Einführung

Die Solartechnologie hat sich im letzten Jahrzehnt rasant weiterentwickelt, wobei mehrere konkurrierende Zellarchitekturen die Effizienz auf neue Höhen treiben. Dieser Artikel erläutert die grundlegenden Funktionsprinzipien von Solarzellen, analysiert dann die drei wichtigsten nächsten Generationen von Technologien, die die Branche heute prägen, und schließt mit einem Blick auf die Qualitätskontrolle in der Zellproduktion.

Wie Solar-PV-Zellen funktionieren

Eine Solarzelle wandelt Licht in Elektrizität um, aber nicht alle eingehenden Photonen tragen gleichermaßen bei. Das Verständnis, wo Energie verloren geht, ist der erste Schritt zum Bau besserer Zellen.

• Photonen mit Energie unterhalb der Bandlücke werden nicht absorbiert und passieren die Zelle einfach.

• Photonen mit Energie oberhalb der Bandlücke werden absorbiert und erzeugen Elektron-Loch-Paare, aber die überschüssige Energie hochenergetischer Photonen geht teilweise als Wärme verloren.

• Ladungstrennung und Transport der erzeugten Ladungsträger verursachen Verluste am pn-Übergang.

• Rekombinationsverluste treten während des Ladungsträgertransports auf.

• Der Kontaktwiderstand verursacht einen Spannungsabfall, was zu Kontaktspannungsverlusten führt.

Reduzierung elektrischer Verluste

• Wählen Sie Wafer mit guter Kristallstruktur und dem richtigen Typ.

• Entwickeln Sie ideale Techniken zur Bildung von pn-Übergängen.

• Entwickeln Sie ideale Passivierungstechniken.

• Übernehmen Sie angemessene Metallkontakttechniken.

• Wenden Sie hervorragende Vorderseiten- und Rückseitenfeldtechnologien an.

Reduzierung optischer Verluste

Um optische Verluste zu reduzieren und die Zelleffizienz zu steigern, hat die Industrie eine Reihe von Ansätzen und Technologien zur Lichteinfangung entwickelt. Dazu gehören die Oberflächentexturierung des Wafers zur Verringerung der Reflexion, Antireflexionsbeschichtungen auf der Vorderseite, reflektierende Beschichtungen auf der Rückseite und die Minimierung der Abschattungsfläche durch Gitterlinien.

TOPCon

TOPCon, auch bekannt als passivierte Kontakttechnologie, wird weithin als die nächste Generation der Solarzellentechnologie nach PERC angesehen. Im Vergleich zu anderen potenziellen neuen Technologien wie HJT und IBC kann TOPCon direkt von bestehenden PERC- oder PERT-Linien aufgerüstet werden. Daher benötigen Hersteller, die ihre bestehenden Produktionslinien aufrüsten möchten, eine relativ geringe Kapitalinvestition, während sie dennoch einen soliden Effizienzgewinn von etwa 1 % erzielen.

Die Vorderseite einer TOPCon-Zelle ist im Wesentlichen dieselbe wie bei einer konventionellen N-Typ- oder N-PERT-Zelle und besteht aus einem Bor (p+)-Emitter, einer Passivierungsschicht und einer Antireflexionsschicht. Die Kerntechnologie liegt im rückseitigen passivierten Kontakt: Die Rückseite des Wafers trägt eine ultradünne Oxidschicht (1–2 nm) plus einen phosphordotierten mikro-/amorphen gemischten Silizium-Dünnfilm. Für bifaziale Anwendungen erfolgt die Metallisierung durch Siebdruck von Ag- oder Ag-Al-Gittern auf der Vorderseite und Ag-Gittern auf der Rückseite.

Tunneloxid-Passivierter Kontakt

Der Tunneloxid-Passivierte Kontakt (TOPCon) hat in letzter Zeit große Aufmerksamkeit erregt, da er einen hohen Wirkungsgrad von 25,7 % erreicht. Die TOPCon-Struktur besteht aus einem dünnen Tunneloxid und einer phosphor (P)-dotierten Polysilizium-Kontaktschicht. Die P-dotierte Polysilizium-Schicht kann durch Kristallisation von a-Si:H oder durch direkte Abscheidung von Polysilizium mittels LPCVD hergestellt werden. TOPCon zeichnet sich als vielversprechender Kandidat unter den hocheffizienten Solarzellentechnologien aus.

HJT Heterojunction

Die Heterojunction-Technologie (HJT) ist eine Herstellungsmethode für Solarmodule, die in den letzten zehn Jahren auf dem Vormarsch ist. Sie ist derzeit einer der effektivsten Prozesse, um Effizienz und Leistungsabgabe auf hohe Niveaus zu steigern und sogar die Leistung der branchenüblichen PERC-Technologie zu übertreffen. HJT-Zellen kombinieren zwei verschiedene Technologien in einer: kristallines Silizium und amorphe Dünnschicht. Die gemeinsame Nutzung dieser Technologien erntet mehr Energie als die alleinige Verwendung einer der beiden und erreicht Wirkungsgrade von 25 % oder mehr.

HJT-Zellstruktur

Unter Verwendung eines monokristallinen Wafers als Substrat werden auf der gereinigten und texturierten Vorderseite des Wafers nacheinander eine intrinsische a-Si:H-Schicht von 5–10 nm und dann eine p-Typ a-Si:H-Schicht abgeschieden, wodurch ein p-n-Heteroübergang entsteht. Auf der Rückseite des Wafers werden eine intrinsische Schicht von 5–10 nm und eine n-Typ a-Si:H-Schicht abgeschieden, um ein Rückseitenfeld zu bilden. Anschließend wird eine transparente leitfähige Oxidschicht abgeschieden, und schließlich werden durch Siebdruck metallische Sammelelektroden auf der Oberseite beider Seiten erzeugt, wodurch eine symmetrische HJT-Solarzelle aufgebaut wird.

Vorteile von HJT-Zellen

• Flexibilität und Anpassungsfähigkeit — Diese Technologie wurde entwickelt, um auch unter extremen Wetterbedingungen eine hervorragende Produktionsfähigkeit zu gewährleisten. HJT-Module haben einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten als herkömmliche Module und gewährleisten so eine hohe Leistung bei hohen Außentemperaturen.

• Erwartete Lebensdauer — Im Durchschnitt können Dünnschicht-PV-Module bis zu 25 Jahre halten, während HJT-Zellen mehr als 30 Jahre normal weiterbetrieben werden können.

• Höhere Effizienz — Die meisten heute auf dem Markt erhältlichen Heteroübergangsmodule haben Wirkungsgrade zwischen 19,9 % und 21,7 %, eine enorme Verbesserung gegenüber anderen herkömmlichen monokristallinen Zellen.

• Kosteneinsparungen — Das in HJT-Modulen verwendete amorphe Silizium ist eine kostengünstige PV-Technologie. Im Vergleich zu anderen Technologien erfordert dieser Dünnschicht-Solaransatz eine kürzere Herstellungszeit. Dank des vereinfachten Prozesses ist HJT günstiger als alternative Lösungen.

Perowskit

Im Jahr 2009 wurden Perowskit-Materialien erstmals verwendet, um einen photovoltaischen Wirkungsgrad von 4 % zu erzielen. Bis 2021 erreichten Einfachübergangs-Perowskit-Solarzellen (PSC) einen Wirkungsgrad von 25,5 %. Die rasche Verbesserung von Perowskit-Zellen hat sie zu einem aufstrebenden Stern im PV-Bereich gemacht und großes Interesse in der Wissenschaft geweckt. Da ihre Funktionsweise noch relativ neu ist, gibt es reichlich Gelegenheit, die zugrundeliegende Physik und Chemie von Perowskit weiter zu untersuchen.

Perowskit-Zellstruktur

Die meisten fortschrittlichen Perowskit-Solarzellenstrukturen basieren auf fünf Komponenten: einem transparenten leitfähigen Oxid, einer Elektronentransportschicht (ETL), dem Perowskit, einer Lochtransportschicht (HTL) und einer Metallelektrode. Das Verständnis und die Optimierung der Energieniveaus und Wechselwirkungen verschiedener Materialien an diesen Grenzflächen ist ein sehr spannendes Forschungsgebiet, das noch aktiv diskutiert wird.

CaTiO3

Perowskit ist der Name eines Minerals, das 1839 von Rose in den Gesteinsmineralien des Uralgebirges entdeckt und nach dem russischen Geologen Perovski benannt wurde. Perowskit-Materialien neigen zu einer geringen Rekombinationswahrscheinlichkeit von Ladungsträgern und einer hohen Ladungsträgermobilität, was sie zu idealen Materialien für Solarzellen macht.

Methoden zur Herstellung von Perowskit-Filmen

Der Schlüssel zur Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz von Perowskit-Solarzellen liegt in der Optimierung der Filmmorphologie. Die im Labor üblichen Verfahren zur Filmbildung sind die ein- oder zweistufige Prozessabscheidung. Um die Nachfrage nach großflächigen, kostengünstigen Perowskit-Filmen zu decken, werden auch Verarbeitungsgeräte wie Schlitzdüsenbeschichtung, Drucken und Sprühen eingesetzt, um Perowskit-Solarzellen herzustellen.

Die Zukunft von Perowskit

Die zukünftige Forschung zu Perowskit wird sich wahrscheinlich auf die Reduzierung der Rekombination durch Strategien wie Passivierung und Defektreduzierung sowie auf die Verbesserung der Effizienz durch die Einbeziehung zweidimensionaler Perowskite und optimierter Grenzflächenmaterialien konzentrieren. Ladungsextraktionsschichten könnten sich von organischen zu anorganischen Materialien verlagern, um Effizienz und Stabilität zu verbessern. Die Verbesserung der Stabilität und die Verringerung der Umweltauswirkungen bleiben wichtige Bereiche.

Qualitätskontrolle in der Solar-PV-Zellenproduktion

Kristalline Silizium-PV-Zellen sind die häufigsten Zellen in kommerziellen Solarmodulen und machen mehr als 90% des weltweiten PV-Zellenmarktumsatzes aus.

Im Labor übersteigt die Energieumwandlungseffizienz von kristallinen Siliziumzellen 25% für monokristalline Zellen und erreicht 20% oder mehr für polykristalline Zellen. Jedoch erreichen industriell hergestellte Solarmodule derzeit nur 18%–22% Effizienz unter Standardtestbedingungen.

Reinigung und Texturierung

Ätzen entfernt die Oberflächenschädigungsschicht und texturiert die Oberfläche, um eine texturierte Struktur zu bilden, die Licht einfängt und Reflexionsverluste reduziert. Die Messung des Reflexionsgrads der texturierten Oberfläche ist ein wichtiges Mittel zur Überwachung des Texturierungsprozesses.

Diffusionsübergangsbildung und Kantenisolation

Thermische Diffusion und ähnliche Verfahren bilden eine Diffusionsschicht mit einem anderen Leitfähigkeitstyp auf dem Wafer und erzeugen den pn-Übergang. Verschiedene Zelltypen lagern eine Passivierungsschicht einer bestimmten Dicke zwischen dem pn-Übergang und dem Wafer ab, um eine effizientere Dünnschichtsolarzelle zu erhalten. Dieser Prozess überwacht hauptsächlich die Minoritätsträgerlebensdauer, die Waferdicke und den Brechungsindex.

Abscheidung von Antireflexionsbeschichtungen

Um die Lichtabsorption weiter zu verbessern, wird eine Antireflexionsschicht auf die Waferoberfläche aufgebracht. Derzeit verwendet die Industrie die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), um einen dünnen Film auf dem Wafer abzuscheiden, der gleichzeitig als Passivierungsschicht dient. In diesem Stadium werden hauptsächlich die Transmissionsrate der Antireflexionsschicht und die Gleichmäßigkeit des Schichtwiderstands gemessen.

Elektrodenherstellung

Gitterlinienelektroden werden auf der Vorderseite der Zelle im Siebdruckverfahren aufgebracht, während das Rückseitenfeld und die Rückelektrode auf der Rückseite gedruckt werden, gefolgt von Trocknung und Sintern. Während dieses Prozesses sind Temperaturkontrolle, Ausrichtungsgenauigkeit und das Höhen-Breiten-Verhältnis der Gitterlinien unverzichtbare Überwachungsindikatoren.

Ooitech's Ansicht

ooitech glaubt: TOPCon, HJT und Perowskit treiben die Effizienz von Solarzellen jeweils auf ihre eigene Weise voran, und eine strenge Produktionsqualitätskontrolle ist es, die diese Technologien letztendlich in zuverlässige, leistungsstarke Module verwandelt.