TOPCon – Überwindung der fundamentalen Hindernisse für eine neue Weltrekord-Siliciumsolarzelle

Laufzeit: Oktober 2013 - September 2016
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Department of Energy (USA)
Projektfokus:
Schema der TOPCon Solarzelle
© Fraunhofer ISE

Schema der TOPCon Solarzelle.

Wirkungsgrad der TOPCon Solarzellen
© Fraunhofer ISE

Wirkungsgrad der TOPCon Solarzellen für Basiswiderstände zwischen 1 – 10 Ωcm.

Die Verwendung ladungsträgerselektiver Kontakte erlaubt die Realisierung höchster Solarzellenwirkungsgrade unter Beibehaltung einer potenziell schlanken Prozessfolge. Mit 25,3% für eine n-Typ Solarzelle mit ganzflächigem ladungsträgerselektivem Rückseitenkontakt hält das Fraunhofer ISE den Weltrekord für beidseitig kontaktierte Siliciumsolarzellen. n-Typ Silicium bietet den Vorteil einer größeren Toleranz gegenüber Verunreinigungen. Aufgrund des niedrigeren Segregationskoeffizienten gegenüber p-Typ Silicium steigt allerdings die Variation im Basiswiderstand. Durch den eindimensionalen Stromfluss der Solarzellen mit ladungsträgerselektiven Kontakten hat der Basiswiderstand keinen signifikanten Einfluss auf die Zellperformance. Erstmals konnte gezeigt werden, dass für Basiswiderstände zwischen 1 und 10 Ωcm Spitzenwirkungsgrade über 25% erreicht werden können.

Der am Fraunhofer ISE entwickelte ladungsträgerselektive Kontakt TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) basiert auf einem ultradünnen Tunneloxid in Kombination mit einer dünnen Siliciumschicht und erlaubt eine exzellente Ladungsträgerselektivität. Mit dieser TOPCon Rückseite (Zellstruktur Abb. 1, 20x20 mm2) konnte auf n-Typ Silicium der Rekordwirkungsgrad für eine beidseitig kontaktierte Solarzelle von 25,3% (Voc = 718 mV, Jsc = 42,5 mA/cm2, FF =82,8%) erreicht werden.

Insbesondere für die Herstellung von höchsteffizienten Solarzellen wird die Qualität des Siliciumwafers essentiell. Aufgrund der höheren Toleranz gegenüber Verunreinigungen sowie der fehlenden lichtinduzierte Degradation (LID) werden die aktuell höchsten Wirkungsgrade (sowohl im Labor als auch in der Produktion) auf n-Typ Silizium erziehlt. Der gegenüber p-Typ Silicium niedrigere Segregationskoeffizient von n-Typ verursacht allerdings bei der Kristallherstellung eine höhere Variation im Basiswiderstand. Für Solarzellen mit ausgeprägten lateralen Strukturen (PERC, IBC) können jedoch nur Siliciumwafer mit bestimmten Basiswiderständen, und somit nur ein Teil des gesamten Kristallstabes, verwendet werden. Aufgrund des eindimensionalen Stromflusses in der Basis der TOPCon Solarzelle wird hingegen kein signifikanter Einfluss des Basiswiderstands auf die Solarzellperformance erwartet. Wir konnten zeigen, dass dies auch in der Praxis für höchste Wirkungsgrade umgesetzt werden kann. So konnten für eine Variation im Basiswiderstand von 1 – 10 Ωcm Wirkungsgrade von ≥25% erreicht werden. Für alle Basiswiderstände wurden Offenklemmenspannungen (Voc) >715 mV und Füllfaktoren (FF) >81,5% erreicht.