Verbundvorhaben: Hochleitfähige transparente Oxide für die Photovoltaik; Teilvorhaben: Anwendung auf Tandemsolarzellen, Modulintegration und Charakterisierung von Siebdruck-freien Solarzellen

Abstract

Im Projekt TOP sollten Heterojunction (HJT) Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden für die Massenproduktion entwickelt werden. Dabei sollten Lösungen entwickelt werden, um die Materialkosten zu senken durch den Einsatz alternativer Materialien bei den leitfähigen transparenten Oxiden (TCOs) und durch die Vermeidung einer Siebdruckmetallisierung. Für diese Solarzellen ohne Metallstruktur sollten zur Zellcharakterisierung und Modulintegration angepasste Kontaktierungsverfahren entwickelt werden. Ein weiterer Aspekt betrifft die weitere Steigerung des Wirkungsgrads durch die Stapelung der HJT Zelle mit einer Perowskitsolarzelle, ebenfalls mit Indium feien TCOs. Dazu wurde am ISFH ein Indium freies TCO mittels Sputtern entwickelt. Nach einer Literaturrecherche haben wir uns am ISFH für Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO) entschieden. Auf einer industriellen Durchlaufanlage wurden AZO Schichten mit einer Mobilität von ~17 cm²/Vs bei einer durchschnittlichen Transmission im Bereich 300 bis 1300 nm von ~92 % bei 200°C entwickelt. Diese Ergebnisse wurden dann auf eine Anlage bei Meyer Burger übertragen. Dort wurden Solarzellen mit über 24% Wirkungsgrad hergestellt, bei der das Rückseiten ITO komplett durch AZO ersetzt wurde. Das AZO wurde auch für die Perowskit-Siliziumtandemsolarzellen eingesetzt. Dafür stellte Meyer-Burger HJT-Bottomsolarzellen mit AZO auf der Vorderseite her und am ISFH wurde die Perowskit-Topsolarzelle hergestellt. Die Haftung der Perowskitschicht auf dem AZO konnte durch eine Ozon-Vorbehandlung optimiert werden, sodass die texturierte Siliziumoberfläche vollständig durch den Perowskiten bedeckt ist. Die Tandemsolarzelle zeigte eine gute offene Klemmspannung von 1744 mV. Der Wirkungsgrad der besten Perowskit-Siliziumsolarzelle beträgt 21% und ist durch den geringen Füllfaktor von 62% limitiert. Die Ursache hierfür sind vermutlich Stromtransportprobleme, da der pFF bei 82% liegt und somit die Rekombination oder ein Kurzschluss kein Problem zu sein scheint. Die pseudo Effizienz der Solarzelle liegt bei 27,7%. Zur Charakterisierung von Perowskitsolarzellen wurde ein IV-Tester in einer Handschuhbox aufgebaut, um diese unabhängig von Umwelteinflüssen in definierter sauerstoff- und wasserfreien Atmosphäre messen zu können. Der IV-Tester wurde in über 50 Chargen genutzt und trug dazu bei, den Fortschritt der Perowskitsolarzellen unabhängig von Degradation durch die normale Atmosphäre beurteilen zu können. Zur Kostenreduktion von Heterojunction (HJT)-Solarzellen soll das Metallgitter aus Silber weggelassen werden. Dafür ist bei der Verschaltung der Zellen zum Modul ein niedrigohmiger elektrischer Kontakt von lotummantelten SmartWire-Drähten zum TCO der Heterojunction-Zellen notwendig. Ohne weitere Modifikation war der Kontaktwiderstand um mehr als eine Größenordnung zu hoch. Es wurden verschiedene Modifikationen an der Siliziumoberflächenstruktur, den TCO Eigenschaften und des Lots vorgenommen. Diese Änderungen führten jedoch nicht zur notwendig niedrigen Kontaktwiderständen. Die Beschichtung mit extrem dünnem Ag und ZnO war die einzige Kombination, die zu einem sehr guten Kontaktwiderstand von (8.5 ± 0.1) mΩcm² und einer Schichtleitfähigkeit von 1-5 Ohm geführt hat, welches für eine siebdruckfreie Kontaktierung notwendig ist. Hohe laterale Leitfähigkeiten im Front-TCO der Solarzelle und hohe Kontaktwiderstände von Nadel zu TCO erschweren die Messung siebdruckfreier Solarzellen und die korrekte Beurteilung der Messung. Deswegen wurden in TOP eine neue Kontakteinheit entwickelt mit möglichst sanften Kontaktleisten, um die Zelle nicht zu beschädigen. Der Messrahmen verfügt über zwei unabhängige Sensekontakte an verschiedenen Positionen, die alternierend geschaltet werden können. Beim ersten Sensekontakt wird der Widerstand der Vorderseite vernachlässigt, wie bei Zellmessungen üblich. Mit dem zweiten Sensekontakt wird der Widerstand mitgemessen, sodass ein für ein Modul realistischer Füllfaktor gemessen wird. The TCO most commonly used for HJT cells and the recombination layer and back contacts in tandem solar cells at the start of the project was tindoped indium oxide In2O3:Sn (ITO), which offers high conductivity and transparency at low process temperatures. As indium is too expensive, it has to be replaced by alternative TCOs. In the TOP project, AZO layers were developed for the HJT cells and the TCO layers of the tandem solar cells. The AZO was developed at ISFH on an industrially relevant system with sputtering. A mobility of ~17 cm²/Vs with an average transmission of ~92 % in the 300 to 1300 nm range was achieved, which fulfilled the project objective (mobility = 15 cm²/Vs and transmission = 80 %). The developed AZO layers thus enable cost-effective production of HJT and tandem solar cells. Screen-print-free solar cells enable a further reduction in costs. Direct contacting of TCO layers with the aim of deriving current densities of up to 40 mA/cm2 from a solar cell and at the same time limiting the shading of the solar cell to less than 10% has not yet been realised. In the TOP project, a special contact unit was developed for this purpose. This consists of 23 very slim low shading and gently contacting measuring strips, which can measure the solar cell grid resistance-free or including the resistances as present in the module using two different sense contact strips. This contact unit enables non-destructive, gentle temporary measurement of the screen-print-free solar cells. An ageing-stable permanent cell connection of the screen-print-free solar cells has hardly been investigated to date. In the TOP project, a very thin transparent Ag alloy was developed, which enabled sufficient lateral conductivity and a sufficiently low wire-to-TCO contact resistance. This enables the production of indium-free and screen-printing-free solar modules, which offers significant savings potential.