Entwicklung und Charakterisierung angepasster hocheffizienter Solarzellenkonzepte für kostengünstiges Silicium: Einfluss der Materialeigenschaften auf Wirkungsgradpotential und Industrietauglichkeit

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Karin Krauß

Neben der Steigerung des Wirkungsgrades von Solarmodulen ist auch die Reduktion der Herstellungskosten ein Weg, die Stromgestehungskosten der Solarenergie zu senken, was für einen weiteren weltweiten Ausbau zwingend erforderlich ist. Der Rohstoffpreis für Silicium wird größtenteils durch die Aufbereitung und Reinigung des Silicium-Feedstockes vor der Kristallisation verursacht. Standardmäßig erfolgt die Aufbereitung des metallurgischen Siliciums (mg-Si) durch den energieintensiven Siemens-Prozesses. Man erhält sogenanntes electronic-grade Silicium (eg-Si) mit einer Reinheit von mindestens 99,99999 % (7N). Ersetzt man den Siemens-Prozess durch alternative Routen, die anstelle der Gasphasenreinigung den Feedstock durch Schmelzen und chemische Reinigung aufbereiten, so erhält man sog. „upgraded metallurgical grade“ Silicium (umg-Si). Aktuell erreicht man eine Reinheit von 4 bis 6N für umg¬ Si. Durch die alternativen Reinigungsrouten kann der Energieverbrauch um einen Faktor 4 gesenkt werden, wodurch die Feedstockproduktion umweltfreundlicher wird und ein großes Potential zur Reduktion der Produktionskosten entsteht. Das ermöglicht für das fertige Solarmodul Energie-Rückgewinnungszeiten von unter einem Jahr.

Bisher variiert die Qualität des umg-Si Feedstocks stark, was seine Eignung für unterschiedliche Solarzellenkonzepte stark beeinflusst. Während umg-Si Feedstock der höchsten Reinheit das Potential hat in gängigen Hocheffizienz-Solarzellenkonzepten eingesetzt zu werden, erfordert umg-Si Feedstock geringerer Reinheit angepasste Solarzellenkonzepte, die die geringere Diffusionslänge und Lebensdauer der Ladungsträger kompensieren und so den Wirkungsgradverlust durch die geringe Reinheit möglichst vermeiden. Dennoch ist dieser umg-Si äußerst interessant, da es den Kostenvorteil voll ausschöpft. Für umg-Si geringerer Qualität wurde am Fraunhofer ISE ein angepasstes Zellkonzept mit beidseitigem Emitter entwickelt, die sog. BSK-Solarzelle (beidseitig sammelnd und kontaktierbar, für Veröffentlichungen wird die Bezeighnung BOSCO für „both sides contacted and collected“ verwendet). Durch die beidseitige Emitterstruktur können auch Ladungsträger, die tief in der Solarzelle generiert werden und den Emitter auf der Vorderseite aufgrund geringer Diffusionslänge im Material nicht erreichen, über den Emitter auf der Rückseite gesammelt werden. Dadurch wird auch bei geringerer Materialqualität ein Stromverlust vermieden, was materialbedingte Wirkungsgradverluste minimiert. Im Rahmen der Promotion wurden bereits erste BSK-Solarzellen auf mc-Si Materialien unterschiedlicher Reinheit und Qualität hergestellt und ein Wirkungsgradvorteil gegenüber dem aktuellen industriellen Standardsolarzellenkonzept für alle Materialien erreicht.

Ziel der Promotion ist es, die dabei angewandte Technologie in Hinblick auf ihre Industriereife weiter zu entwickeln, um materialbedingte Wirkungsgradverluste noch stärker zu minimieren. Dafür werden die Prozesse zur Herstellung auf die jeweiligen Materialeigenschaften angepasst. Zusätzlich zur Entwicklung und Charakterisierung der Solarzellen und der Prozesse zu ihrer Herstellung soll eine umfassende Materialuntersuchung durchgeführt werden. Aus den Ergebnissen soll es möglich sein, die Eignung von Solarzellenkonzepten für Materialien unterschiedlicher Reinheit anhand der erarbeiteten Ergebnisse zu quantifizieren und auf dieser Basis eine Spezifikation für unterschiedliche Materialklassen von umg-Si zu postulieren. Die Wettbewerbsfähigkeit der Konzepte soll im Rahmen einer ökonomischen Studie untersucht werden soll.

Förderzeitraum:
01.06.2013 - 31.05.2016

Institut:
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Betreuer:
Prof. Dr. Eicke Weber

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