Polykristalline Silizium-Dünnfilm-Solarzellen auf Glas

Kommerzielle Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikmodule auf Glas basieren heutzutage entweder auf amorphem (a-Si:H) oder auf der Kombination von amorphem und mikrokristallinem Silizium (a-Si:H/µc-Si:H). Um mit Modulen, die wafer-basierte Si-Solarzellen verwenden, konkurrieren zu können, wird eine neue Si-Dünnschichttechnologie benötigt, die die Möglichkeit bietet, die Limitierungen der etablierten Si-Dünnschichttechnologien zu überwinden. Dünne polykristalline Silizium (poly-Si) Schichten auf Glas scheinen hierfür ein attraktiver Kandidat zu sein, da sie das Potenzial besitzen, die Vorteile der Dünnschichttechnologien (z.B. geringe Kosten) mit den Vorteilen der wafer-basierten Si-Photovoltaik (hohe Wirkungsgrade) zu kombinieren.

Bis vor kurzer Zeit stellte die Festphasenkristallisation (SPC – solid phase crystallisation) von amorphem Si die vielversprechendste Technik für die Bildung von poly-Si Schichten auf Glas dar. Mit dieser Technologie erreichte CSG Solar einen „single-junction“ Rekordwirkungsgrad von 10,5% [1]. Allerdings verhinderte die allgemeine Limitierung der Leerlaufspannung (Voc - open circuit voltage) des SPC-Materials auf ca. 500mV/Zelle einen kommerziellen Durchbruch dieser Technologie.

Im Jahr 2011 stellten die TU-Hamburg-Harburg und das Helmholtz-Zentrum Berlin eine neue Art von poly-Si Dünnschichtsolarzelle auf Glas mit einer Leerlaufspannung von 545mV vor – deutlich oberhalb der Limitierung des SPC-Materials [2]. Die poly-Si Schicht dieser Solarzelle wurde mittels Elektronenstrahl-Kristallisation (EBC - electron-beam crystallization) über die Flüssigphase kristallisiert. Mittlerweile wurde mit dieser Technik bereits eine Leerlaufspannung oberhalb von 580mV erreicht. Der EBC-Prozess basiert auf einem linienförmigen Elektronenstrahl, der über die Silizium-Schicht auf Glas mit einer Geschwindigkeit von ca. 1cm/s gezogen wird. Parallel dazu wird ein analoger Laser-Kristallisationsprozess (LC – laser crystallization) als Alternative zur Elektronenstahl-Kristallisation (EBC) untersucht. Im Falle der Laser-Kristallisation (LC) wird der linienförmige Elektronenstrahl durch einen linienförmigen Laserstrahl, der durch einen cw-Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 808nm erzeugt wird, ersetzt. Beide Techniken (EBC und LC) ermöglichen die Herstellung von poly-Si Schichten, die mehr dem wafer-basiertem multikristallinen Si als dem SPC-basierten Si ähneln. Die mittels EBC oder LC gebildeten poly-Si Schichten weisen langgestreckte Körner mit einer Weite von ca. 100µm und einer Länge von ca. 1cm auf – viel größer als die Korngröße von SPC-Material, die typischerweise 1-3µm beträgt. Mit dem LC-Prozess haben die University of New South Wales in Australien und Suntech R&D Australia vor kurzem einen neuen „single-junction“ Rekordwirkungsgrad für poly-Si Dünnschichtsolarzellen auf Glas erreicht: 11,7% [3].

Berücksichtigt man (i) die hohe Qualität des mittels EBC oder LC flüssigphasenkristallisierten Siliziums auf Glas (LPCSG – liquid-phase crystallized silicon on glass) , (ii) den sehr frühen Entwicklungsstand, (iii) die Tatsache, dass bisher weltweit nur sehr wenige Personen auf diesem Gebiet gearbeitet haben und (iv) den enormen Fortschritt, den man in extrem kurzer Zeit gemacht hat, so kann man erwarten, dass mit dieser neu entstandenen poly-Si Dünnschicht-Technologie in den nächsten Jahren „single-junction“ Wirkungsgrade von 15% oder sogar darüber hinaus erreicht werden können.

Literatur:


[1] M.J. Keevers, T.L. Young, U. Schubert, M.A. Green: ‘10% efficient CSG minimodules’, Proc. of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, Italy (2007) 1783.
[2] D. Amkreutz, J. Müller, M. Schmidt, T. Hänel, T.F. Schulze: ‘Electron-beam crystallized large grained silicon solar cell on glass substrate’, Progress in Photovoltaics 19 (2011) 937.
[3] J. Dore, D. Ong, S. Varlamov, R. Egan, M.A. Green: ‘Progress in Laser-Crystallised Thin-Film Polycrystalline Silicon Solar Cells‘, Proc. of the 39th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Tampa (FL), USA (2013), in press.


Kornstruktur einer flüssigphasenkristallisierten Silizium-Schicht auf Glas (EBSD-Bild)