Silizium-Heterojunction-Solarzellen und -Module

Über

Die Silizium-Heterojunction-Solarzelle (SHJ) stellt eine neue Generation von Silizium-Wafer-Solarzellen dar, mit der hohe Wirkungsgrade erzielt werden können. Das IEK-5 befasst sich mit der Material-, Prozess-, Zell-, Modul- und Systementwicklung für die SHJ-Solarzelle und ihre Anwendungen, die die gesamte Wertschöpfungskette der SHJ-Technologie abdeckt. Die Zelltechnologie reicht von der nasschemischen Vorbehandlung der kristallinen Siliziumwafer über die Abscheidung funktionaler Dünnschichten mit verschiedenen Abscheideverfahren bis hin zur thermischen Endbehandlung nach der Abscheidung.

Forschungsthemen

Die Forschung umfasst die Prozessentwicklung von SHJ-Solarzellen und -Modulen im industriellen Maßstab, die Materialentwicklung sowie die Charakterisierung und Anwendung von SHJ-Zellen und -Modulen. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung hocheffizienter, leichter und flexibler SHJ-Module für spezielle Anwendungen wie die fahrzeugintegrierte Photovoltaik.

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Dr. Kaining Ding

IEK-5

Gebäude 02.6 / Raum 4004

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Einführung

Abb. 1 Querschnittsaufbau einer Silizium-Heterojunction-Solarzelle

Die Silizium-Heterojunction-Solarzelle (SHJ) stellt eine neue Generation von Silizium-Wafer-Solarzellen dar, mit der hohe Wirkungsgrade erzielt werden können. Ein Querschnittsaufbau einer SHJ-Solarzelle ist in Abb. 1 dargestellt. Das IEK-5 befasst sich mit der Material-, Prozess-, Zell-, Modul- und Systementwicklung für die SHJ-Solarzelle und deren Anwendungen, was die gesamte Wertschöpfungskette der SHJ-Technologie abdeckt. Die Zelltechnologie reicht von der nasschemischen Vorbehandlung der kristallinen Siliziumwafer über die Abscheidung funktionaler Dünnschichten mit verschiedenen Abscheideverfahren bis hin zur thermischen Endbehandlung nach der Abscheidung.

Der Schwerpunkt der Prozessentwicklung liegt auf der Entwicklung kosteneffizienter Prozesse für die Produktion von industriellen SHJ-Solarzellen auf Großanlagen. Die Materialentwicklung konzentriert sich auf die Herstellung und Charakterisierung von Siliziumlegierungen und deren Einsatz in SHJ-Solarzellen. Die Modulentwicklung ist spezialisiert auf leichte und flexible SHJ-Module für spezielle Anwendungen wie die fahrzeugintegrierte Photovoltaik. Die Systemforschung befasst sich mit Lebenszyklusanalysen und Kostenanalysen für SHJ-basierte PV-Systeme, wie z.B. die Integration von SHJ-Modulen im Straßenverkehr.

Weitere Arbeitsgebiete sind die Entwicklung von Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen, SHJ-Solarzellen in der rückseitig kontaktierten Konfiguration (Interdigitated Back-Contacted: IBC), die optische-elektrische 3D-Simulation von SHJ-Solarzellen sowie die Herstellung und Charakterisierung von passivierten SiO2/Poly-Si-Kontakten.

Solarzellenentwicklung

Abb. 2 Strom-Spannungs- und Leistungs-Spannungs-Kennlinien der Champion SHJ Solarzelle, zertifiziert durch das ISFH CalTeC

Wir betreiben eine Baseline, die die gesamte Prozesstechnologie für die industrielle Produktion von hocheffizienten SHJ-Solarzellen auf M2-Wafergröße abdeckt: von der nasschemischen Vorbehandlung bis zur Dünnschichtabscheidung und Metallisierung. Darüber hinaus stehen verschiedene Messeinrichtungen zur Charakterisierung der fertigen Solarzellen und der jeweiligen Schichten zur Verfügung. Wir haben einen Spitzenwirkungsgrad von 24,51% auf M2-Wafern (156,75 mm x 156,75 mm) erreicht, der vom ISFH CalTeC unabhängig zertifiziert wurde (siehe Abb. 2).

Es werden auch fortgeschrittene Forschungsarbeiten auf der Grundlage von SHJ-Solarzellen durchgeführt, um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, und zwar sowohl im Hinblick auf wissenschaftliche als auch auf industrielle Anwendungen. Die Themen sind:

  • Hochtransparentes und leitfähiges hydriertes nanokristallines Siliziumoxid (nc-SiOx:H) als Fensterschicht in SHJ-Solarzellen mit geringer parasitärer Absorption
  • Entwicklung hochwertiger TCOs für SHJ-Solarzellen als Alternative zu Indium-Zinn-Oxid (ITO), mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und relativ geringer Ladungsträgerdichte, wie z.B. ITiO und IWO, oder gesputterte indiumfreie AZO- und PECVD-prozessierte dotierte ZnO-Schichten, mit geringeren Kosten
  • "Light Soaking"-Mechanismus für SHJ Solarzellen und -module
  • Langzeitstabilität auf Basis der TCO-Optimierung für SHJ-Solarzellen und -Module
  • Katalytische Dotierung von Silizium-Dünnschichten für die Anwendung in SHJ-Solarzellen
  • SHJ-Solarzellen für den Einsatz als Bottom-Zellen in hocheffizienten Mehrfachsolarzellen, z. B. Perowskit/SHJ-Tandemsolarzellen

Solarzellen mit Siliziumkarbid-basierten, transparenten passivierten Kontakten

Abb. 3 (links) Dreifache Anforderung an die Frontkontakte von kristallinen Silizium-Solarzellen. (mitte) Absorptionskoeffizienten von Dünnschichten die in unseren TPC Solartzellen verwendet werden. (rechts) Querschnittsaufbau der TPC Solarzelle

Die klassischen dreifachen Anforderungen an die Frontkontakte von kristallinen Silizium-Solarzellen (c-Si) - hohe Leitfähigkeit, hervorragende Oberflächenpassivierung und hohe optische Transparenz - stehen oft im Widerspruch zueinander und erfordern Kompromisse. Beispielsweise ermöglicht die Trennung der Metallkontakte vom c-Si-Absorber mit verschiedenen Arten von passivierenden Frontkontakten eine hervorragende Oberflächenpassivierung und entsprechend hohe Leerlaufspannungen (Voc), aber die Solarzellen leiden oft unter einer erheblichen parasitären Lichtabsorption in den amorphen oder polykristallinen Siliziumkontaktschichten, was zu einer erheblichen Verringerung der Kurzschlussstromdichte (Jsc) führt.

Ein hochtransparenter passivierender Kontakt (TPC) bietet die Möglichkeit, diese Herausforderung zu lösen. Er besteht aus einem nasschemisch aufgewachsenen dünnen Siliziumoxid, gefolgt von einem zweischichtigen Stapel aus hydriertem nanokristallinem Siliziumkarbid (nc-SiC:H(n)), das durch chemische Heißdrahtabscheidung (HWCVD) abgeschieden wurde, und einem gesputterten Indiumzinnoxid (c-Si(n)/SiO2/nc-SiC:H(n)/ITO), das hohe optische Transparenz und geringe Oberflächenrekombination mit einem wesentlich geringeren Bedarf an Kompromissen verbindet. Außerdem sind bei diesem Kontakt keine zusätzlichen Hydrierungs- oder Hochtemperatur-Temperierungsschritte nach der Abscheidung erforderlich. Die effiziente Solarzelle liefert einen hohen Jsc-Wert von > 40 mA/cm2 und einen Voc-Wert von > 725 mV. Während die hohe Bandlücke von nc-SiC:H(n) für eine hohe optische Transparenz sorgt, ist die Doppelschichtstruktur die Schlüsselinnovation, die zu einer Kombination aus guter Passivierung und hoher Leitfähigkeit führt, wie der hohe Füllfaktor (FF > 80 %) beweist, der zu einem zertifizierten Wirkungsgrad von 24 % führt.

Weitere Aufgaben sind die Aufskalierung der derzeitigen 20 mm x 20 mm Größe auf M2-Größe, die Entwicklung von TPC-basierten TCO-freien Solarzellen und die Entwicklung von hochtemperaturstabilen TPC-Solarzellen für die industrielle Anwendung.

Modulentwicklung

Abb. 4 (oben) Laminator für die SHJ Solarmodulherstellung. (links) Solarmodul integriert in einen Weg. (rechts) Flexibles SHJ Solarmodul.

Einer der kritischen Prozesse in der PV-Herstellung ist die Laminierung der Module. Die Arbeit in unserem Modulteam kann in zwei Teile unterteilt werden. Der eine Teil ist die Verschaltung der Solarzellen. Die Zellen werden zunächst auf unterschiedliche Weise zu Strings verschaltet, von fünf Busbars bis hin zu Multi-Drähten. Dabei können die Solarzellen volle, halbe oder drittel Größe haben. Dann werden die Solarzellencluster mit Ribbons zu einem PV-Modul zusammengefügt. Der andere Teil ist die Vakuumlaminierung, mit der die Langlebigkeit des Solarmoduls erreicht wird, damit es unterschiedlichen Wetterbedingungen standhalten kann. Bei diesem Verfahren werden sowohl vernetzende als auch thermoplastische Polymer-Verkapselungsmaterialien, darunter EVA, POE und TPO, bewertet. Es wurden verschiedene Größen von Modulen eingekapselt, von Einzelmodulen über Mini-Module bis hin zu kommerziellen Modulen mit Strukturen wie Doppelglas, Glas/Rückseitenfolie, Vorder-/Rückseitenfolie. Energieumwandlungswirkungsgrade von mehr als 23 % auf einer aktiven Modulfläche von 243,36 cm² werden im Jahr 2020 erreicht.

Ein weiteres Thema ist das leichte, flexible Modul. Durch den Verzicht auf eine gläserne Modulstruktur kann eine erhebliche Gewichtsreduzierung bei gleichbleibender Leistung erreicht werden. Dies erweitert die Vielfalt der Anwendungen, die für schwere Siliziummodule ungeeignet sind und bei denen keine zusätzlichen Lasten bei der Installation getragen werden müssen, wie z. B. die Integration von PV auf der gekrümmten Oberfläche von Fahrzeugen (VIPV) und von Gebäuden (BIPV) sowie die Anwendung von schwimmender PV.

Bauelementsimulation

Abb. 5 Schematische Struktur des Bauelements für die Simulationen einschließlich der Bandstruktur am Front- und Rückkontakt einer SHJ Solarzelle.

Obwohl Silizium-Heterojunction-Solarzellen (SHJ) hohe Energieumwandlungswirkungsgrade (>25 %) aufweisen, gibt es bei diesen Bauelementen immer noch Verluste. Diese können zwischen optischen Verlusten und elektrischen Leistungsverlusten unterschieden werden. Optische Verluste sind einfallendes Licht, das im Absorber nicht absorbiert wird und daher keine Ladungsträger erzeugt. Elektrische Leistungsverluste beschreiben alle Verluste, die nach der Erzeugung von Ladungsträgern auftreten. Dies können Widerstandsverluste, Rekombination, Energieverluste an Grenzflächen usw. sein. Die Optimierung von SHJ-Solarzellen zur Verbesserung ihres Wirkungsgrads erfordert eine genauere Kenntnis der Material- und Grenzflächeneigenschaften und ihrer Auswirkungen auf die Leistung der Solarzellen. Daher ist eine detaillierte Bauelementesimulation erforderlich, die alle relevanten physikalischen Mechanismen von SHJ-Solarzellen berücksichtigt.

Eine weitere Möglichkeit, den Wirkungsgrad von SHJ-Solarzellen zu verbessern, ist die Implementierung als Bottom-Zelle in Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen. Hier sind aufgrund der größeren Anzahl von Grenzflächen und der beteiligten Materialien die Simulationen der Bauelemente noch wichtiger. Solche Tandem-Solarzellen haben das Potenzial, sehr hohe Wirkungsgrade von über 34 % zu erreichen.

Analyse von photovoltaischen Systemen für den Straßenverkehr

Abb. 6 Darstellung der verschiedenen Möglichkeiten, PV-erzeugten Strom im Straßenverkehr zu nutzen.

Die Dekarbonisierung des Straßenverkehrssektors führt zu einer zunehmenden Elektrifizierung aller Fahrzeugtypen. Um die Ziele für die Reduzierung der CO2-Emissionen zu erreichen, muss diese elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen stammen. Daher wird die Photovoltaik (PV) eine wichtige Rolle bei der Verringerung der Treibhausgasemissionen im Straßenverkehrssektor spielen. Es gibt im Wesentlichen zwei Optionen für die Photovoltaik im Straßenverkehrssektor: (i) die direkte Nutzung des von der Photovoltaik erzeugten Stroms zum Aufladen von Batterien und (ii) die Herstellung von so genanntem "grünem Wasserstoff", der als Kraftstoff für Fahrzeuge verwendet werden kann. Beide Optionen können für alle Fahrzeugtypen, wie Pkw, leichte Nutzfahrzeuge, Lkw und Busse, eingesetzt werden. Darüber hinaus ermöglicht die direkte Nutzung von PV-erzeugtem Strom die Integration von PV in das Fahrzeug, um die Fläche des Fahrzeugs für die Stromerzeugung zu nutzen.

Die Analyse der verschiedenen PV-Anwendungen im Straßenverkehrssektor umfasst (i) den gesamten Lebenszyklus aller Komponenten, einschließlich ihres Transports zum Nutzer, (ii) die Gesamtbetriebskosten, (iii) verschiedene Nutzungsszenarien der Fahrzeuge und (iv) die Modellierung des Energieertrags der PV-Erzeugung aus der Sonneneinstrahlung.

Teammitglieder

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Letzte Änderung: 21.06.2024