafür setzen die Forscher Nickel ein.

Nickel kann neben der benötigten Barrierefunktion zusätzlich einen elektrischen Kontakt zum Silicium herstellen. Darüber hinaus bietet es den Vorteil, dass es, wie Kupfer, mit kostengünstigen galvanischen Prozessen auf der Solarzelle abgeschieden werden kann. Ein galvanisches Nickel-Kupfer-System auf gedruckten Silber-Kontaktschichten, dem aktuellen Standardprozess der Industrie, ist daher eine erste mögliche Anwendung. Bei nur geringen Anpassungen industrieller Fertigungslinien können die Kosten hier stark gesenkt werden. Ein noch größeres Wirkungsgradpotenzial für Solarzellen bietet das galvanische Nickel-Kupfer-System bei direkter Abscheidung auf Silicium, ohne gedruckte Silber-Kontaktschicht.

Über ein industrietaugliches Verfahren, beispielsweise Laserablation, wird die Antireflexionsschicht (ARC) lokal entfernt. Es werden Strukturbreiten im Bereich von 20 µm erreicht, was die Abschattung gegenüber dem Siebdruck deutlich reduziert. In die geöffneten Bereiche der ARC wird selektiv Nickel abgeschieden, das durch Kupfer und Zinn oder Silber verstärkt und lötbar gemacht wird. "Unsere kupfermetallisierten Solarzellen aus dem Etalab sind nicht nur beim Wirkungsgrad mit der Titan/ Palladium/ Silber-Referenztechnologie vergleichbar, sondern weisen in Langzeittests auch eine hervorragende Stabilität auf. Eine thermische Belastung von 1.600 Stunden bei 200 Grad Celsius blieb ohne Folgen für den Wirkungsgrad", so Jonas Bartsch, Teamleiter "Plating Process Technology".

Quelle: Fraunhofer ISE / sth

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