Drei Herausforderungen Aiko berichtet zu Innovationen in der Modulproduktion 

Die Photovoltaikindustrie ist in eine Phase eingetreten, in der marginale Effizienzsteigerungen allein nicht mehr ausreichen, um langfristiges Wachstum zu sichern. Angesichts der weltweit steigenden Nachfrage müssen Hersteller bei der Modulproduktion drei gleichermaßen wichtige Herausforderungen angehen: Nachhaltigkeit der Materialien, Robustheit der Prozesse und Stabilität der langfristigen Leistung unter realen Betriebsbedingungen.

Dieser Wandel verändert die Art und Weise, wie Solarzellen entwickelt und hergestellt werden. Mehrere aktuelle Innovationen zeigen, wie technische Engpässe, die früher die Skalierbarkeit einschränkten, nun überwunden werden können. Dazu gehören der Übergang der Silber- zur Kupfergalvanisierung, die Einführung fortschrittlicher Trennverfahren für Rückkontaktzellen, die verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Mikrorisse und das Wiederaufleben von Einzelglasmodulen als stabiler Modulaufbau.

Umstellung auf Kupfergalvanisierung

Viele Jahre lang war Silberpaste der Standard für die Metallisierung von PV-Zellen. Ihre Leitfähigkeit und einfache Verarbeitbarkeit sorgten für eine schnelle Verbreitung, aber das Material hat inhärente Einschränkungen. Die Solarindustrie verbraucht bereits fast ein Fünftel der weltweiten Silbervorräte, wodurch sie Preisvolatilitäten und Ressourcenengpässen ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist Silberpaste in Bezug auf die Leistung alles andere als ideal: Ihr effektiver spezifischer Widerstand, der etwa dreimal so hoch ist wie der von reinem Kupfer, wird durch die Anwesenheit von Bindemitteln und Glasfritte noch weiter erhöht. Die Umstellung auf Kupfergalvanisierung löst sowohl Versorgungs- als auch Leistungsprobleme. Der spezifische Widerstand von Kupfer von 1,7 μΩ·cm ermöglicht eine höhere Stromaufnahme und geringere Serienwiderstandsverluste, was sich direkt in einem höheren Energieertrag niederschlägt, insbesondere unter Bedingungen hoher Sonneneinstrahlung oder erhöhter Temperatur. 

Ebenso wichtig ist, dass durch die Galvanisierung der für Silberpaste erforderliche Sinterprozess entfällt, wodurch die thermische Belastung der Wafer verringert und die Diffusion von Verunreinigungen in das Silizium verhindert wird. Dies führt zu saubereren Kontakten und stärkeren, langlebigeren Zellen, die ihre Effizienz über lange Zeit beibehalten. Mechanisch gesehen bietet die Kupferverbindung auch eine überlegene Robustheit. Finger und Busbars aus dem gleichen Material bilden stärkere Verbindungen mit einer Zugfestigkeit von über 5 N, während das Fehlen von Sinterung Mikroschäden am Wafer reduziert. Vergleichende Schlagversuche haben gezeigt, dass Module mit Kupferverbindung und All-Back-Kontakt unter identischer Belastung deutlich weniger Leistung verlieren als gängige Topcon-Produkte – ein Leistungsunterschied, der für Anlagen, die Schneelasten, Wind oder mechanischen Vibrationen ausgesetzt sind, entscheidend ist.

Einführung von Separatech

Während Materialinnovationen Herausforderungen in Bezug auf Ressourcen und Haltbarkeit angehen, definiert die Prozessinnovation die Skalierbarkeit neu. Back-Contact-Zellen (BC-Zellen), die seit Langem als vielversprechendster Weg zu einer höheren Effizienz von kristallinem Silizium gelten, standen in der Vergangenheit vor Hindernissen hinsichtlich Komplexität und Kosten. Die traditionelle Produktion basiert auf einem einstufigen Verfahren, bei dem sowohl p-Typ- als auch n-Typ-Tunneloxid- und polykristalline Siliziumschichten gleichzeitig gebildet werden. Dies beeinträchtigt die Passivierungsqualität, da die optimalen Bedingungen für einen Bereich die Leistung des anderen beeinträchtigen.

Die Einführung eines separaten Prozesses, oft als Separatech bezeichnet, löst dieses Problem, indem es die Bildung ladungsselektiver Kontakte auf beiden Seiten der Zelle voneinander entkoppelt. Jede Seite kann nun unabhängig voneinander optimiert werden, was die Passivierungsqualität und den Wirkungsgrad erhöht. Eine weitere Verbesserung ergibt sich aus der Verwendung von Borsilikatglas und Phosphorsilikatglas, die während der Diffusion auf natürliche Weise entstehen, als selbstausrichtende Masken. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer externen Maskierung und Reinigung, was das Kontaminationsrisiko verringert, und die Produktion vereinfacht. Entscheidend ist, dass Separatech nicht komplizierter, sondern besser kontrollierbar ist: Dank fortschrittlicher thermischer Feldsimulationen konnten die Ofenbedingungen präzise rekonstruiert und die laminare Strömung mit der Passivierungskinetik in Einklang gebracht werden, während eine intelligente Spannungsausgleichung und eine Temperaturregelung mit einer Genauigkeit von ± 0,5 °C für gleichmäßige Schichten von außergewöhnlicher Qualität sorgen. 

Das Ergebnis ist ein stabiler Prozess, mit dem Zellwirkungsgrade von über 27 % erreicht werden können, während die Kostenstrukturen von Mainstream-Technologien wie Topcon annähernd erreicht werden. Zum ersten Mal können BC-Zellen im Gigawatt-Maßstab mit Erträgen hergestellt werden, die mit denen herkömmlicher Zellarchitekturen vergleichbar sind.

Mikrorissbildung verringern

Prozessverbesserungen und Kupfermetallisierung tragen ebenfalls dazu bei, eine der hartnäckigsten Herausforderungen für die Zuverlässigkeit von Modulen zu bewältigen: Mikrorisse. Diese Risse sind bei einer normalen Inspektion nicht sichtbar, lassen sich jedoch mittels Elektrolumineszenz-Bildgebung nachweisen. Sie verringern nach und nach die aktive Fläche und tragen zu einer beschleunigten Degradation bei. Herkömmliche Verbindungen auf Silberbasis sind spröde und anfällig für Spannungskonzentrationen, wodurch sich Risse unter mechanischer Belastung, bei Temperaturwechselbeanspruchung oder sogar während des Transports und der Installation ausbreiten können. 

Im Gegensatz dazu verteilt die Kupferverbindung die Spannung gleichmäßiger über den Wafer und bildet mechanisch stärkere Verbindungen. Durch den Verzicht auf Brennen minimiert der Prozess auch anfängliche Schäden am Wafer. Tests unter feuchter Hitze und Temperaturwechselbeanspruchung haben gezeigt, dass Module mit Rückkontakten auf Kupferbasis ihre Leistung besser beibehalten, während verbesserte Temperaturkoeffizienten die expansionsbedingten Spannungen in heißen Klimazonen reduzieren. Für Anlagenbesitzer und -betreiber bedeutet dies weniger versteckte Verluste, eine besser vorhersehbare langfristige Energieausbeute und ein geringeres Risiko von Bränden aufgrund von Hotspots oder beschädigten Verbindungsstellen.

Einzelglasmodule werden wieder zur Option

Die gleiche Kombination aus Metallisierungs- und Prozessoptionen öffnet erneut die Tür zu Modularchitekturen, die lange Zeit als veraltet galten. Einfachverglaste Module, die einst dominierten, wurden aufgrund steigender Anforderungen an Effizienz und Zuverlässigkeit weitgehend aufgegeben. Ihre Vorteile – geringeres Gewicht, einfachere Handhabung und bessere Wärmeableitung – wurden durch Korrosionsrisiken aufgewogen, insbesondere bei Silberpasten, die Glasfritte und Aluminiumpartikel enthalten, die mit Feuchtigkeit reagieren. Rückkontaktzellen mit Kupferverbindung verändern dieses Gleichgewicht. Alle Elektroden befinden sich auf der Rückseite, wodurch die anfälligen Silberleitungen auf der Vorderseite entfallen. Dichte Passivierungsschichten umhüllen die Zelloberfläche und bilden eine umfassende Barriere gegen Wasserdampf. 

Die chemische Stabilität von Kupfer gewährleistet, dass die Kontaktzuverlässigkeit auch bei geringem Eindringen von Feuchtigkeit erhalten bleibt. Beschleunigte Feuchtigkeits- und Wärmeprüfungen bestätigen, dass galvanisierte Kupfer-Rückkontaktzellen ihre Leistung weitaus länger aufrechterhalten als herkömmliche Silberkontaktkonstruktionen. Dadurch werden Einzelglasmodule wieder zu einer praktikablen Option, insbesondere für Anwendungen, bei denen Gewicht und Wärmeleistung entscheidend sind, wie Dachanlagen mit strengen Belastungsgrenzen oder Installationen in Umgebungen mit hohen Temperaturen, in denen eine verbesserte Wärmeableitung die Zuverlässigkeit erhöht.

Deutlicher Wandel in der Modulproduktion

Zusammen markieren diese Innovationen einen deutlichen Wandel in der Modulproduktion. Der Wechsel von Silber zu Kupfer reduziert die Materialabhängigkeit und verbessert gleichzeitig die Leistung. Fortschrittliche Trennverfahren machen die Rückkontakttechnologie wirklich skalierbar und kostengünstig. Eine höhere mechanische Belastbarkeit mindert Mikrorisse und gewährleistet eine langfristige Ertragsstabilität. Und die Wiedereinführung von Einzelglasdesigns zeigt, wie die Neuauflage früherer Architekturen unter neuen technischen Bedingungen neue Möglichkeiten eröffnen kann. Die nächste Generation der Photovoltaik wird also nicht durch einen einzigen Durchbruch definiert, sondern durch die Integration von Materialien, Prozessen und Designstrategien, die gemeinsam die dringendsten Herausforderungen der Branche angehen. Angesichts der weltweit zunehmenden Verbreitung von Solarenergie werden diese Innovationen von zentraler Bedeutung sein, um sowohl das Tempo als auch die Qualität des Wachstums aufrechtzuerhalten.