Das PSI-Modulprojekt
Die Herstellung von reinem Silicium ist aufwändig, weshalb kristallines Silicium ein teurer Rohstoff ist. So werden große Anstrengungen unternommen, den Bedarf an Silicium pro Wattpeak elektrischer Leistung zu reduzieren. Das ist möglich, indem die Dicke des Wafers von derzeit gut 300 µm auf Dicken unter 30 µm reduziert wird. Genau dies ist das Ziel der Dünnschichtsiliciumgruppe des ISFH. Wir berichten hier über den Status unseres Dünnschichtprojektes, das mit dem Wechsel von Rolf Brendel vom ZAE Bayern an das ISFH transferiert wurde(3). Dünnschicht-Siliciumphotovoltaik ist ein neuer Arbeitsschwerpunkt am ISFH.
Der am ISFH bearbeitete Dünnschichtprozess(4) (PSI-Prozess) ist in Abbildung 22 schematisch dargestellt. "PSI" steht für poröses Silicium, welches in dieser Technologie eine wichtige Rolle spielt. Der PSI-Prozess ist ein Schichttransferprozess, der den Vorteil bietet, die Erzeugung einer hochwertigen monokristallinen Schicht mit der Verwendung eines kostengünstigen Trägersubstrats zu verbinden.
Der PSI-Prozess beginnt mit der elektrochemischen Porosizierung eines texturierten Siliciumsubstrats. Diese poröse Schicht hat zwei Aufgaben. Zum einen dient sie als Sollbruchstelle beim späteren Schichttransfer und zum anderen dient sie als Startschicht für die nachfolgende Siliciumepitaxie. In einem Reaktor für chemische Gasphasenabscheidung wird unter Atmosphärendruck eine Si-Schicht homoepitaktisch abgeschieden. Dann wird die Solarzelle auf der zugänglichen Oberfläche fertiggestellt, bevor sie mit dieser Seite auf dem Glasträger unter Verwendung eines transparenten Klebers befestigt wird. Die dünne Si-Schicht lässt sich an der porösen Sollbruchstelle vom Si-Substrat ablösen. Nun wird die Rückseite der Solarzelle oder des Solarmoduls fertiggestellt. Der Substratwafer steht nach einer Reinigung und erneuten Textur für die Herstellung einer weiteren dünnen Si-Schicht zur Verfügung. Nur durch das mehrfache Verwenden des Substratwafers kann Si-Material eingespart werden.
Bisher gelang den Wissenschaftlern am ISFH die neunmalige Verwendung desselben Substratwafers(5).
Die bisher beste, im PSI-Projekt hergestellte Solarzelle hat einen Wirkungsgrad von 15,4% und ist nur 25 µm dick. Sie ist damit etwa zehnmal dünner als heutige Industriesolarzellen aus kristallinem Silicium.
Neben der häufigen Verwendung des Substrates ist das Herstellen von möglichst großen Solarzellen wichtig, um den PSI-Prozess ökonomisch zu machen. Im laufenden Projekt wurde die Zellfläche von 4 auf 81 cm2 vergrößert. Dies verlangte ein Hochskalieren der PSI-Technologie auf 6"-Substrate. Die Porosizier-Technologie für 6"-Substrate wurde in Kooperation mit dem Verbundpartner Robert Bosch GmbH entwickelt.
Wir stellen mit der PSI-Technik nicht nur Solarzellen, sondern auch kleine Solarmodule her. Abbildung 24 zeigt ein 9x9 cm2 großes PSI-Modul, das eine Leerlaufspannung von 5,99 V mit zehn integriert verschalteten Zellen erreicht. Die Kontaktierung von Emitter und Basis sowie die Modulverschaltung erfolgen einseitig und in nur einem einzigen Metallisierungsschritt. Das Verschaltungsschema dieser so genannten "4S" (single side single step)-Metallisierung ist in Abbildung 23(6) dargestellt.
Außer der terrestrischen Photovoltaik sind Anwendungen der PSI-Technik im Weltraum und in Kleingeräten wahrscheinlich.
Die Anwendung im Weltraum wird zusammen mit unserem Verbundprojektpartner RWE Space Solar Power GmbH untersucht. Schwerpunkt der Entwicklung ist die Optimierung einer strahlungsresistenten Zellrückseite und das Transferieren der Dünnschichtsolarzelle auf sehr dünne, weltraumtaugliche Glassubstrate.
Der Schwerpunkt im Bereich Kleingeräteanwendung liegt bei der Entwicklung eines Minimoduls aus kristallinem Silicium für Armbanduhren. Bisher verwendet der Verbundprojektpartner Junghans Uhren GmbH ausschließlich amorphes Silicium. Der erwartete größere Ertrag der kristallinen Solarmodule soll für erweiterte Funktionalitäten der Uhren genutzt werden.
