„Zero Degradation“: Solarzellen ohne Wirkungsgradverlust
Verbundprojekt unter Beteiligung der Universität Konstanz erforscht den Leistungsverlust von Siliziumsolarzellen
Hocheffiziente Siliziumsolarzellen ohne Wirkungsgradverlust nach der Inbetriebnahme: Darauf zielt das kürzlich gestartete, vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Verbundprojekt „Zero-Degradation in mono- und multikristallinen PERC-Solarzellen (ZORRO)“ unter Beteiligung der Universität Konstanz ab. ZORRO wird vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen koordiniert. Seitens der Universität Konstanz wird die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Giso Hahn im Rahmen des Verbundprojektes die Ursachen und physikalischen Mechanismen lichtinduzierter Degradationseffekte von Solarzellen untersuchen.
Erneuerbare Energien sind heute ein fester Bestandteil des Energiemixes. Eine Vorreiterrolle nimmt dabei die Nutzung des Sonnenlichts durch Photovoltaik-Solarmodule ein. Hierbei besitzt die kristalline Silizium-Technologie einen Anteil von ca. 95 Prozent am Photovoltaik-Weltmarkt. Mit der Entwicklung der sogenannten PERC (Passivated Emitter and Rear Cell)-Solarzelle konnten in den letzten Jahren die Zellwirkungsgrade nochmals deutlich angehoben werden. Sie liegen derzeit über 22 Prozent für einkristallines und bei rund 20 Prozent für multikristallines Silizium-Basismaterial. Das Problem: Die PERC-Solarzellen sind sehr anfällig für Degradation, das heißt der Wirkungsgrad der Solarzelle kann im Betrieb um mehrere Prozentpunkte absinken. Eine der Ursachen für diesen Wirkungsgradverlust ist Beleuchtung bei erhöhter Temperatur, das so genannte LeTID-Phänomen (Light and elevated Temperature Induced Degradation). Der Wirkmechanismus und die Ursache des LeTID-Phänomens sind derzeit aber noch nicht ausreichend erforscht.
Forschungsprogramm des Verbundprojektes
Im Rahmen des ZORRO-Verbundvorhabens wird ein Zero-Degradationskonzept für die industrielle Produktionstechnologie von multi- und monokristallinen PERC Solarmodulen erarbeitet. Grundlagenuntersuchungen sollen ein umfassendes, vertieftes Verständnis für die Prozess- und Materialabhängigkeit von LeTID und artverwandten Degradationseffekten in mono- und multikristallinen PERC-Solarzellen ermöglichen. Die Ursache für die auftretende Degradation wird dabei einerseits im hergestellten mono- und multikristallinen Wafermaterial gesucht. Andererseits werden einzelne Schritte der Solarzellenprozessierung im Detail analysiert.
Analyse des Wirkungsgradverlustes in Konstanz
An der Universität Konstanz wird die Arbeitsgruppe von Giso Hahn die Ursachen des Degradationseffektes sowie Möglichkeiten seiner Bekämpfung erforschen. Die Physiker werden hierfür anhand von künstlich verunreinigten Silizium-Kristallen, die vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie in Erlangen hergestellt werden, analysieren, welche physikalischen Mechanismen den Wirkungsgradverlust verursachen und welche weiteren Auswirkungen dieser Effekt nach sich zieht. „Sowohl der Einfluss des Ausgangsmaterials als auch der weitere Herstellungsprozess der Solarzelle werden untersucht“, schildert Giso Hahn. „ Wir wollen ein umfassendes physikalisches Verständnis für die Mechanismen des Defektes schaffen.“ Die Forscherinnen und Forscher um Giso Hahn bauen hierfür auf Teilergebnissen des erfolgreich abgeschlossenen Großprojektes SolarLIFE auf, das von der Universität Konstanz und dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg koordiniert wurde. SolarLIFE befasste sich mit Langzeit-Veränderungen in Solarzellen, die durch lange Betriebsdauer auftreten, darunter Degradationseffekte.
Beteiligte Einrichtungen
Das Projektkonsortium zu ZORRO besteht aus einem Zusammenschluss von vier Forschungseinrichtungen sowie zwei assoziierten Industriepartnern. Das Fraunhofer IISB aus Erlangen, welches das Vorhaben koordiniert, bringt seine Expertise im Bereich der Kristallzüchtung ein und übernimmt die Herstellung von gezielt verunreinigtem Silizium-Grundmaterial. Das International Solar Energy Research Center Konstanz e.V. (ISC) ist für die Herstellung von PERC-Solarzellen zuständig. Die Defekt- und Degradationsuntersuchungen werden wie oben beschrieben von der Universität Konstanz (UKN) sowie dem Institut für angewandte Physik (IAP) der Technischen Universität Bergakademie Freiberg (Sachsen) durchgeführt. Als assoziierte Industriepartner sind die Unternehmen Wacker Chemie AG und centrotherm international AG am ZORRO-Projekt beteiligt.
