Forscher der Hangzhou Dianzi University entwickelten mithilfe eines innovativen Schichttransferverfahrens (LT) eine 20 µm dünne monokristalline Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 21.1 %. Durch den Einsatz von Passivierungsschichten und unterschiedlichen Kontaktkonfigurationen erzielten sie enorme Verbesserungen bei Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, Füllfaktor und Gesamtwirkungsgrad der Zelle – von 16.5 % auf außergewöhnliche 21.1 %. Dies würde die Leistung der Solarzelle weiter verbessern, eine kostengünstige Nutzung von Silizium-Solarenergie ermöglichen und die Modulherstellung revolutionieren.
Forschern der Hangzhou Dianzi Universität in China ist es gelungen, eine Dünnschicht-p-Typ-monokristalline Solarzelle mit einem Wirkungsgrad zu entwickeln, der mit dem ihrer industriellen, dickeren Pendants mithalten kann.
Leonidas Palilis sagte: „Insgesamt stellen die Ergebnisse dieser Studie einen neuartigen Weg dar, um hochleistungsfähige dünne kristalline Silizium-Solarzellen mit deutlich weniger Silizium zu realisieren – für eine 20-µm-Zelle etwa ein Achtel der Menge, die für eine dicke 160-µm-Zelle bei gleicher Panelgröße benötigt wird.“
Die Wissenschaftler erklärten in ihrer veröffentlichten Forschungsarbeit, dass sie anstelle des Schneidens von Siliziumblöcken ein Verfahren namens Schichttransfer (LT) zur Herstellung des Wafers für die Solarzelle verwendeten. LT ermöglicht die Übertragung einer Schicht aus Halbleitermaterial von einem Substrat auf ein anderes.
Diese Methode beinhaltet:
- Die anfängliche elektrochemisch Verwendung von Flusssäure (HF) zum Ätzen von Poren in einen dicken Silizium-Wafer, wodurch ein poröses Siliziumsubstrat entsteht.
- Dieses Substrat wird dann für das epitaktische Wachstum eines monokristallines Silizium Schicht.
- Abschließend wird die epitaktische dünne Siliziumschicht vom porösen Siliziumsubstrat abgelöst.
Mithilfe dieser Methode gelang es den Wissenschaftlern, einen 20 µm dünnen, monokristallinen p-dotierten Siliziumwafer herzustellen . Um die Leistung der Zelle zu verbessern , brachten sie mittels plasmaverstärkter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) mehrere Passivierungsschichten aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumnitrid (SiO₂) und Siliziummonoxid (SiOₓ) auf der Vorderseite der Zelle auf.
Die Kontakte sind in zwei verschiedenen Konfigurationen erhältlich und sollen die Lichtabsorption sowohl bei kürzeren als auch bei längeren Wellenlängen verbessern. Dies führt zu einer deutlichen Verbesserung des Kurzschlussstroms und der Leerlaufspannung der Zelle. Die Konfigurationen sind wie folgt:
- SiO2/SiNx/SiOx
- Al2O3/SiNx/SiOx
„Im Vergleich zu einer als Referenz verwendeten Standard-Solarzelle erhöhte sich die Stromdichte von 34.3 mA/cm² auf 38.2 mA/cm²“, sagte der Forscher und fügte hinzu, dass die Passivierungsschichten auch dazu beitrugen, die Leerlaufspannung der Zelle von 632 mV auf 684 mV zu erhöhen.
Infolgedessen stiegen Füllfaktor und Zellleistung des Geräts deutlich an:
- Von 76.2 % auf beeindruckende 80.8%.
- Von bescheidenen 16.5 % auf hervorragende 21.1%.
Leonidas Palilis erklärte: „Dieser Fortschritt wird voraussichtlich zu einer breiteren und kostengünstigeren Einführung der Silizium-Solartechnologie beitragen, da die Kosten sinken und gleichzeitig die Produktionskapazitäten für Solarmodule erweitert werden.“
Quelle: Untersuchung zur signifikanten Effizienzsteigerung dünner kristalliner Silizium-Solarzellen
