Ausgezeichnete Solarzellen-Produktion

  • 17. May 2016

Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2016 an Ralf Preu und Jan Nekarda für laserbasierten Fertigungsprozess für Solarzellen.

Photovoltaik und Windenergie sind die tragenden Säulen der Energie­wende, die als eine der größten gesell­schaftlichen Heraus­forderungen der kommenden Jahrzehnte gilt. „Die gesamte elektrische Energie, die jährlich durch Phot­ovoltaik bereit­gestellt wird, beträgt mehr als 250 Terawatt­stunden. Das entspricht etwa dem Ertrag von dreißig Atom­kraftwerken. Um einen maßgeblichen Beitrag zu den internationalen Klimazielen zu leisten, muss die jährlich neu installierte Photo­voltaik­leistung in den nächsten fünfzehn Jahren verzehnfacht werden. Insgesamt muss Solar-Technologie also immer effizienter und kosten­günstiger werden, um diesen Markt gut bedienen zu können”, erklärt Ralf Preu, Bereichs­leiter Photo­voltaik-Produktions­technologie und Qualitäts­sicherung am Fraunhofer-Institut für Solare Energie­systeme ISE in Freiburg.

Abb.: Um hocheffiziente PERC-Solarzellen in Serie herzustellen, entwickelten Jan Nekarda und Ralf Preu (v.l.n.r.) den Laser Fired Contact-Prozess. (Bild: D. Mahler, Fraunhofer)

Abb.: Um hocheffiziente PERC-Solarzellen in Serie herzustellen, entwickelten Jan Nekarda und Ralf Preu (v.l.n.r.) den Laser Fired Contact-Prozess. (Bild: D. Mahler, Fraunhofer)

Mit der Entwicklung der Laser Fired Contact (LFC)-Technologie haben der Forscher und sein Kollege Jan Nekarda bereits einen Beitrag hierzu geleistet. Effizientere Solar­zellen lassen sich damit kosten­günstig herstellen. Im Rahmen der Jahres­tagung der Fraunhofer-Gesellschaft am 10. Mai 2016 in Essen wurden Ralf Preu und Jan Nekarda für ihre Entwicklung mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2016 geehrt. „Wir freuen uns sehr über diese Auszeichnung”, freut sich Ralf Preu. „Über die Anerkennung unserer Arbeit hinaus zeigt sie die Innovations­kraft der deutschen und europäischen Photo­voltaik­industrie.”

Solarzellen werden heute in der Regel mit einem flächigen metallischen Kontakt versehen, um Strom zu gewinnen. Der Kontakt bedeckt dabei die gesamte Rückseite eines Silizium­wafers. Dies limitiert jedoch den Wirkungs­grad. Als leistungs­fähigere Alternative ist seit 1989 die Passivated Emitter and Rear-Cell-Technologie, kurz PERC, bekannt. Durch die Entwicklung des LFC-Prozesses ermöglichten die Fraunhofer-Forscher die erste industrielle Massen­produktion der PERC-Solarzelle.

Auf der Unterseite einer PERC-Solarzelle wird zwischen Kontakt­schicht und Wafer eine sehr dünne nicht­leitende Schicht abgeschieden. Diese dient als Spiegel und reflektiert den Anteil des Sonnen­lichts, der beim Durchdringen des Wafers nicht absorbiert wurde, in die Silizium­scheibe zurück. Da dasselbe an der Vorder­seite passiert, wird das Licht im Silizium­wafer gefangen und der Wirkungs­grad der Solarzelle steigt. Um den Strom aus dem Wafer ableiten zu können, sind viele kleine Öffnungen in der nicht­leitenden Schicht notwendig, durch welche ein Kontakt zwischen Elektroden­metall und Silizium­wafer entsteht. Beim LFC-Verfahren wird jeder dieser etwa 100.000 Kontakte durch einen einzelnen Laser­puls erzeugt. „Die Schwierigkeit bestand darin, die Pulse so abzustimmen, dass einerseits der Kontakt voll­ständig ausgebildet ist, das Silizium aber nur minimal beeinträchtigt wird. Entscheidend dafür ist, dass das Laserlicht nur zwischen 50 bis 2000 Nano­sekunden einwirkt”, erklärt Jan Nekarda, Gruppen­leiter am ISE.

Durch ein neuartiges System der Laserstrahlen-Führung lassen sich alle Kontakte in etwa einer Sekunde herstellen. „Die so produzierten PERC-Solarzellen haben einen verbesserten Wirkungs­grad von einem Prozent absolut. Das sind zirka fünf Prozent relativ bei einem Solarzellen-Wirkungs­grad von heute etwa zwanzig Prozent. Im System gewinnen wir zusätzlich zwei Prozent, wodurch wir den gesamten Energie­ertrag um sieben Prozent steigern”, freut sich Ralf Preu. Da die meisten Kosten in der Photo­voltaik flächen­abhängig sind, besitzt der Wirkungsgrad eine enorme Bedeutung. „Braucht man derzeit 100 Quadrat­meter Solarzellen, benötigt man in Zukunft nur noch 93 Quadratmeter, um die gleiche Strom­menge zu erzeugen. Das bedeutet nicht nur weniger Silizium, sondern auch weniger Modul-Material, weniger Material in den Systemen und Sie sparen schluss­endlich auch Planungs­kosten.”

Institutsleiter Eicke Weber freut sich über die Anerkennung für die Photo­voltaik-Forschung des Fraunhofer ISE und weist auf das Potenzial der weltweit boomenden PV-Märkte hin: „Wir haben in Deutschland leider für die realistische Umsetzung der Energie­wende einen völlig unzureichenden Zubau an PV-Kraftwerken. International ist dies jedoch ein schnell wachsender Multi­milliarden­markt, der nach wie vor von der deutschen, international führenden Anlagen­hersteller­industrie mit Spitzen­technologie beliefert wird.”

Das Laser-Verfahren lässt sich einfach und kostengünstig in bestehende Produktions­prozesse der Hersteller von Solarzellen integrieren. Hanwha Q Cells hat laut Unternehmens­angaben seit der Produktions­einführung 2012 bereits 20 Millionen Zellen mit Hilfe der LFC-Technologie hergestellt. Weltweit haben Unternehmen die PERC-Technologie mittlerweile in die Massen­fertigung überführt. „Allein im laufenden Jahr werden dazu Investitionen von mehr als 200 Millionen Euro getätigt. Damit ist die nächste Evolutions­stufe der Silizium­solar­zelle endgültig etabliert”, sagt Ralf Preu begeistert.

Als Wegbereiter dieses Wandels erhielten Ralf Preu und Jan Nekarda den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2016. Die Jury begründet die Auszeichnung unter anderem mit der Fest­stellung, dass „die Entwicklung der Forscher dazu beiträgt, dass deutsche Unternehmen weiterhin im umkämpften Photo­voltaik-Markt erfolgreich agieren.”

Schon einmal wurden Ralf Preu und Jan Nekarda für Ihre Innovation der Laser Fired Contact (LFC)-Technologie mit einem Preis geehrt, gemeinsam mit einem Fraunhofer-ISE-Kollegen erhielten sie vor zwei Jahren den europäischen Wissenschafts­preis „Innovation Award Laser Technology 2014”.

Fh.-ISE / DE

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