Leistungseinbußen bei Silizium-Solarzellen schon bei der Herstellung verhindern

April 2024

Freie-PM.de: Von der Grundidee zur technischen Realisierung: Universität Konstanz investierte zehn Jahre Forschungs- und Entwicklungsarbeit

Eine der großen Herausforderungen beim Thema "Regenerative Energie" ist eine noch effizientere Nutzung der zur Verfügung stehenden Rohstoffe. Gerade bei der Stromgewinnung aus Sonnenlicht wird stetig an einer noch besseren Ausbeute geforscht. So hat sich in den vergangenen zehn Jahren der Wirkungsgrad von Solarzellen ständig verbessert. Vor rund 15 Jahren wurden durch Solarzellen maximal ca. 15 Prozent der Sonneneinstrahlung in Strom umgewandelt. Mittlerweile konnte der Wirkungsgrad auf ca. 20 Prozent gesteigert werden.

Dieser Wirkungsgrad wird allerdings nur mit monokristallinen Solarzellen erreicht. Diese werden überwiegend nach dem Czochralski(Cz)-Verfahren hergestellt, das gängigste Verfahren, mit denen monokristalline Solarzellen für den Weltmarkt hergestellt werden. Allerdings gibt es bei diesen Cz-Solarzellen unter Betriebsbedingungen den so genannten Effekt der Licht-induzierten Degradation (LID), infolge dessen der Wirkungsgrad einer Solarzelle aus Cz-Silizium innerhalb weniger Stunden unter Sonnenbestrahlung deutlich sinkt. Je nach verwendetem Material und Herstellungsprozess kann dies mehr als ein Prozent absolut Wirkungsgradverlust ausmachen.

Forscher der Abteilung für Photovoltaik der Universität Konstanz haben bereits 2006 eine Methode präsentiert, diesen Degradations-Effekt umzukehren bzw. rückgängig zu machen. Das von Axel Herguth, Svenja Wilking und Professor Giso Hahn über die Jahre weiter entwickelte und optimierte Verfahren lässt sich problemlos in bestehende Fertigungsprozesse integrieren. Dabei machten sich die Wissenschaftler zunutze, dass degradierte Solarzellen sich regenerieren lassen, wenn die Zellen bei Temperaturen über 100 Grad beleuchtet werden. Alternativ kann die Regeneration auch ohne Beleuchtung durch Anlegen einer Spannung erreicht werden.

Das Verfahren kann zu verschiedenen Zeitpunkten im Fertigungsablauf integriert werden, bei Solarzellen beispielsweise direkt nach dem Ko-Feuerungsschritt in der Produktionslinie oder auch separat am Ende des Herstellungsprozesses. Denkbar ist auch, dass die Regeneration erst bei fertigen Modulen angewendet wird.

Das wirtschaftliche Potential der Regeneration ist enorm: Wird der Degradationsverlust von einem Prozent absolut dadurch fast vollständig aufgehoben, bedeutet dies einen Ertragsgewinn bezogen auf die zusätzliche Leistung von ca. fünf Prozent, bei einer 100 MWp-Linie also deutlich über eine Million Euro pro Jahr. "Damit ist der Return of Invest innerhalb weniger Monate gewährleistet, was die wirtschaftliche Attraktivität und die industriellen Einsatzchancen dieser wegweisenden Technologie enorm erhöht", führt Professor Hahn aus, der die Photovoltaik-Aktivitäten an der Universität Konstanz leitet.

Patente für das Verfahren und den Regenerationsofen wurden in den wichtigsten Industrienationen und Regionen wie USA, Europa und China bereits erteilt. Inzwischen werden erste Anlagen mit dem patentierten Verfahren auch in der Produktion eingesetzt. Allerdings dürfte es inzwischen auch eine Reihe von Nachahmer-Produkten auf dem Markt geben. "Die Patente der Universität Konstanz hier durchzusetzen wird unsere Hauptaufgabe der kommenden Jahre", meint dazu Dr.-Ing. Hubert Siller, der zuständige Innovationsmanager bei TLB.

Dieses bekannte Verfahren wurde in den letzten beiden Jahren an der Universität Konstanz durch die Forscher Axel Herguth und Svenja Wilking entscheidend weiter entwickelt und modifiziert: Durch eine verbesserte Prozessführung während des Ko-Feuerschrittes lässt sich die Regeneration deutlich schneller durchführen. Dies erklären die Forscher u.a. mit der größeren Menge an freigesetztem Wasserstoff, der aus der Siliziumnitrid-Antireflexschicht während des Feuerschrittes in das Silizium abgegeben wird. Dadurch lässt sich der Prozess deutlich beschleunigen, gewinnt erheblich an Effizienz und kann z.B. im Inline-Verfahren in der industriellen Massenfertigung eingesetzt werden. Idealerweise schließt sich dieser Prozess in der Produktion an den Ko-Feuerungsschritt an oder kann sogar in diesen integriert werden. Professor Hahn sieht optimistisch in die Zukunft: "Wir gehen davon aus, dass das bei uns entdeckte und entwickelte Regenerations-Verfahren fester Bestandteil vieler neuer Solarzellen-Produktionslinien sein wird, da sich damit hohe und unter Beleuchtung stabile Wirkungsgrade erzielen lassen, die derzeit vom Markt nachgefragt werden. Aber auch bestehende Produktionslinien lassen sich relativ einfach mit der Regenerations-Technologie nachrüsten."

Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Universität Konstanz bei der Patentierung und Vermarktung der Innovation. TLB ist im Auftrag der Universität mit der weltweiten wirtschaftlichen Umsetzung dieser zukunftsweisenden Technologie beauftragt. Für weitere Informationen: Dr.-Ing. Hubert Siller, Mail: siller@tlb.de
Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH ist eine Agentur für Erfindungs- und Patentmanagement in Deutschland. TLB begleitet Erfindungen von Hochschulen, Unternehmen und Erfindern auf ihrem Weg von der ersten Idee bis zum wirtschaftlichen Produkt.
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Von der Grundidee zur technischen Realisierung: Universität Konstanz investierte zehn Jahre Forschungs- und Entwicklungsarbeit

Eine der großen Herausforderungen beim Thema "Regenerative Energie" ist eine noch effizientere Nutzung der zur Verfügung stehenden Rohstoffe. Gerade bei der Stromgewinnung aus Sonnenlicht wird stetig an einer noch besseren Ausbeute geforscht. So hat sich in den vergangenen zehn Jahren der Wirkungsgrad von Solarzellen ständig verbessert. Vor rund 15 Jahren wurden durch Solarzellen maximal ca. 15 Prozent der Sonneneinstrahlung in Strom umgewandelt. Mittlerweile konnte der Wirkungsgrad auf ca. 20 Prozent gesteigert werden.

Dieser Wirkungsgrad wird allerdings nur mit monokristallinen Solarzellen erreicht. Diese werden überwiegend nach dem Czochralski(Cz)-Verfahren hergestellt, das gängigste Verfahren, mit denen monokristalline Solarzellen für den Weltmarkt hergestellt werden. Allerdings gibt es bei diesen Cz-Solarzellen unter Betriebsbedingungen den so genannten Effekt der Licht-induzierten Degradation (LID), infolge dessen der Wirkungsgrad einer Solarzelle aus Cz-Silizium innerhalb weniger Stunden unter Sonnenbestrahlung deutlich sinkt. Je nach verwendetem Material und Herstellungsprozess kann dies mehr als ein Prozent absolut Wirkungsgradverlust ausmachen.

Forscher der Abteilung für Photovoltaik der Universität Konstanz haben bereits 2006 eine Methode präsentiert, diesen Degradations-Effekt umzukehren bzw. rückgängig zu machen. Das von Axel Herguth, Svenja Wilking und Professor Giso Hahn über die Jahre weiter entwickelte und optimierte Verfahren lässt sich problemlos in bestehende Fertigungsprozesse integrieren. Dabei machten sich die Wissenschaftler zunutze, dass degradierte Solarzellen sich regenerieren lassen, wenn die Zellen bei Temperaturen über 100 Grad beleuchtet werden. Alternativ kann die Regeneration auch ohne Beleuchtung durch Anlegen einer Spannung erreicht werden.

Das Verfahren kann zu verschiedenen Zeitpunkten im Fertigungsablauf integriert werden, bei Solarzellen beispielsweise direkt nach dem Ko-Feuerungsschritt in der Produktionslinie oder auch separat am Ende des Herstellungsprozesses. Denkbar ist auch, dass die Regeneration erst bei fertigen Modulen angewendet wird.

Das wirtschaftliche Potential der Regeneration ist enorm: Wird der Degradationsverlust von einem Prozent absolut dadurch fast vollständig aufgehoben, bedeutet dies einen Ertragsgewinn bezogen auf die zusätzliche Leistung von ca. fünf Prozent, bei einer 100 MWp-Linie also deutlich über eine Million Euro pro Jahr. "Damit ist der Return of Invest innerhalb weniger Monate gewährleistet, was die wirtschaftliche Attraktivität und die industriellen Einsatzchancen dieser wegweisenden Technologie enorm erhöht", führt Professor Hahn aus, der die Photovoltaik-Aktivitäten an der Universität Konstanz leitet.

Patente für das Verfahren und den Regenerationsofen wurden in den wichtigsten Industrienationen und Regionen wie USA, Europa und China bereits erteilt. Inzwischen werden erste Anlagen mit dem patentierten Verfahren auch in der Produktion eingesetzt. Allerdings dürfte es inzwischen auch eine Reihe von Nachahmer-Produkten auf dem Markt geben. "Die Patente der Universität Konstanz hier durchzusetzen wird unsere Hauptaufgabe der kommenden Jahre", meint dazu Dr.-Ing. Hubert Siller, der zuständige Innovationsmanager bei TLB.

Dieses bekannte Verfahren wurde in den letzten beiden Jahren an der Universität Konstanz durch die Forscher Axel Herguth und Svenja Wilking entscheidend weiter entwickelt und modifiziert: Durch eine verbesserte Prozessführung während des Ko-Feuerschrittes lässt sich die Regeneration deutlich schneller durchführen. Dies erklären die Forscher u.a. mit der größeren Menge an freigesetztem Wasserstoff, der aus der Siliziumnitrid-Antireflexschicht während des Feuerschrittes in das Silizium abgegeben wird. Dadurch lässt sich der Prozess deutlich beschleunigen, gewinnt erheblich an Effizienz und kann z.B. im Inline-Verfahren in der industriellen Massenfertigung eingesetzt werden. Idealerweise schließt sich dieser Prozess in der Produktion an den Ko-Feuerungsschritt an oder kann sogar in diesen integriert werden. Professor Hahn sieht optimistisch in die Zukunft: "Wir gehen davon aus, dass das bei uns entdeckte und entwickelte Regenerations-Verfahren fester Bestandteil vieler neuer Solarzellen-Produktionslinien sein wird, da sich damit hohe und unter Beleuchtung stabile Wirkungsgrade erzielen lassen, die derzeit vom Markt nachgefragt werden. Aber auch bestehende Produktionslinien lassen sich relativ einfach mit der Regenerations-Technologie nachrüsten."

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