Mod30plus – Kosteneffiziente Prozesse für hocheffiziente III-V//Si-Tandem-Solarmodule mit mindestens 30% Wirkungsgrad

Die Tandem-Photovoltaik zählt zu den sich heute am schnellsten entwickelnden Forschungsfeldern in der Solarforschung. In der Industrie sind Einfachsolarzellen aus Silizium der aktuelle Stand der Technik. Am Fraunhofer ISE konnte bereits praktisch gezeigt werden, dass man mit Schichten aus III-V-Verbindungshalbleitern das Auger-Limit von Silizium (bei einem Wirkungsgrad von 29,4%), übertrumpfen kann. Der jüngste Rekord liegt bei 36,1% (2023). Nun besteht die Aufgabe darin, die für die Herstellung dieser III-V//Si-Tandemsolarzellen benötigten Fertigungsprozesse kostengünstiger und effizienter zu gestalten und weiter zu skalieren. Als erstes Ziel einer Kleinserienfertigung steht die Realisierung eines Modulprototypen, der einen Wirkungsgrad von mehr als 30% aufweisen soll.

Die kontinuierliche Verbesserung der Effizienz von Solarzellen und die gleichzeitige Senkung der Kosten sind zentrale Ziele in der Photovoltaik-Forschung. In diesem Forschungsprojekt liegt der Fokus auf der Entwicklung kostengünstiger und effizienter Zellprozesse und Verschaltungstechnologie für III-V//Si-Tandemsolarzellen. Durch die Kombination von III-V-Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken in einem Tandem-Stapel auf Silizium wird das Sonnenspektrum effizienter genutzt, was zu höheren Wirkungsgraden führt, als solchen, die für Einfachsolarzellen möglich sind. In vorangegangenen Arbeiten konnte bereits erfolgreich gezeigt werden, dass im Labormaßstab Wirkungsgrade von über 36 % erreicht werden können. Für die industrielle Adaption der Technologie sind nun weitere Skalierungs- und Optimierungsschritte erforderlich. 

Im Rahmen des Projekts soll zum einen ein Modul aus III-V//Si- Tandemsolarzellen mit einem Modulwirkungsgrad von mehr als 30% realisiert werden. Hierbei wird die am Fraunhofer ISE entwickelte Schindeltechnologie angewendet und mit neuartigen, silberarmen, leitfähigen Klebstoffen kombiniert, die am KIT und bei PROTAVIC weiterentwickelt werden. Zusätzlich werden bei SUNSET Module mit hocheffizienten Tandemsolarzellen von AZUR in Drahtverschaltung realisiert. Um eine ausreichende Anzahl von Tandemsolarzellen zu realisieren, wird der Herstellungsprozess am Fraunhofer ISE von 4- auf 6-Zoll-Wafer skaliert. Für die Verbindung der größeren III-V- und Si-Substrate werden zusätzlich bei III/V-Reclaim geeignete Politurprozesse entwickelt. Des Weiteren sollen kostengünstige Prozesse in der Zellherstellung erprobt werden. Dabei wird eine kostengünstige Alternative für die Texturierung der Silizium-Unterzellen am Fraunhofer ISE untersucht. Außerdem erproben wir alternative Metallisierungsprozesse für die Vorderseitenelektroden. Hier wird von LPKF und Fraunhofer ISE zum einen das Schablonendruckverfahren weiterentwickelt. Zum anderen wird als Alternative die galvanische Metallabscheidung durch ICB und Fraunhofer ISE untersucht. Die hierfür benötigten Masken werden dabei durch Inkjet-Druck realisiert. Des Weiteren untersucht das Fraunhofer ISE die kostengünstige Abscheidung von Antireflexbeschichtungen durch Sprühpyrolyse.

Viele der im Forschungsprojekt adressierten Fragestellungen sind nicht nur für III-V/Si-Tandemsolarzellen relevant, sondern bieten auch einen Mehrwert sowohl für herkömmliche Si-Einfachsolarzellen als auch für III-V-Mehrfachsolarzellen.