Selektive Emitter steigern den Wirkungsgrad
Die Oberfläche von Solarzellen bietet noch viel Optimierungspotenzial. Hier liegt auch die Emitterschicht: Sie leitet die im Siliziumkristall generierten Elektronen gut zu den Kontakten auf der Frontseite ab, erzeugt aber selbst keinen Strom. Mit einem Trick binden die Hersteller diese photoelektrisch tote Zone nun in die Energiegewinnung ein – und erhöhen so die Zelleffizienz. VDI nachrichten, Düsseldorf, 29. 1. 10, swe
Die Innovation stammt aus Asien: Der in China produzierende und von Chinesen geführte Photovoltaikhersteller Canadian Solar hat den Wirkungsgrad seiner Siliziumsolarzellen mit einem selektiven Emitter um fast einen Prozentpunkt verbessert. „Wir verbessern die Effizienz bei nahezu gleichbleibenden Herstellkosten“, sagt Vorstand Shawn Qu.
Elektronen, die mit Hilfe des einfallenden Lichts im Halbleiter der Solarzelle erzeugt werden, müssen Metallkontakte erreichen und von dort abgeleitet werden. Eine mit Phosphor dotierte und für Elektronen gut leitende Emitterschicht hat deshalb die Aufgabe, frei gewordene Ladungsträger zu sammeln und dorthin weiterzuleiten. Canadian Solar manipuliert den Emitterbereich im Kristall nun so, dass er zudem auch Strom produziert. Dadurch steigt der Wirkungsgrad multikristalliner Zellen auf 17 %, derjenige monokristalliner Zellen auf 18,5 %.
Noch stellen nur wenige Produzenten Zellen mit selektivem Emitter her: Außer Canadian Solar beherrschen dies bislang nur die chinesischen Konkurrenten China Sunergy und Suntech Power.
Doch lange werden sie mit der neuen Technik nicht alleine blieben, denn seit Neuestem bieten die deutschen Photovoltaikausrüster Centrotherm, Roth & Rau sowie Schmid für diese Technik Produktionsmaschinen „von der Stange“ an. Das neue Equipment soll, je nach Güte des Wafers und Fertigungsprozess, die Effizienz um bis zu 0,8 Prozentpunkte steigern.
Die genaue Funktion des selektiven Emitters erklärt sich bei einem Blick auf den Zellaufbau: Siliziumscheiben sind von vornherein gezielt mit Bor dotiert und dadurch bereits positiv leitend (p-leitend). Damit eine Zelle entsteht, muss noch ein sogenannter p-n-Übergang erzeugt werden. Dafür bringen Hersteller Phosphoratome einige Mikrometer tief in die oberste Schicht ein. So erzeugen sie die stark negativ leitende (n-leitende) Zone im Kristall, den Emitter. Auf seiner Licht zugewandten Seite werden die Kontakte aufgebracht, die als Minuspol der Zelle fungieren. Trifft Licht auf den Halbleiter, erzeugt es im Emitter wie in der p-leitenden Schicht Elektronen-Loch-Paare. Das elektrische Feld am p-n-Übergang trennt die Ladungsträger und es fließt Strom.
Allerdings haben die bisher üblichen Siliziumzellen einen Haken: Direkt an ihrer Vorderseite in der Emitterschicht ist die n-Dotierung sehr hoch. Dadurch wird zwar der Übergangswiderstand zwischen Halbleiter und Kontakten klein gehalten, was den Strom flüssig fließen lässt. Doch stört die hohe Phosphorkonzentration den Kristall so stark, dass fast alle Ladungsträger aus dieser Schicht rekombinieren, also für den Solarstrom verloren gehen, ehe sie die Kontakte erreichen. Man bezeichnet die obersten 50 nm einer kristallinen Solarzelle deshalb als „dead layer“ – sie ist für die Stromgewinnung nutzlos.
Ingenieure greifen daher zu einem Trick: Sie senken die Phosphorkonzentration in den Bereichen zwischen den Kontakten, so dass weniger Ladungsträger aufgrund der „Verunreinigungen“ rekombinieren. Direkt unter den Kontakten halten sie die Phosphorkonzentration für einen geringen Übergangswiderstand dagegen hoch. Die Effizienz können sie weiter steigern, indem sie gleichzeitig die Dicke des Emitters zwischen den Kontakten verringern. Dann kann mehr Licht in die darunter liegende p-Schicht eindringen, wo kein Phosphor mehr die Stromproduktion stört.
Deutsche Solarkonzepte für Firmen weltweit
Konzepte für selektive Emitter gibt es bereits seit den Siebzigerjahren. Da dafür zwei unterschiedliche Phosphorkonzentrationen nötig sind, basieren die meisten auch auf zwei Diffusionsschritten, was die Kosten treibt. Schmid habe einen wirtschaftlicheren Prozess gefunden, sagt Helge Haverkamp, Technologe des Freudenstädter Anlagenbauers: „Wir stellen den selektiven Emitter in nur einem Diffusionsschritt her.“
Schmids Ingenieure spicken zuerst die oberste Kristallschicht mit viel Phosphor. Dann drucken sie mit einem Tintenstrahldrucker Wachs auf die Stellen der späteren Kontakte. Das Wachs dient als Maske. Sie fehlt zwischen den späteren Kontakten, wo ein Spezialgemisch die Oberfläche bis in eine Tiefe von 50 nm wegätzt. Die hohe Dotierung mit Phosphor wird durch Ausdünnung des Materials reduziert, so Haverkamp.
Centrotherm aus Blaubeuren verfolgt einen anderen Ansatz: Die Firma bringt vor der Phosphordiffusion zunächst eine Barriereschicht gleichmäßig auf den Kristall auf. An den Stellen der späteren Kontakte wird diese Schicht anschließend geöffnet und lokal Phosphor hochkonzentriert eingebracht. Dadurch steige die Zelleffizienz um 0,5 Prozentpunkte, sagt Wolfgang Herbst, bei Centrotherm zuständig für Markt- und Technikforschung.
Die Industrie zeigt großes Interesse an der neuen Technik. Mit vielen Herstellern werde bereits verhandelt, erklären die Firmen. Deutsche Solarausrüster tragen somit dazu bei, die Chinesen im Wirkungsgradwettlauf nicht davonziehen zu lassen. SASCHA RENTZING
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