Die jüngsten Fortschritte in der Fertigung von TOPCon-Solarzellen zeigen, dass hochmoderne Verfahren wie Laserbearbeitung und chemische Ätzung signifikante Effizienzsteigerungen ermöglichen. Eine in China entwickelte, laser-unterstützte Poly-Si-Finger-Kontakt-Fertigung kombiniert Picosekunden-Lasermodifikation mit Kaliumhydroxid-(KOH-)Nassätzung, um parasitäre Absorption zu reduzieren und die Gesamteffizienz industrieller n-Typ-TOPCon-Solarzellen zu erhöhen.
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Laser-unterstützte Poly-Si-Finger-Kontakt-Fertigung für TOPCon-Solarzellen
Forscher der Yangzhou University haben ein Verfahren entwickelt, das eine präzise, lokalisierte Modifikation der Poly-Si-Schicht ermöglicht. Durch selektives Entfernen von Poly-Si in nicht-metallisierten Bereichen wird die parasitäre optische Absorption gesenkt, während die Passivierung und der Ladungstransport im Kontaktbereich erhalten bleiben. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- Texturierung der n-Typ-Siliziumwafer mittels KOH-basierter Alkaliettung zur Bildung lichtlenkender Pyramiden.
- Boron-Dotierung und laserbasierte selektive Emitter-Bildung.
- Aufbringen eines SiOx/Poly-Si-Passivierungsschichtstapels per LPCVD und anschließendes Annealing.
- Selektives Entfernen von SiOx/Poly-Si-Bereichen mit einem picosekunden-grünen Laser.
- KOH-Nassätzung, um Poly-Si-Lücken in den nicht-metallisierten Zonen zu erzeugen.
- Aufbringen von Front- und Rückseiten-Passivierungsschichten, Siebdruck-Silber-Elektroden und abschließendes Firing.
Die Kombination aus Laser- und KOH-Prozess erlaubt eine feine Abstimmung zwischen optischer Gewinnung und elektrischen Verlusten. Eine zu starke Laserenergie erhöht die Modifikationstiefe, kann jedoch die Passivierung beschädigen. Ebenso führt ein zu langes KOH-Eintauchen zu Randrauheiten und Rekombinationsverlusten.
Erreichte Effizienzwerte
Die optimierte Fertigungsmethode hat in Labor- und Zertifizierungsprüfungen eine beeindruckende Effizienz von 26,08 % erreicht. Diese Zahl wurde von Deutschland-Institut für Sonnenenergie-Forschung Hamelin (ISFH) zertifiziert und stellt einen bedeutenden Fortschritt gegenüber herkömmlichen TOPCon-Zellen dar.
- Zertifizierte Effizienz: 26,08 % (Jahr 2026)
- Erreicht durch: fortschrittliche Lasermodifikation und KOH-Ätzen
Einfluss der KOH-Ätzung auf die Poly-Si-Struktur
Die Forschung hat gezeigt, dass die KOH-Reinigungszeit einen direkten Einfluss auf die Morphologie der Poly-Si-Struktur hat. Eine optimierte Ätzzeit verbessert die elektrischen Eigenschaften und reduziert gleichzeitig parasitäre Absorption.
Optimale Ätzzeit und ihre Auswirkungen
Ein KOH-Ätzzeit von 480 Sekunden wurde als optimal identifiziert. Unter dieser Bedingung wurden die besten Werte für offene Spannung, Füllfaktor und Ladungsträgerlebensdauer gemessen.
- Optimale Ätzzeit: 480 s (Jahr 2026)
- Effekt: Verbesserung der Poly-Si-Morphologie, höhere Effizienz, reduzierte parasitäre Absorption
Technische Kennzahlen der Champion-Zelle
- Öffenspannung (Voc): 746,1 mV (Jahr 2026, Quelle S1)
- Stromdichte (Jsc): 14 014 mA (Jahr 2026, Quelle S1)
- Füllfaktor (FF): 83,6 % (Jahr 2026, Quelle S1)
Diese Kennzahlen belegen, dass die Kombination aus Laser- und KOH-Prozess nicht nur die optische Performance steigert, sondern auch die elektrischen Eigenschaften der Zelle auf ein hohes Niveau hebt.
Potenzielle Herausforderungen bei industrieller Umsetzung
- Mögliche Komplexität: Die Herstellungskosten und die technologische Machbarkeit könnten die breitere Anwendung dieser Technologie einschränken.
Obwohl das Verfahren skalierbar ist, erfordert die präzise Abstimmung von Laser-Energie-Dichte, Überlappungs-Ratio und KOH-Ätzzeit eine enge Prozesskontrolle, die in groß-industriellen Linien zusätzliche Investitionen bedeuten kann.
Häufig gestellte Fragen zu TOPCon-Solarzellen
Was sind TOPCon-Solarzellen?TOPCon-Solarzellen sind eine Weiterentwicklung von n-Typ-Silizium-Solarzellen, die passivierende Kontakte auf der Rückseite verwenden, um Effizienzverluste zu minimieren.
Fazit
Die laser-unterstützte Poly-Si-Finger-Kontakt-Fertigung demonstriert, dass durch gezielte Kombination von Picosekunden-Lasermodifikation und KOH-Nassätzung Effizienzwerte von über 26 % realisierbar sind. Die optimierte KOH-Ätzzeit von 480 s verbessert die Poly-Si-Struktur und trägt maßgeblich zu den hohen Kennzahlen von Voc, Jsc und FF bei. Trotz potenzieller Kosten- und Komplexitätsfragen bietet das Verfahren ein vielversprechendes Potenzial für die industrielle Fertigung von Hoch-Effizienz-TOPCon-Solarzellen und unterstützt damit die Weiterentwicklung erneuerbarer Energien.
