Photovoltaik

 

Wasserstoffgewinnung durch solar getriebene Wasserspaltung

Eine der dringlichsten Fragen im Bereich erneuerbarer Energien ist die der effizienten Speicherung der Energie. Am Institut für Halbleitertechnik arbeiten wir an solar-getriebener Wasserspaltung auf Basis von Silizium-Solarzellen. Obwohl die minimal erforderliche Spannung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser 1,23 V beträgt, bedingen Überpotentiale an den jeweiligen Elektroden und Widerstandsverluste Spannungen von etwa 1,6 bis 1,8 V. Infolgedessen sind drei Silizium-Solarzellen in Serie erforderlich, um die notwendige Spannung bereitzustellen. Solche Systeme sind bereits aus der Literatur bekannt und weisen Wirkungsgrade bei der Umwandlung von solarer Energie zu Wasserstoff - eine sogenannte Solar-to-Hydrogen-Effizienz - oberhalb von 10 % auf. Allerdings wird die Leistungsfähigkeit dieser Systeme durch ohmsche Kontaktverluste auf Grund der externen Verdrahtung der drei Zellen limitiert. Wir untersuchen die Realisierung von monolithisch integrierten Triple-Junction-Solarzellen auf Basis von rückseitig kontaktierten Solarzellen, sogenannten IBC-Solarzellen. Das Konzept ist in der unten stehenden Abbildung schematisch dargestellt. Die Zelle besteht aus einer IBC-Solarzelle, in die tiefe Gräben von der Zell-Vorderseite in den Siliziumwafer geätzt werden. Zu diesem Zweck wird ein Bosch-Ätzprozess angewendet, der aus der Herstellung von mikroelektromechanischen Systemen bekannt ist. In unserem Konzept wird die externe Verdrahtung der drei Zellen durch eine sehr kurze Verbindung an der Rückseite des Wafers (orange Kontaktflächen) ersetzt, wodurch die ohmschen Verluste stark reduziert und die Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall der Zelle auf Grund einer unterbrochenen Leiterbahn minimiert wird. Für weitere Details sei auf unsere aktuelle Publikation verwiesen[1].

  Photovoltaik Schema IHT RWTH  

Das Zelldesign hat einige entscheidende Vorteile: erstens beruht das Design auf einer rückseiten-kontaktierten Solarzelle, einer sogenannten IBC-Zelle, und damit auf einem der effizientesten Silizium-Solarzellenkonzepte. Zweitens könnte aufgrund der Tatsache, dass die Kontaktelektroden für die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung auf der Rückseite des Wafers liegen, die Solarzelle als Deckel für den Elektrolytbehälter verwendet werden, wodurch ein sehr kompaktes Gesamtsystem gebaut werden kann.

Vor kurzem haben wir Solar-to-Hydrogen-Effizienzen mit einer solchen monolithisch integrierten, modifizierten IBC-Zelle von fast 15 Prozent demonstriert, was den derzeit höchsten Effizienz-Wert für monolithische Reihenschaltungen darstellt [2]. Unser Konzept ermöglicht eine weitere Optimierung, so dass in naher Zukunft noch höhere STH-Effizienzen zu erwarten sind. Darüber hinaus untersuchen wir derzeit eine alternative Art der Realisierung der IBC-Zellen, die eine kostengünstigere Produktion und eventuell höhere Leerlaufspannungen ermöglicht. Kombiniert mit speziellen Katalysatoren zur Reduzierung der Überpotentiale an den Elektroden für die Wasserstoff und Sauerstoffentwicklung ist eine Reduktion von drei auf zwei Solarzellen in Serie denkbar. Dadurch könnte ein weiterer deutlicher Anstieg der Solar-to-Hydrogen-Effizienz realisiert werden.

 
 

[1] S. Nordmann, B. Berghoff, A. Hessel, N. Wilck, B. Osullivan, M. Debucquoy, J. John, S. Starschich and J. Knoch, „A monolithic all-silicon multi-junction solar device for direct water splitting“, Renewable Energy 94, 90-95 (2016).

[2] S. Nordmann et al., submitted for publication 2017.

 

Emitter-Kontaktierung von Solarzellen

NiSiPV IHT RWTH

Für die Kontaktierung von Silizium-Solarzellen untersuchen wir am Institut für Halbleitertechnik verschiedene Methoden. Insbesondere kommen dabei Techniken aus der Herstellung von CMOS Bauelementen zum Einsatz. So konnten wir die sogenannte Dotierstoffsegregation während der Nickel-Silizidierung erfolgreich für die Verbesserung von Solarzellen einsetzen.

Die Formierung des Emitters einer Solarzelle und dessen Kontaktierung mit einem Metall sind entscheidende Schritte bei der Herstellung einer Solarzelle. An der Metall-Silizium-Grenzfläche führt jedoch das Fermi-Level-Pinning zu einer hohen Schottky-Barriere. Normalerweise wird durch eine hohe Dotierungskonzentration im Emitter ein niederohmiger Metall-Halbleiter-Kontakt erreicht. Leider führt eine hohe Dotierungskonzentration auch zu einer erheblichen Auger-Rekombination innerhalb des Emitters. Wird für die Metallsierung Nickel verwendet und anschließen die Zelle getempert, so bildet sich ein Nickelsilizid, welches in das Silizium diffundiert. Aufgrund der geringen Löslichkeit von Dotierstoffen im Silizid sammeln sich Dotierstoffe an der Silizid-Silizium-Grenzfläche an [1,2]. Somit führt der Silizidierungsprozess zu einer lokalen Zunahme der Dotierstoffkonzentration, die den Kontaktwiderstand verringert, ohne die Auger-Rekombination zu erhöhen.

Typischerweise werden vorderseitige Metallkontakte von Solarzellen traditionell mittels Siebdruck unter Verwendung von bespielsweise Aluminium-Pasten, gefolgt von einem Feuerungsschritt, hergestellt. Wenn jedoch das thermische Budget während der Zellherstellung stark eingeschränkt ist, wie zum Beispiel bei HIT-Solarzellen, sind alternative Konzepte zur Formierung von Metallkontakten erforderlich. Ein attraktiver Ansatz ist die Verwendung der Galvanik. Am Institut für Halbleitertechnik untersuchen wir zurzeit den Einsatz der Galvanik für die Kontaktierung von Heterostruktur-Solarzellen. Die Ergebnisse werden aber auch für die übrigen Forschungsthemen verwertet.

 
 

[1] M. Lenz, H. Windgassen, T. Pletzer and J. Knoch, „Contacting Moderately Doped Phosphorous Emitters of Silicon Solar Cells With Dopant Segregation During Nickel Silicidation“, IEEE J.Photovoltaics, 4, 1025 (2014).

[2] M. Lenz and J. Knoch, „Analysis of emitter performance contacted with silicide induced dopant segregation“, IEEE PVSC 2014, 2994-2997 (2014).

[3] M. Lenz et al. submitted