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Mit einem Anteil von über 90 Prozent dominieren Solarzellen aus kristallinem Silicium den Photovoltaik-Markt. Aufgrund technologischer Fortschritte nähern sich ihre Wirkungsgrade von bis zu 26 Prozent bereits dem theoretischen physikalischen Limit des Halbleitermaterials Silicium (29,4 %). Diese hohen Rekordwirkungsgrade können allerdings nur erreicht werden, wenn die Solarzellen im IBC-Design (interdigitated back contact) hergestellt werden, also mit beiden Metallkontakten auf der Rückseite. In Praxis und Industrie haben sich jedoch – aufgrund ihrer geringeren Komplexität und der einfachen Handhabbarkeit – beidseitig kontaktierte Solarzellen etabliert.

Daher entwickelten Solarzellenforscherinnen und -forscher des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE einen neuen Ansatz, mit dem auch beidseitig kontaktierte Solarzellen höchste Wirkungsgrade erzielen können. Grundlage für diesen Durchbruch ist die im Hause entwickelte TOPCon-Technologie (Tunnel Oxide Passivating Contact), die sehr niedrige Oberflächenrekombinationsverluste mit effizientem Ladungsträgertransport kombiniert. Während industrielle Standardzellen über einen vorderseitigen pn-Übergang verfügen, wurde bei der Rekordzelle der pn-Übergang auf der Rückseite in Form eines vollflächigen TOPCon-Kontakts ausgebildet. Zellen dieser Art (TOPCon Rear Emitter Solarzelle) erlauben höhere Spannungen und höhere Füllfaktoren als Zellen mit sammelndem Emitter auf der Vorderseite. Eine detaillierte Verlustleistungsanalyse zeigt, dass diese Zelle sowohl Elektronen- und Lochtransportverluste als auch Transport- und Rekombinationsverluste ausgleicht und minimiert.

Ein großer Vorteil dieses neuen Zelltypus ist, dass der folgende Produktionsschritt – die Verschaltung der Solarzellen zu Solarmodulen – mithilfe bereits etablierter Technologien und Standardverfahren durchgeführt werden kann.

„Aus einer systematischen Simulationsstudie konnten wir einige grundlegende Designregeln für zukünftige Silizium-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 26 Prozent ableiten. Beidseitig kontaktierte Solarzellen haben das Potenzial für Wirkungsgrade bis zu 27 Prozent und sind damit auch geeignet, den bisherigen Weltrekord für Silizium-Solarzellen zu übertreffen“, erklärt Prof. Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik-Forschung am Fraunhofer ISE.

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