News #11

Silizium-Heterojunction-Solarzellen mit Rekordeinsparung an Silber realisiert

Ohne eine starke Reduzierung des Silberanteils kann der weltweite Bedarf an Photovoltaik für ein klimaneutrales Energiesystem nicht bedient werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben nun Silizium-Heterojunction-Solarzellen (SHJ) mit einem Silberbedarf von nur 1,4 Milligramm pro Watt Peak hergestellt. Das ist in etwa ein Zentel dessen, was aktuell in der industriellen Produktion Standard ist. Um das zu erreichen, ersetzten sie das Silber in der Metallisierungspaste für die Vorderseite der Solarzellen zum Teil und für die Rückseite komplett durch Kupfer. Ein optimierter Druckprozess sorgte zusätzlich für besonders feine Metallkontakte. Die Kupfer-metallisierten SHJ-Solarzellen erreichten einen höheren Wirkungsgrad als ihre Referenzzellen mit Silber-Kontakten.

© Fraunhofer ISE / Foto: Andreas Lorenz
Solarzelle mit siebgedruckter Kupferpastenmetallisierung.

Um PV-Produktion im Multi-Terawatt-Maßstab zu ermöglichen, müssen Solarzellen- und Modulhersteller ihren Silberverbrauch erheblich senken. Im Jahr 2024 entfielen bereits 32 Prozent des weltweit industriell genutzten Silbers auf die weiterhin wachsende PV-Industrie. Um langfristig nachhaltig produzieren zu können, wurden 2 Milligramm Silberbedarf je Watt Peak Leistung als Ziel für die globale PV-Produktion errechnet. Diese Grenze zu unterbieten, gelang Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Fraunhofer ISE nun erstmals für mittels Siebdrucks metallisierte Solarzellen.

»Dank der ausbalancierten Kombination aus Silber-Kupfer-Paste auf der Vorderseite und reiner Kupfer-Paste auf der Rückseite in Verbindung mit einem optimierten Feinliniendruckverfahren konnten wir hocheffiziente Silizium-Heterojunction-Solarzellen mit einem minimalen Silberverbrauch von nur 1,4 Milligramm Silber pro Watt Peak herstellen,« erklärt Sebastian Pingel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ISE. »Die Solarzellen erreichten in unserem Experiment sogar einen höheren Wirkungsgrad als die rein silbermetallisierten Referenzzellen.«

© Fraunhofer ISE / Foto: Oumaima Mhirsi
Eingefärbte Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines mit silberbeschichteter Kupferpaste gedruckten Kontakts, entwickelt am Fraunhofer ISE.

Das Forschungsergebnis ist Teil des Verbundprojekts »HIT – Hochqualitative innovative Druckformen zur Metallisierung von Silicium-Heterojunction Solarzellen«, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK. Als Industriepartner ist der Solarzellen- und -modulhersteller Meyer Burger Germany GmbH am Projekt beteiligt.

Um die Zusammenstellung der Metallisierungspasten und der Siebkonfigurationen für den Druck der Kontakte zu optimieren, führte das Forschungsteam zu Beginn umfangreiche Simulationen mit dem eigens entwickelten Simulationstool »GridMaster« durch. »Dabei wurde klar, dass die Feingewebe-Siebe eine ebenso große Rolle spielen für einen effizienten Silbereinsatz, wie die Metallisierungspaste selbst,« sagt Andreas Lorenz, Projektleiter am Fraunhofer ISE. »Mit neuartigen, ultrafeinen Maschensieben konnten wir eine Feinlinien-Vorderseitenmetallisierung mit Öffnungen bis zu 17 Mikrometern fein drucken. Dünner als ein menschliches Haar.«

Besucherinnen und Besucher der Messe The Smarter E / Intersolar in München können sich die größtenteils kupfermetallisierte Solarzelle vom 7. bis 9. Mai 2025 am Stand des Fraunhofer ISE in Halle A1 anschauen.

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