Wissenschaftler des Fraunhofer ISE haben eine bifaziale Heterojunction-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 21,7 Prozent im Rotationssiebdruckverfahren hergestellt. Dabei verwendeten sie eine Maschine, die eine Taktzeit von nur 0,6 Sekunden pro Solarzelle erreicht und eine starke Reduzierung des Silberverbrauchs ermöglicht.

Heterojunction-Solarzelle mit rotierendem siebgedrucktem Vorderseitengitter auf einem Transport-Shuttle.

Eine Forschungsgruppe des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE hat eine neue Metallisierungstechnik für bifaziale Silizium-Heterojunction-Solarzellen entwickelt, die nach eigenen Angaben dazu beitragen kann, die für ihre Herstellung benötigte Silbermenge erheblich zu reduzieren und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Die Wissenschaftler nutzten den Rotationssiebdruck für die Vorder- und Rückseitenmetallisierung der bifacialen SHJ-Solarzellen und setzten dafür die vom Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit der ASYS Automatisierungssysteme GmbH entwickelten „Rock-Star“-Demonstratormaschine ein.

Diese Maschine kann eine Taktzeit von nur 0,6 Sekunden pro Solarzelle erreichen, was eine Durchsatzsteigerung um den Faktor 1,5 bedeutet. Zudem kann sie in einer Inline-Konfiguration einen Durchsatz von bis zu 8000 Wafern pro Stunde erreichen. „Allerdings müssen noch einige technische Herausforderungen überwunden werden, bis diese Technologien die Vorherrschaft des Flachbett-Siebdrucks im Bereich der Solarzellenmetallisierung ernsthaft in Frage stellen können“, so die Wissenschaftler.

Die Rotationssiebdruck-Einheit basiert auf einem netzbasierten Zylindersieb mit einer teilweise geöffneten Emulsionsschicht, die als Druckform dient. Während des Druckvorgangs rotiert der Zylinder und die Paste wird durch die offenen Bereiche des rotierenden Siebs mittels eines Polyurethan-Rakels innerhalb des Siebs gedruckt. Der Wafer wird auf einem Träger mit Vakuumfixierung durch das Druckwerk transportiert.

„Die Druckform basiert auf einem feinen Edelstahlgewebe, das mit einer dünnen, galvanischen Nickelschicht veredelt ist, um die Stabilität des Gewebes zu erhöhen“, so das Forschungsteam. „Im Vergleich zu feinen Geweben, die für Flachbett-Siebdruck-Siebe verwendet werden, benötigen Rotationssiebe eine wesentlich dickere Drahtstärke, um eine ausreichende Stabilität während des Druckprozesses zu ermöglichen.“

Den Forschern zufolge wurde das Rotationssiebdruck-Verfahren auf der Demonstrationsmaschine mit 50 Prozent der maximalen Maschinengeschwindigkeit (0,86 Sekunden pro Zelle) und 70 Prozent der Maschinengeschwindigkeit (0,65 Sekunden pro Zelle) erfolgreich durchgeführt. „In einer virtuellen Produktionslinie würden diese Zykluszeiten einem Bruttodurchsatz von etwa 4100 (50 Prozent Geschwindigkeit) und 5500 (70 Prozent Geschwindigkeit) Zellen pro Stunde auf einer einzigen Spur entsprechen“, betonten sie.

Mit der vorgeschlagenen Technik konnten die Wissenschaftler eine vollständig metallisierte bifaziale Silizium-Heterojunction-Zelle mit einem Wirkungsgrad von 21,7 Prozent herstellen – einen Wirkungsgrad von 22,1 Prozent erreichte eine Referenzzelle, die mit Flachbett-Siebdruck produziert wurde, der derzeit dominierenden Technologie für die industrielle Metallisierung von kristallinen Silizium-Solarzellen mit einem Marktanteil von über 98 Prozent.

„Die Verwendung von Rotationssiebdruck für die Vorder- und/oder Rückseitenmetallisierung zeigt eine beeindruckende Reduzierung des durchschnittlichen Silberpastenauftrags um 60 bis 70 Prozent (vollständig mit Rotationssiebdruck gedruckte Zellen) beziehungsweise um 49 Prozent (Rotationssiebdruck-Rückseite, Flachbett-Siebdruck-Vorderseite) im Vergleich zum Flachbett-Siebdruck-Referenzprozess“, erklärten sie weiter. „Dies entspricht einem sehr niedrigen Gesamtsilberverbrauch von 6 bis 9 Milligramm pro Watt für bifaziale Solarzellen, die ganz oder teilweise mit Rotationssiebdruck metallisiert sind, statt 17 Milligramm pro Watt.“

Die Gruppe hat ihre Ergebnisse in der Studie „Rotary Screen Printed Metallization of Heterojunction Solar Cells: Toward High-Throughput Production with Very Low Silver Laydown“ vor gestellt, die in Energy Technology veröffentlicht wurde.

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