PARAMETALLICA – Entwicklung eines FlexTrail Paralleldruckkopfes für die Metallisierung von hocheffizienten Solarzellen

Die unabhängige Verfügbarkeit von PV-Strom in der EU, in Deutschland und in Baden-Württemberg erfordert die Abbildung aller Wertschöpfungsketten, so auch die Fertigung von Solarzellen. Innovative Solarzellen und Produktionsverfahren sind Schlüsseltechnologien für eine Reetablierung der Solarzellenfertigung in Europa.
Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen erreichen hohe Wirkungsgrade (> 30%), haben aber auch spezifische Anforderungen an den Herstellungsprozess. Diese sind bzgl. Metallisierung ein geringer Silberverbrauch und niedrige Prozesstemperaturen, welche etablierte Verfahren wie Siebdruck nicht ideal bedienen können.
In »PARAMETALLICA« soll das am Fraunhofer ISE entwickelte FlexTrail-Produktionsverfahren durch die Entwicklung eines parallelisierten Druckkopfes (als Prototyp) weiterentwickelt werden, wobei der Funktionsnachweis anhand des Perowskit-Silizium-Basisprozesses in den PV Pilotlinien des Fraunhofer ISE erfolgt. 

Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen werden aufgrund des hohen, potenziellen Wirkungsgradgewinns von mehr als 3-4%abs gegenüber dem Stand der Technik (PERC, passivated emitter and rear contatct) perspektivisch signifikante Marktanteile zugesprochen. Eine wesentliche Herausforderung und zugleich Innovationshebel ist die Metallisierung von Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen. Lösungen mit hohem Differenzierungsgrad gegenüber den üblichen PV-Fertigungsverfahren in China, wie FlexTrail, stärken die bereits verfügbaren Initiativen und können zu einer nachhaltigen Reetablierung von PV-Produktion am Standort Deutschland und in der EU beitragen.

Herausforderung ist die stabile Abscheidung von Metall bei vergleichsweise geringen Prozesstemperaturen von weniger als 140°C, was den Einsatz von Niedertemperaturpasten bzw. Druckmedien mit nano-skaligen Metallpartikeln erfordert, welche typischerweise bereits bei geringen Temperaturen hohe elektrische Leitfähigkeiten ausbilden können.

Verglichen zu typischen Silizium-Solarzellen haben Tandemsolarzellen eine geringere Stromdichte, was die Konzeptionierung von Solarzellen mit höheren Serienwiderständen bzw. ressourcenschonende Edelmetallaufträge begünstigt. Mit den typischen Metallisierungsverfahren wie Siebdruck oder Dispensieren, welche zu den Dickschicht-Druckverfahren zählen, kann dieses Potenzial kaum abgeschöpft werden. Das FlexTrail-Verfahren dagegen erscheint ideal geeignet, da es sich in der Abscheidung von nano-skaligen Druckmedien bewährt hat und eine sub-mikrometergenaue Abscheidung von Leiterbahnen ermöglicht.

Simulationen zeigen Wirkungsgradpotenziale von 29.2% für FlexTrail-metallisierte Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen bei einem Ag-Verbrauch von weniger als 10 mg/Solarzelle). PERC-Solarzellen mit siebgedruckter Metallisierung dagegen erreichen in der Produktion Wirkungsgrade von 23% bei einem Silberverbrauch von 75-100 mg/Solarzelle, was das enorme Potenzial des dargestellten Ansatzes unterstreicht.

Schließlich werden in der PV-Produktion Maschinendurchsätze von 7.000 Wafer/h (heute) und über 10.000 Wafer/h in der kommenden Dekade erwartet. Mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 500 mm/s hat das FlexTrail-Verfahren das Potenzial, entsprechende Durchsätze in einer einzigen Produktionsanlage abzubilden, allerdings ist die Parallelisierung von FlexTrail-Druckköpfen – das zentrale Ziel von PARAMETALLICA - erforderlich.