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Prozesse für die kostengünstigere Produktion von Solarzellen

18.09.2012
Der Markt für Photovoltaik ist hart umkämpft. Oft haben asiatische Hersteller in punkto Preis die Nase vorn.
Fraunhofer-Forscher entwickeln nun neue Beschichtungsverfahren und Schichtsysteme, mit denen die Kosten für Solarzellen deutlich gesenkt werden. Das ermöglicht deutschen Herstellern wieder einen Vorsprung. Auf der Messe EU PVSEC vom 25. bis 28. September in Frankfurt zeigen die Wissenschaftler einige dieser neuen Verfahren (Halle 03, Stand G22).

»Ja« zum umweltfreundlichen Strom durch Solarzellen sagen viele Menschen, doch günstig soll er sein. Es herrscht daher ein scharfer Preiswettbewerb zwischen den Photovoltaik-Herstellern. Vor allem kostengünstige asiatische Produkte machen heimischen Herstellern das Leben schwer. Nun erhalten die Betriebe Unterstützung von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig. Sie entwickeln Beschichtungsverfahren und Schichtsysteme, die die Herstellungskosten der Solarzellen drastisch senken sollen. Auf der Messe EU PVSEC vom 25. bis 28. September in Frankfurt stellen die Experten einige dieser neuen Verfahren vor (Halle 03, Stand G22).

Heiße Drähte statt Plasma
Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden von bis zu 23 Prozent sind ein besonderer Hoffnungsträger in der Photovoltaik-Industrie. Diese HIT-Zellen, »Heterojunction with Intrinsic Thin layer«, bestehen aus einem kristallinen Siliziumabsorber mit zusätzlichen dünnen Siliziumschichten. Bislang bringt man die Schichten über das Verfahren des Plasma-CVD, kurz für Chemical Vapour Deposition oder auch Chemische Gasphasenabscheidung, auf das Substrat auf: In der Reaktionskammer befindet sich das Gas Silan, das aus Silizium und vier Wasserstoffatomen besteht, sowie das kristalline Siliziumsubstrat.
Ein Plasma aktiviert das Gas, es knackt also die Silizium-Wasserstoffverbindungen. Die nun ungebundenen Silizium-Atome und Silizium-Wasserstoffreste setzen sich auf der Oberfläche des Substrats ab. Das Problem dabei: Nur 10 bis 15 Prozent des teuren Silan-Gases werden durch das Plasma aktiviert, 85 bis 90 Prozent gehen ungenutzt verloren. Das ist mit enormen Kosten verbunden.

Die Forscher am IST haben diesen Prozess nun ersetzt: Sie aktivieren das Gas nicht über ein Plasma, sondern über heiße Drähte. »So können wir fast das gesamte Silan-Gas nutzen, wir sparen also 85 bis 90 Prozent des teuren Gases. Das reduziert die Herstellungskosten für die Schichten um über 50 Prozent. Die Drähte, die wir für das Verfahren brauchen, haben gegenüber dem Silan einen vernachlässigbaren Preis«, sagt Dr. Lothar Schäfer, Abteilungsleiter am IST. »Unsere Anlage ist dabei die einzige, die die Substrate im Durchlauf beschichtet, man spricht auch von einem Inline-Prozess.« Das ist möglich, da das Silizium etwa fünfmal schneller auf der Oberfläche abgeschieden wird als beim Plasma-CVD – bei gleicher Schichtqualität.
Momentan beschichten die Forscher auf einer Fläche von 50 mal 60 Quadratzentimeter, das Verfahren lässt sich jedoch problemlos auf ein gängiges Industrieformat von 1,4 Quadratmetern hochskalieren. Ein weiterer Vorteil: Die Anlagentechnologie ist deutlich einfacher als beim Plasma-CVD, daher ist auch die Anlage wesentlich kostengünstiger. So kostet beispielsweise der Generator, der den elektrischen Strom für das Heizen der Drähte erzeugt, nur rund ein Zehntel seines Gegenstücks beim Plasma-CVD.

Darüber hinaus eignet sich das Verfahren auch für Dünnschichtzellen. Zwar rentieren sich diese mit einem Wirkungsgrad von etwas mehr als zehn Prozent bislang nur mäßig. Als Triplesolarzelle jedoch – also drei Zellen übereinander – steigt der Wirkungsgrad erheblich. Das Problem: Da man für die drei Zellen jeweils große Materialverluste beim Plasma-CVD-Beschichten hat, sind die Triplezellen teuer. Hier sehen die Forscher eine weitere Einsatzmöglichkeit für ihr Verfahren:
Mit dem neuen Beschichtungsverfahren würden die Zellen deutlich kostengünstiger. Langfristig könnten sich sogar Triple-Zellen mit dem zwar knappen aber sehr effizienten Germanium durchsetzen. Da Germanium sehr teuer ist, würde sich das jedoch nur dann lohnen, wenn man die Schichten möglichst verlustfrei aufbringen kann – wie etwa durch das Heißdraht-CVD.

35 Prozent sparen beim Sputterprozess für transparent leitfähige Oxide
Um den Strom, den die Solarzelle produziert, nutzen zu können, muss er abfließen können. Dazu dampft man üblicherweise ein Gitter aus Metall auf die Solarzellen, das die entstehenden Löcher und Elektronen leitet. Bei HIT-Zellen reicht dieses Gitter jedoch nicht aus – hier braucht man auf der gesamten Fläche transparente leitfähige Schichten, ähnlich denen beim LCD-Fernseher.

Das geschieht üblicherweise über Sputterverfahren: Dabei zerstäubt man keramische Platten aus aluminiumdotiertem Zink oder Indium-Zinnoxid. Die herausgelösten Bestandteile setzen sich auf der Oberfläche ab und erzeugen so eine dünne Schicht. Allerdings sind die keramischen Platten recht teuer. Die Forscher am IST verwenden daher metallische Platten: Sie sind um 80 Prozent günstiger als ihre keramischen Gegenstücke. Eine elektronische Regelung sorgt dafür, dass die Metallplatten nicht oxidieren. Denn das würde die Art und Weise ändern, wie das Metall zerstäubt. »Trotz des höheren Regelaufwandes können wir die Kosten für den Herstellungsprozess von 1,4 Quadratmeter großen Beschichtungen um 35 Prozent senken«, sagt Dr. Volker Sittinger, Gruppenleiter am IST.

Langfristig wollen die Forscher beide Verfahren verbinden, um Dünnschichtsolarzellen kostengünstiger und damit rentabler zu machen. »Alle Siliziumschichten könnte man mit der Heißdraht-CVD herstellen, alle transparent leitfähigen Schichten über das Sputtern mit metallischen Platten. Die Verfahren sind prinzipiell auch für große Formate geeignet«, sagt Sittinger. Noch sind die eingesetzten Prozesse jedoch keine Produktionsprozesse: Auch wenn die Forscher die Verfahren bereits auf etlichen Quadratzentimetern anwenden, wird es noch etwa drei bis fünf Jahre dauern, bis sie bei der Produktion von Solarzellen eingesetzt werden können.

Franz Miller | Fraunhofer-Presseteam
Weitere Informationen:
http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2012/september/prozesse-fuer-die-konstenguenstigere-produktion-von-solarzellen.h
http://www.fraunhofer.de/de/veranstaltungen-messen/messen/eupvsec2012.html

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