Kupfermetallisierte Siliziumsolarzellen

Die globale Photovoltaikproduktion wächst rasant in Richtung Multi-Terawatt-Maßstab – und damit steigt der Bedarf an Silber für die Zellmetallisierung dramatisch. Bereits heute verbraucht die PV-Industrie über 13 % der weltweiten Silberförderung. Prognosen zeigen, dass ohne disruptive Innovationen der Silberbedarf der PV-Branche die gesamte globale Silberfördermenge innerhalb weniger Jahre übersteigen könnte. Für eine nachhaltige Multi-Terawatt-Produktion muss der Silberverbrauch auf unter 2 mg/W gesenkt werden – ein Zielwert, der mit reiner Silbermetallisierung kaum erreichbar ist.

Kupfer bietet als alternatives Kontaktmaterial eine überzeugende Perspektive: Es ist rund 100-mal günstiger als Silber, erreicht nahezu die gleiche Leitfähigkeit und ist geologisch deutlich häufiger verfügbar. Am Fraunhofer ISE entwickeln wir kupferbasierte Metallisierungstechnologien für die industriell relevantesten Solarzellenkonzepte – TOPCon, Silizium-Heterojunction (SHJ) und Silizium-Perowskit-Tandem. Unsere Forschung umfasst Prozess- und Materialentwicklung für gedruckte Kupferkontakte im Siebdruckverfahren, inklusive maßgeschneiderter Silber-Kupfer oder reine Kupferpasten, sowie galvanisch abgeschiedene Ni/Cu-Kontakte über innovative Inline-Verfahren. Ziel ist es, silberarme bis komplett silberfreie Metallisierungslösungen zu schaffen, die sich als Drop-in-Technologien in bestehende Produktionsumgebungen integrieren lassen – bei vergleichbarer oder sogar höherer Zelleffizienz. Unsere leistungsfähige Infrastruktur – vom Pastenentwicklungslabor über industrielle Siebdrucklinien bis zur Inline-Galvanikpilotanlage – ermöglicht eine durchgängige Prozessentwicklung vom Material bis zur fertigen Solarzelle.

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Kupfermetallisierte Siliziumsolarzellen« umfassen:

• Kupfer-Siebdruckmetallisierung
• Entwicklung und Evaluation kupferbasierter Siebdruckpasten
• Kupfer-Galvanikmetallisierung

Die Substitution silberhaltiger Siebdruckpasten durch kupferbasierte Alternativen ermöglicht eine direkte Integration in bestehende Produktionslinien – ohne Investitionen in neue Anlagentechnologie. Am Fraunhofer ISE entwickeln und evaluieren wir kupferbasierte Siebdruckprozesse für TOPCon-, Heterojunction- und Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen.

Für TOPCon-Zellen untersuchen wir zwei komplementäre Ansätze: Im Dualdruckverfahren wird eine dünne Silberkontaktschicht mit einer kupferbasierten Leitschicht kombiniert, was eine große Bandbreite möglicher Pasten erlaubt und die separate Optimierung verschiedener Kontakteigenschaften (insb. Übergangs- und Linienwiderstände) ermöglicht. Alternativ ermöglichen innovative durchfeuernde Hochtemperatur-Kupferpasten einen vollständig silberfreien Kontakt im Einfachdruck für TOPCon-Solarzellen. In FuE-Demonstrationen konnten wir bereits eine Silberreduktion von bis zu 62 % erzielen.

Für SHJ-Solarzellen evaluieren wir Niedertemperatur-Kupferpasten und silberbeschichtete Kupferpartikelpasten (AgCu) hinsichtlich Fineline-Druckbarkeit, Kontakt- und Linienwiderstand sowie Modulkompatibilität. Die gute Druckbarkeit der Kupferpasten mit Fingerbreiten von 20–25 µm wurde bereits erfolgreich demonstriert. Herausragende Ergebnisse von nur noch 1,4 mg/W Silberverbrauch wurden durch die Kombination von AgCu und Cu-Pasten erreicht.

Ein Schlüssel zur kupferbasierten Metallisierung liegt in der Entwicklung maßgeschneiderter Pastensysteme. Am Fraunhofer ISE formulieren und optimieren wir Niedertemperatur-Kupferpasten (LT-Cu) sowie silberbeschichtete Kupferpasten (AgCu) für die Metallisierung temperaturempfindlicher Solarzellenkonzepte wie SHJ und Perowskit-Silizium-Tandemzellen. Unsere Forschung adressiert die zentralen Herausforderungen kupferbasierter Pastensysteme: Oxidationsschutz der Kupferpartikel, Optimierung der Aushärtungsmechanismen, Erzielung niedriger Kontaktwiderstände auf TCO-Schichten sowie die Gewährleistung einer industriekompatiblen Druckrheologie. Dabei setzen wir auf ein tiefes Verständnis der Wechselwirkung zwischen Kupferpartikeln und organischer Matrix – insbesondere bei der Anpassung von Harzsystemen, Härtern und Katalysatoren. Die entwickelten Pasten werden in enger Rückkopplung mit der Siebdruckprozessierung und der Zellcharakterisierung evaluiert und kontinuierlich optimiert.

Die galvanische Abscheidung von Ni/Cu-Kontakten ermöglicht die weitreichendste Silberreduktion – von silberarmem Ag-Finish mit nur wenigen Nanometern Dicke bis hin zur vollständig silberfreien Solarzelle. Am Fraunhofer ISE setzen wir auf Inline-Galvaniktechnologie in Kombination mit lasergenerierter Kontaktöffnung (LCO) mittels Ultrakurzpulslasern.

Für TOPCon-Solarzellen konnten wir auf unserer Pilotanlage (RENA InCellPlate) Wirkungsgrade von bis zu 24,0 % bei einem Silberverbrauch von nur 1 mg/W demonstrieren – eine Reduktion um 93 % gegenüber konventionellem Siebdruck. In Batchgrößen von 186 Zellen (M10-Format) erreichen wir Füllfaktoren von (82,1 ± 0,3) %. Modultests im Kleinformat bestätigen die Zuverlässigkeit unter beschleunigten Alterungsbedingungen (DH2000, TC400).

Für SHJ-Solarzellen entwickelt unser Spin-off PV2+ einen innovativen und patentierten Ansatz mit gesputterten Aluminium-Maskierungsschichten und galvanischer Kupferabscheidung, der bereits TRL 5–6 erreicht hat. Diese Zusammenarbeit verbindet die Galvanik-Expertise des Fraunhofer ISE mit dem industriellen Scale-up-Ansatz von PV2+.

Das Fraunhofer ISE verfügt über eine einzigartige, durchgängige Infrastruktur für die Entwicklung kupferbasierter Metallisierungstechnologien.

Im Bereich der Siebdruckmetallisierung umfasst dies ein vollausgestattetes Entwicklungslabor für die Formulierung und Charakterisierung von Kupferpasten, einen industriellen Feuerofen für die Hochtemperatur-Prozessierung kupferbasierter Kontakte, Siebdruck-Halbautomaten für flexible Prozessentwicklung sowie automatisierte Siebdrucklinien für industrienahe Prozessdemonstration bis zum Format G12. Ein umfangreiches Charakterisierungslabor ermöglicht die vollständige Analyse von Solarzellen und Kontakteigenschaften.

Für die Galvanikmetallisierung stehen automatisierte UV-Pikosekunden-Lasersysteme zur hochpräzisen Kontaktöffnung, eine Inline-Galvanikpilotanlage (RENA InCellPlate) mit vier parallelen Plating-Linien für Waferformate von M6 bis G12 sowie ergänzende Batch-Galvanikanlagen zur Verfügung. Diese Infrastruktur erlaubt die durchgängige Prozessentwicklung vom Material bis zur fertigen Solarzelle und ermöglicht die Demonstration industrierelevanter Kupfermetallisierungsprozesse. Ergänzt wird dies von unseren Fähigkeiten zur Untersuchung der Langzeitstabilität auf Zell- und Modulebene.