Korngrenzen-Metallisierung von Silizium-Solarzellen

Forschungsprojekt P 14432Korngrenzen-Metallisierung von Silizium-SolarzellenJohann SUMMHAMMER08.05.2000 Solarzellen aus multikristallinem Silizium sind eine billigere Alternative zu Zellen aus monokristallinem Silizium. Jedoch haben sie einen niedrigeren Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. In diesem Projekt untersuchen wir, ob die von multikristallinen Solarzellen erzeugte elektrische Leistung erhöht werden kann, wenn man die dünnen metallischen Bahnen an der Frontseite der Solarzelle, welche zur Sammlung der Elektronen benötigt werden, möglichst weitgehend über den Korngrenzen zwischen den einzelnen Kristalliten anbringt. Aus Berechnungen geht eine solche Erhöhung hervor, und auch experimentelle Untersuchungen an k1einen Proben, an welchen die Metallbahnen per Hand aufgebracht wurden, bestätigen dies. Die Methode erhielt kürzlich ein österreichisches Patent. Im gegenständlichen Projekt sollen die Korngrenzen an multikristallinen Silizium-Wafern einer Grösse von 100 x 100 mm2 mittels Methoden der Mustererkennung automatisch detektiert werden. Das Aufbringen der dünnen Metallbahnen über den Korngrenzen soll ebenfalls automatisch durchgeführt werden. Dadurch wird der subjektive Einfluss bei der Auswahl der zu metallisierenden Korngrenzen eliminiert. Durch die detaillierte Charakterisierung der solcherart hergestellten Solarzellen ist eine eindeutige Aussage darüber zu erwarten, ob die Korngrenzenkontaktierung von Siliziumsolarzellen zu erhöhtem Wirkungsgrad führt, und ob dies auch bei Übernahme in die industrielle Herstellung zu erwarten ist.

Die Produktion der weltweiten Solarzellenindustrie wuchs 2001 und 2002 jeweils um 39%. Die Leistungsfähigkeit der Solarzellen aus diesen beiden Jahren beträgt zusammen über 900 MW. Damit könnte in den Mittagsstunden eines sonnigen Tages ein großes Kernkraftwerk ersetzt werden. Rund 50% dieser Solarzellen wurden aus multikristallinem Silizium hergestellt, das damit zum führenden Grundmaterial geworden ist, und dies voraussichtlich in den nächsten 10 Jahren bleiben wird. Am Atominstitut der Technischen Universität Wien wird seit einigen Jahren an diesem Grundmaterial geforscht. In diesem Projekt sollte eine neuartige Kontaktstruktur auf die Solarzellen aufgebracht werden, die die Leistungsfähigkeit erhöht. Dabei wird jede Siliziumscheibe, die später in eine Solarzelle prozessiert wird, mit hochauflösender Optik fotographisch abgetastet. Mittels Bildverarbeitung wird die makroskopische Struktur der Grenzen zwischen den einzelnen Kristallen, aus denen die Scheibe besteht, identifiziert. Dann wird unter Zugrundelegung dieser Grenzlinien ein Metallisierungsnetz berechnet, das möglichst entlang dieser Linien verläuft. In einem weiteren Arbeitsschritt wird das Metallisierungsnetz automatisch aufgebracht, wobei zwei verschiedene Verfahren entwickelt wurden. In beiden Verfahren zeigt sich, dass die mit dem neuen Metallnetz zur Stromsammlung ausgestatteten Solarzellen zwischen 2.5 und 8% mehr elektrische Leistung bringen als vergleichbare Solarzellen, die mit dem bisher in der Industrie üblichen Kontaktschema versehen waren. Vor allem Siliziumscheiben aus qualitativ minderwertigem Grundmaterial zeigten hohe Verbesserung. Dies könnte den Einsatz billigeren Ausgangsmaterials bei gleichzeitiger Steigerung der elektrischen Leistung ermöglichen.