Schlussbericht zum Teilvorhaben: Indium-freie transparente leitfähige Oxide mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung für Silizium-heterostruktur-Solarzellen und Silizium/Perowskit-Tandemsolarzellen; des Verbundprojektes: Hochleitfähige transparente Oxide für die Photovoltaik; Akronym: TOP

Abstract

Um die Systemkosten bei Photovoltaikanlagen und somit den Strom aus erneuerbaren Energien weiter zu senken, ist es nötig, den Wirkungsgrad der PV-Module deutlich zu steigern. Siliziumsolarzellen mit Heterostruktur-Technologie (heterojunction technology, HJT) zeichnen sich durch sehr hohe Wirkungsgrade von über 25 % [1], höhere Erträge im Feld [2] und geringe spezifische Herstellungskosten wegen der im Vergleich zu anderen Hocheffizienzzellen stark reduzierten Anzahl an Prozessschritten aus [3,4]. Zudem sind sie die Basis für die bisher höchsten Wirkungsgrade (29,2 %) von Silizium/Perowskit-Tandemsolarzellen [5]. Zu den kostenintensivsten und technisch besonders anspruchsvollen Prozessen für beide Zelltechnologien – HJT-Solarzellen und Silizium/Perowskit-Tandemsolarzellen – zählt die Herstellung ihrer elektrischen Kontakte aus Zinn-dotiertem Indiumoxid (indium tin oxide, ITO) mittels Sputtern. Dies liegt insbesondere an den Kosten und der geringen Verfügbarkeit des Indiums, aber auch an den Sputter-Schäden in den Solarzellen. In diesem Projekt werden Indium-freie transparente leitfähige Oxide (transparent conductive oxides, TCOs) mit der schädigungsärmeren plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapour deposition, PECVD) entwickelt. Zudem bietet der PECVD-Prozess wegen der Verwendung von Gasen die Möglichkeit, die Materialzusammensetzung einfacher zu variieren, da diese nicht durch die Zusammensetzung des Sputter-Targets weitestgehend vorgegeben wird. Dies hat Vorteile bei der Entwicklung der Schichten, bietet aber auch die Möglichkeit die Materialeigenschaften während des Schichtwachstums an die Anforderungen in der Solarzelle anzupassen. In order to further reduce the system costs of photovoltaic systems, it is necessary to significantly increase the efficiency of PV modules. Silicon solar cells with heterojunction technology (HJT) are characterized by very high efficiencies of over 25 % and higher yields in the field. One of the most cost-intensive processes is the production of the electrical contacts from tin-doped indium oxide (ITO) using sputtering. In this project, indium-free transparent conductive oxides (TCOs) were developed using the less damaging plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process. In addition, the PECVD process offers the possibility of varying the material composition more easily due to the use of gases, as this is not largely determined by the composition of the sputtering target. This has advantages in the development of the layers, but also offers the possibility of adapting the material properties to the requirements in the solar cell during layer growth. The project was divided into various work packages: One work package focused on the development of indium-free TCOs using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Following the conversion of a PECVD system, various process parameters were tested in order to achieve industrially suitable coatings with optimum properties and high environmental stability. In another, comparable TCO coatings were produced by sputtering. The coatings produced in this way serve as a reference for the PECVD TCOs. Here, too, the properties will be comprehensively characterized and optimized. In another work package, the TCOs developed are used in HJT and tandem solar cells. The processes were adapted to the respective cell requirements and aspects such as transparency, electrical contact and stability were investigated. In the project, indium-free TCOs were produced using PECVD and sputtering for use in SHJ solar cells.