Photovoltaik
Kupfer ist das neue Silber

Perspektivisch muss Silber als Metallkontakt von Solarzellen ersetzt werden: Während aktuell rund 1 Terawatt Photovoltaikleistung weltweit installiert sind, werden ab circa 2030 in jedem einzelnen Jahr Zuwächse in der Größenordnung eines Terawatts nötig. Bereits jetzt benötige die Photovoltaikbranche rund 20 Prozent des weltweit abgebauten Silbers, so Dr. Sven Kluska vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Teilprojektleiter entsprechender Förderprojekte. Und die Konkurrenz wächst ebenfalls: Silber ist ebenso ein wichtiges Material für Elektronik sowie für Batterien. Ein weiteres Problem ist die schwierige politische Lage in den Abbauländern, wie etwa China oder Russland.

Herausforderung: Kupfer erzeugt Defekte im Silizium

Kupfer ist ein adäquater Ersatz, ebenfalls sehr leitfähig, und gehört zur selben chemischen Hauptgruppe wie Silber. Lange Zeit konnte sich die Photovoltaikbranche jedoch nicht für das Material erwärmen: Es hat die nachteilige Eigenschaft, in die Siliziumschicht der Solarzelle zu diffundieren und dort Defekte zu erzeugen. Für das Problem haben die Projektpartner RENA Technologies – ein Anlagenbauunternehmen – und das Fraunhofer ISE in aufeinander aufbauenden Forschungsprojekten eine Lösung gefunden: „Unser Trick ist, zwischen Silizium und Kupfer eine dünne Nickelschicht als Barriere einzufügen“, erklärt Kluska. Das wiederum gelinge am besten durch galvanisches Abscheiden von Nickel und Kupfer. Elektrischer Strom sorgt hierbei dafür, dass sich geladene Kupferteilchen am Zielort abscheiden und somit leitfähige Kupferleiterbahnen bilden.

Industrielle Prozesse mit geringem Durchsatz von TOPCon-Solarzellen bereits erfolgreich

Im Forschungsprojekt GROSCHEN legten die Projektpartner den Grundstein. Sie wiesen den guten Wirkungsgrad der Solarzellen nach, die mit Kupferkontakten ausgerüstet waren. Im aktuell endenden Projekt TALER ging es anschließend darum, die Prozesse zu optimieren, um etwa die Zeiten zu verkürzen und etablierte Prozesse nutzbar zu machen. „Wir haben eine sehr gute industrielle Zelle mit galvanischen Kontakten erzeugt“, so Kluska, „das war eins der Highlights des Projekts.“ Nun gehe es darum, diese Prozesse vom Laborlevel auf den benötigten Durchsatz von mehreren tausend Wafern pro Stunde hochzuskalieren. Eine aktuelle Herausforderung im jetzt gestarteten Projekt Indianapolis sei etwa die Haftung der Kontakte. „Neben der Erhöhung des Durchsatzes arbeiten wir an der Anlagen- und Prozessoptimierung, sodass auch größere Waferformate (bis G12) bearbeitet werden können“, berichtet Dr. Mathias Kamp, Projektkoordinator der Forschungsarbeiten. Die Laborzelle sei noch zu klein für den heutigen Standard.

Dabei setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Zellkonzepte der nächsten Generation. Die Wahl der Projektpartner fiel auf das Zellkonzept TOPCon. Dabei erhöhen unterschiedliche funktionale Schichten die Effizienz dieser Zellen im Vergleich zur etablierten PERC-Solarzelle. „Neue Produktionsstandorte setzen mittlerweile auf die neuen Konzepte“, erklärt Sven Kluska. Perspektivisch werden diese die PERC-Zelle ablösen. (mb)