Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat den Wirkungsgrad von multikristallinen Solarzellen weiter verbessert und dabei einen neuen Rekord aufgestellt. Jüngste Messungen bestätigen einen Wirkungsgrad von 22,3%. Referenzstudien wie die International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) weisen für Solarzellen aus der Standardproduktion lediglich Wirkungsgrade um 19,5% aus. Mit der neuen Bestmarke stoßen multikristalline Zellen leistungsmäßig in Regionen vor, die bislang monokristallinem Material vorbehalten sind. Als Startmaterial verwendeten die Forscher hochreines Polysilicium des Münchner Chemiekonzerns Wacker.

Für den neuen Rekord wurden wichtige Verfahrensschritte beim Kristallisationsprozess und bei der Zellherstellung auf die Bedürfnisse des multikristallinen Ausgangsmaterials gezielt angepasst. Für die Rückseitenkontaktierung verwendeten die Forscher, neben einer optimierten Plasmatextur, die sogenannte Tunnel Oxide Passivated Contact-Technologie (TOPCon). Bei diesem vom Fraunhofer ISE entwickelten Verfahren werden die elektrischen Kontakte strukturierungsfrei auf einer passivierten Oberfläche der Solarzelle angebracht. Dadurch lassen sich Ladungsverluste reduzieren und Strom deutlich effizienter gewinnen.

„Die gesamtheitliche Optimierung beginnend bei der Kristallisation bis hin zu den einzelnen Solarzellenprozessen war der Schlüssel zum Erfolg“, betont Martin Hermle, Abteilungsleiter „Vorentwicklung höchsteffiziente Silicium-Solarzellen“ am Fraunhofer ISE. „Durch die enge Zusammenarbeit zwischen Experten der Charakterisierung, der Kristallisation und der Solarzellentechnologie konnten wir Schritt für Schritt die Verlustmechanismen reduzieren und eine optimierte Prozesskette erarbeiten.“

Als Ausgangsmaterial für die neuen Rekordzellen verwendeten die Forscher hochreines Polysilicium von Wacker. Das Halbleitermaterial wird erhitzt, geschmolzen und in einem Tiegel auskristallisiert. Nach dem Abkühlen wird der Siliciumblock in Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten, aus denen wiederum die Solarzellen hergestellt werden.

„Wir haben festgestellt, dass Zellen aus hochreinem Polysilicium von Wacker den spezifischen Anforderungen der Solarzellenstruktur am besten gerecht werden“, betont Stephan Riepe, Leiter der Gruppe „Siliciumkristallisation und Epitaxiematerialien“ am Fraunhofer ISE.

„Durch die konsequente Entwicklung eines High-Performance-Materials konnten wir eine deutlich höhere Zelleffizienz erreichen. In diesem Prozess wird die Struktur von einem nur teilweise aufgeschmolzenen Keimmaterial auf den Kristall übertragen. Die Versuche am ISE haben ergeben, dass das hochreine Granulat von Wacker hierfür besonders gut geeignet ist.“

Der Wirkungsgradrekord ist auch für Wacker ein wichtiger Meilenstein. „Als Technologieführer kooperieren wir seit Jahren mit dem Fraunhofer ISE mit dem Ziel, die Entwicklung und Charakterisierung von Solarzellen und -wafern für neue hocheffiziente Solaranlagen voranzutreiben“, sagt Karl Hesse, Entwicklungsleiter im Geschäftsbereich Polysilicon.

Der Chemiekonzern stellte dem Institut unter anderem granulares Silicium aus seiner Fertigung in Burghausen zur Verfügung. „Die Versuche am Fraunhofer ISE zeigen, dass die multikristalline Technologie auf der Grundlage von qualitativ hochwertigem Polysilicium keineswegs ausgereizt ist“, betont Hesse. „Auch bei bewährten Solartechnologien basierend auf multikristallinem Silicium lassen sich signifikante Effizienz- und Kosteneinsparpotenziale erzielen. Die Entwicklungen der vergangenen Monate stimmen uns zuversichtlich, dass auch in Zukunft weitere Steigerungen zu erwarten sind.“