Siliziumbasierte Tandemsolarzellen und -module

Höhere Wirkungsgrade für Solarzellen und eine noch stärkere Senkung der Solarstromkosten sind Zielsetzung unserer Arbeit im Geschäftsfeldthema »Siliziumbasierte Tandem-Solarzellen und Module«. Diese Technologie zählt zu den sich am schnellsten entwickelnden Solartechnologien und ermöglicht, das begrenzende Auger-Limit von 29,4 % von Einfachsolarzellen aus Silizium zu überwinden. Mit den zu erwartenden höheren Wirkungsgraden von Tandemsolarzellen erreicht man eine höhere Energieausbeute pro Fläche. Dies schafft Einsparpotenziale bei Solarzellen- und Modulmaterialien – ein wichtiger Aspekt im Hinblick auf die Nachhaltigkeit der Photovoltaik.

Wir decken dabei die gesamte Wertschöpfungskette von der Technologieentwicklung und Analyse von Zellen und Modulen bis hin zu Integration der Module in unterschiedlichste Anwendungsfelder ab. Wir evaluieren neueste Technologien und Prozesse für Zell- und Modulhersteller sowie für Anlagen- und Materialhersteller. Darüber hinaus ermöglichen wir unseren Kundinnen und Kunden mit unseren Kompetenzen im Bereich der Simulation, der Zell-, Material- und Modul-Analyse sowie der Kosten- und Lebensdaueranalyse eine umfangreiche Möglichkeit für die Bewertung und dem Transfer der Tandemtechnologie in ein industrielles Umfeld.

Wir entwickeln verschiedene Varianten von Silizium-Untersolarzellen für die Anwendung in siliziumbasierten Tandemsolarzellen. Die Silizium-Heterjunction (SHJ)-Technologie stellt hierbei unsere Baseline für unsere Perowskit-Silizium-Tandem-Entwicklung dar. Hierbei verwenden wir sowohl aktive Untersolarzellen als auch sogenannte Ohm’sche Substrate die Vorteile für eine einfachere Charakterisierung der Oberzelle bieten. 

Neben der SHJ-Baseline liegt unser Schwerpunkt insbesondere auf der Entwicklung von TOPCon-basierten Untersolarzellen. Hierbei konzentrieren wir uns sowohl auf die Si-Schwerpunktthemen (Schichtqualität, Oberflächenpassivierung) als auch auf die Grenzflächen zwischen Silizium und den verschiedenen Oberzellen.

In unseren Laboren können wir verschiedene Wafer- bzw. Probengrößen realisieren, um sowohl Laborentwicklungen als auch die vollflächige Skalierung zu unterstützen. 

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

• Herstellung und Entwicklung von SHJ-Untersolarzellen
• Entwicklung von TOPCon-basierten Untersolarzellen
• Entwicklung angepasster Kontaktschichten 
  • TCO-basierte Rekombinationsschichten 
  • Poly-Si-Tunneldioden
• Entwicklung und Herstellung kleinskaliger Laborzellen (aktive Zellfläche z.B. 10x10 mm oder alternative Formate)
• Enwticklung und Herstellung von Vollformat-Bottomzellen (bis zu M12)

Wir entwickeln, optimieren, und skalieren Materialien, Prozesse, sowie Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen als Gesamtprodukt. Dabei legen wir bereits im Labormaßstab einen Schwerpunkt auf die Skalierbarkeit unserer Tandemsolarzellen. Für einen Forschungsprozess, der sich an industriellen Standards orientiert, arbeiten wir mit der Technologieplattform Pero-Si-SCALE (Pero-Si-SCALE – Technologieplattform zur Skalierung von Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen und Modulen - Fraunhofer ISE), die die Erprobung von Prozessen und Materialien auf industriellen M12-Wafern ermöglicht. Für all unsere Forschungstätigkeiten steht uns eine umfangreiche Laborinfrastruktur zur Verfügung.

Im Hinblick auf die Perowskit-Teilzelle konzentriert sich unsere Forschung auf die hybride Abscheideroute. Auch für den Prozess der Vollverdampfung sowie für Nasschemische Prozesse können wir auf eine umfangreiche Expertise sowie entsprechende Laborinfrastruktur zurückgreifen. Auf Siliziumzellen mit der industriell üblichen mikrometergroßen Textur haben wir Effizienzen von über 31% demonstriert.

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

• Evaluation und Vergleich neuer Kontaktschichten, Passivierstoffe, Absorbermaterialien und Abscheidemethoden
• Integration neuer Schichten und Materialien in Tandemzellen
• Unterstützung bei der Konzeption von Anlagen für die Herstellung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen

Untersuchung und Optimierung von Tandemmodulen

Unser Forschungsschwerpunkt liegt auf der Analyse der Langzeitstabilität und Leistungsfähigkeit von Tandemmodulen unterschiedlichster Bauart sowie deren Materialien und Einzelkomponenten. In dieser Funktion agieren wir als essenzielles Bindeglied zwischen Modulentwicklung, -herstellung und praktischer Anwendung im Feld.

Degradationsmodellierung und Prognose

Durch den Einsatz fortschrittlicher Degradationsmodellierung sind wir in der Lage, Verschleiß- und Alterungsprozesse neuartiger Tandemmodule präzise zu beschreiben und zu prognostizieren. 

Unterstützung bei der Modulentwicklung

Dank unserer umfangreichen technischen Ausstattung und langjährigen Expertise bieten wir unseren Kundinnen und Kunden umfassende Unterstützung bei der Entwicklung von Modulen. Dies beinhaltet auch die zuverlässige Identifikation geeigneter Komponenten. Wir entwickeln innovative Qualitätssicherungsverfahren und führen umfassende Produkttests durch, um die Einsatzfähigkeit und Zuverlässigkeit innovativer Tandemmodule zu gewährleisten.

Präzise Leistungsbestimmung

Als nach ISO/IEC 17025 akkreditiertes Kalibrierlabor sind wir befähigt, die Leistung von Tandemmodulen präzise und zuverlässig gemäß internationalen Standards zu bestimmen.

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

• STC-Messungen zur Bestimmung der I/U-Kennlinie von Tandemmodulen
• Zuverlässigkeitsbewertung von Tandemmodulen  sowie Schadensanalyse
• Analyse der Langzeitstabilität und Leistungsfähigkeit von Tandemmodulen

Auf der Basis jahrzehntelanger Erfahrung bei der Kalibrierung von Solarzellen und Modulen können wir Leistungsdaten von Tandemsolarzellen ermitteln. Dafür werden die Zellen mit unterschiedlichen Größen bis zum industriellen Maßstab mit spektral angepassten und sehr homogenen Strahlungsfeldern beleuchtet. Tandemsolarzellen mit bis zu 6 pn-Übergängen können am Fraunhofer ISE unter nahezu beliebigen spektralen Bedingungen kalibriert vermessen werden. Neben Solarzellen für terrestrische Flachmodulanwendungen vermessen wir auch solche für Konzentratoranwendungen sowie Weltraumsolarzellen. Unterstützt durch die Zellsimulation und Charakterisierung konnten in den letzten Jahren neue Messverfahren gezielt verbessert und auf die Bedürfnisse neuartiger Solarzellen angepasst werden.

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

• Kalibrierung von III/V-basierten Mehrfachsolarzellen
• Kalibrierung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen
• Kalibrierung von Perowskit- Perowskit-Tandemzellen
• Leistungsbestimmung von neuartigen Tandemsolarzellen unterschiedlichster Materialien

Bei der Verbindung von temperaturempfindlichen und thermomechanisch anspruchsvollen Schichten, wie sie in Tandemsolarzellen vorhanden sind, ergeben sich besondere Anforderungen.

Wir forschen an der Optimierung klassischer Verfahren und evaluieren geeignete Materialien, um eine zuverlässige Verbindung und Modulintegration zu gewährleisten. Hierzu entwickeln wir niedertemperaturbasierte Lösungen zur Verbindung der Zellen und angepasste Laminationsprozesse. Für feuchtesensitive Tandemsolarzellen passen wir die Bill-of-Materials (BOM) an und entwickeln und optimieren Randversiegelungskonzepte. Dabei stehen geringe Kosten, mechanische Stabilität und elektrische Performance im Fokus unserer Forschung.  

Aufgrund der vielfältigen Anforderungen von Tandemsolarzellen legen wir ein besonderes Augenmerk auf eine umfassende Charakterisierung der Verbindungspunkte, aber auch auf die Solarzellen selbst. Dazu stehen diverse Methoden zur Verfügung, um das Zusammenspiel der Verbindungsprozesse mit der sensitiven Mikrostruktur der Schichten und der Folgeprozesse bei der Modulintegration (Lamination) zu untersuchen und damit die  Langzeitstabilität der Module zu verbessen.

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

• Evaluierung von Materialien und Prozessen
• Herstellung von Prototypen und Kleinserien sowie Entwicklung von kostengünstigen und zuverlässigen Material- und Prozesskombinationen (BOM-Entwicklung)
• Beratung und Analyse zur Kompatibilität von Materialien und Prozessen
• Detailcharakterisierung von Materialien mit thermischen, chemischen, mikroskopischen und mechanischen Verfahren

Genaue Kenntnisse der physikalischen Prozesse in den Tandemsolarzellen sind für die Entwicklung solcher Zellen unabdinglich. Wir entwickeln daher Messmethoden und Simulationsmodelle, um die Tandemsolarzellen und auch einzelne Schichten und Grenzflächen zu analysieren. Basierend auf unserer langjährigen Expertise im Technologie- und messtechnisch-physikalischen Bereich verfügen wir über detailliertes Wissen zu Strukturen von Solarzellen sowie zu deren Physik, über messtechnische Konzepte und Simulationsmethoden, sowie umfangreiche Datensammlungen zu Solarzellparametern. Darüber hinaus nutzen wir für die Datenanalyse leistungsstarke Ansätze des Maschinellen Lernens und der Künstlichen Intelligenz.

Unsere FuE-Leistungen umfassen: 

• Entwicklung von Messgeräten und Analysemethoden zur Verbesserung von Materialien und Solarzellen vom Labor bis hin zur Produktion 
• Entwicklung von State-Of-The-Art-Simulationsmethoden zur Analyse von Tandemsolarzellen
• Material- und Zellanalyse von Laborzellen bis hin zu industriellen Zellen
• Automatisierte Datenanalyse und Bildverarbeitung / Künstliche Intelligenz zur Entwicklung eines Digitalen Zwillings

III-V-Halbleiter decken einen breiten Spektralbereich des Sonnenspektrums ab und eignen sich daher hervorragend, um den sichtbaren und nahen Infrarotbereich des Sonnenspektrums effizient in elektrischen Strom zu wandeln. In Kombination mit Silizium lassen sich höchsteffiziente Tandemsolarzellen realisieren, sowohl mit zwei- als auch mit drei Teilzellen. Wir entwickeln III-V auf Silizium-Solarzellen mittels direkter Epitaxie und über Wafer-Bonden bzw. Kleben. 

Bei der direkten Epitaxie wird zunächst GaP auf Silizium aufgewachsen und anschließend die Gitterkonstante in dem ternären Material GaAsP so variiert, dass Absorber mit einer Bandlücke zwischen 1.4 eV (GaAs) bis 1.9 eV (GaInP) hergestellt werden können. 

Bei den wafergebondeten Strukturen wachsen wir die III-V Halbleiterschichten zunächst auf Galliumarsenid auf und übertragen sie dann auf eine teilprozessierte Silizium-Unterzelle. Die Herstellung bedarf kostengünstiger Prozesse zur Herstellung der III-V-Schichten, zur Übertragung der nur wenige Mikrometer dünnen Schichten, der Bond- bzw. Klebetechnologie und zum Recycling der teuren GaAs-Substrate.

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

• Epitaxie von III-V Halbleitern direkt auf Silizium mit Durchmessern bis zu 300 mm (Beispiel GaP Nukleation auf Silizium, GaPN, GaAsP, GaAs, GaInP)
• Charakterisierung von Defekten in III-V Halbleiterschichten (z.B. Antiphasendomänen, Stapelfehler, Fehlanpassungsversetzungen) Arbeitsgebiet Charakterisierung von III-V-Solarzellen und Modulen
• Prozessierung und Prozessentwicklung für III-V Bauelemente auf Silizium Arbeitsgebiet Prozesstechnologie und Bauelementfertigung