Photovoltaik: Neues Verfahren für Solarzellen-Produktion mit Leiterbahnen aus Kupfer

Steigende Rohstoffpreise und mangelnde Verfügbarkeit, insbesondere von Silber, lassen die Produktionskosten von Photovoltaik-Modulen steigen. Schon heute macht Silber rund 10 Prozent des Herstellungspreises für eine Photovoltaikzelle aus. Darüber hinaus ist Silber nur begrenzt auf der Erde verfügbar. Die Solarindustrie verarbeitet 15 Prozent des in Minen abgebauten Silbers. Durch das starke Wachstum müsste dieser Anteil stark steigen. Dies ist jedoch kaum realisierbar, da auch andere Branchen wie die Elektromobilität oder die 5G-Technologie höhere Silberverbräuche für die Zukunft anmelden. Ein Team des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE um Markus Glatthaar, Experte für Metallisierung und Strukturierung, hat nun ein Galvanikverfahren entwickelt, bei dem das Silber durch Kupfer bei der vielversprechenden Heterojunction-Solarzellen-Technologie ersetzt wird.

Kupfer ist um ein Vielfaches preiswerter und leichter verfügbar. Sogar die Leistung wird dadurch verbessert. Denn die Kupferleiter sind dank Laserstrukturierung besonders schmal. Durch den extrem kleinen Durchmesser von nur 19 Mikrometer ist die Verschattung der lichtaufnehmenden Siliziumschicht geringer als bei den Silberbahnen. Das verbessert die Leistung und letztlich den Stromertrag.

Aluminiummaskierung für Abscheidung von Kupfer auf den Solarzellen

Damit nicht die gesamte elektrisch leitfähige Oberfläche der Solarzellen galvanisch mit Kupfer beschichtet wird, müssen zuvor die nicht zu beschichtenden Bereiche maskiert werden. Diese Bereiche erhalten eine elektrisch isolierende Beschichtung, die eine galvanische Abscheidung unterbindet. So wächst nur in den nicht isolierend beschichteten Bereichen die Kupferschicht auf.

Die Forschenden haben hier noch einen zweiten wesentlichen Fortschritt erzielt: Für die Maskierung des Silizium-Wafers im Elektrolyt-Bad setzt die Industrie bisher teure Lacke oder Folien auf Polymer-Basis ein. Die fachgerechte Entsorgung der Polymere ist aufwändig und verursacht viel Müll. Glatthaar und seinem Team ist es gelungen, die Polymere durch Aluminium zu substituieren. Ebenso wie Kupfer lässt sich Aluminium vollständig recyceln. Der doppelte Umstieg – von Silber auf Kupfer und von Polymer auf Aluminium – bringt auch einen doppelten Vorteil: Die Herstellung der Solarzellen wird nachhaltiger und gleichzeitig deutlich kostengünstiger.

Eine Schwierigkeit bei der Verwendung von Aluminium als Maskierungsschicht besteht darin, dass Aluminium elektrisch leitfähig ist und insofern eigentlich nicht als Maskierung taugt. Die Fraunhofer-Forschenden machen sich aber zunutze, dass Aluminium an der Oberfläche von selbst eine isolierende Oxidschicht ausbildet. Doch diese ist nur wenige Nanometer dick. „Es ist uns gelungen, die Prozessparameter anzupassen und dabei einen speziellen Elektrolyt zu entwickeln, sodass im Ergebnis die extrem dünne, native Oxidschicht des Aluminiums ihre isolierende Funktion zuverlässig erfüllen kann. Für den Erfolg unseres Forschungsprojekts war dies ein wichtiger Meilenstein“, sagt Markus Glatthaar.

Spin-off PV2+ bringt neue Solar-Technologie auf den Markt

Um die vielversprechende Technologie schneller auf den Markt zu bringen, hat das Fraunhofer ISE das Spin-off PV2+ gegründet. Die Buchstaben P und V stehen für Photovoltaik, 2+ für zweifach positiv geladene Kupferionen im Galvanikbad. Das Unternehmen hat seinen Sitz ebenfalls in Freiburg. Fraunhofer-Forscher Markus Glatthaar fungiert als CEO des Spin-offs. Er will bereits Anfang 2023 gemeinsam mit Industriepartnern eine Pilotproduktion aufbauen.

Weitere Informationen zum Spin-off PV2+ sind unter diesem Link zu finden.

2.9.2022 | Quelle: Fraunhofer ISE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH