IBC-Technologie bei Solarzellen: Erklärung

Einleitung: IBC-Technologie für höhere Solarzelleneffizienz

Die IBC-Technologie (IBC steht für “Interdigitated Back Contact”) ist eine fortschrittliche Herstellungsmethode für Solarzellen, die zu deutlich höheren Wirkungsgraden führt. Bei IBC-Solarzellen befinden sich die Kontakte auf der Rückseite der Zelle in einem verzahnten Muster. Dadurch kann die Vorderseite der Solarzelle frei von Abschattungen sein, was zu weniger Verlusten und höherer Leistung führt. Im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen mit Kontakten auf der Oberseite erreichen IBC-Zellen Wirkungsgrade von über 25%, was einen deutlichen Fortschritt darstellt. In diesem Artikel wird die Funktionsweise von IBC-Zellen erläutert und ihre Vorteile gegenüber Standard-Solarzellen aufgezeigt. Die IBC-Technologie gilt als vielversprechend für die weitere Steigerung der Effizienz von Solarzellen.

Was bedeutet IBC?

IBC steht für “Interdigitated Back Contact”, übersetzt “verzahnte Rückseitenkontakte”. Bei IBC-Solarzellen befinden sich die Kontakte also auf der Rückseite der Zelle.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, bei denen die Kontakte vorne und hinten angebracht sind, kommen bei IBC-Zellen beide Kontakte auf der Rückseite zusammen. Dadurch kann die Vorderseite der Zelle komplett frei von Kontakten und Leitungen sein, was die Lichtausbeute erhöht.

Die positiven und negativen Kontakte sind dabei wie Kammern oder Zinken ineinander verzahnt. Diese spezielle Geometrie ermöglicht eine Optimierung von Oberflächennutzung und Stromableitung.

Kurz zusammengefasst bedeutet IBC also, dass die gesamte Stromableitung über ineinander greifende Kontakte auf der Rückseite der Solarzelle erfolgt. Dies erlaubt eine bessere Ausnutzung des Lichteinfalls auf der Vorderseite.

Vorteile von IBC-Zellen

IBC-Zellen zeichnen sich durch einen deutlich höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen aus. Dies liegt vor allem an der speziellen Anordnung der Kontakte auf der Rückseite der Zelle.

Da die Kontakte nicht mehr auf der lichteinfallenden Vorderseite liegen, gibt es bei IBC-Zellen so gut wie keine Abschattungsverluste. Die gesamte Vorderseite kann ungehindert vom Sonnenlicht getroffen werden.

Zudem sorgt die Verzahnung von n- und p-dotierten Bereichen auf der Rückseite für kürzere Wege der Ladungsträger und weniger ohmsche Verluste. Dies trägt ebenfalls zu einem höheren Wirkungsgrad bei.

Insgesamt können mit der IBC-Technologie Solarzellen mit Wirkungsgraden von über 22% realisiert werden. Das ist deutlich mehr als die ca. 16-18% Wirkungsgrad, die herkömmliche Solarzellen derzeit erreichen. Der höhere Wirkungsgrad sorgt für eine effizientere Nutzung des Sonnenlichts.

Funktionsweise von IBC-Zellen

IBC-Solarzellen basieren auf einem c-Si-Wafer, also einem Wafer aus kristallinem Silizium, das die übliche Grundlage für Solarzellen darstellt. Auf dem c-Si-Wafer befindet sich eine Passivierungsschicht, die die Oberfläche passiviert und somit Rekombinationsverluste reduziert.

Die Besonderheit von IBC-Solarzellen ist die Diffusionsschicht auf der Rückseite des Wafers. Hier werden in einem Diffusionsprozess abwechselnd mit Phosphor dotierte n-dotierte Bereiche und mit Bor dotierte p-dotierte Bereiche erzeugt. Die Kontaktfinger der Metallisierung sind dann mit diesen n- und p-dotierten Bereichen der Diffusionsschicht verbunden.

Durch dieses interdigitierte, also verzahnte Design der n- und p-dotierten Bereiche auf der Rückseite des Wafers kann der Strom seitlich zu den Kontaktfingern abfließen, ohne die Vorderseite zu beschatten. Dadurch wird die Vorderseite voll für die Lichtabsorption genutzt. Dies führt zu den höheren Wirkungsgraden von IBC-Solarzellen.

Vorderseite frei von Abschattung

Ein großer Vorteil der IBC-Technologie ist, dass die Vorderseite der Solarzelle frei von Abschattung durch die Metallkontakte ist. Bei herkömmlichen Solarzellen befinden sich die Metallkontakte auf der Vorderseite und schatten dadurch einen Teil der Zelloberfläche ab. Das behindert die Nutzung des Lichts und verringert den Wirkungsgrad.

Bei IBC-Zellen sind die Kontakte komplett auf der Rückseite angeordnet. Dadurch kann die gesamte Vorderseite des Wafers für die Lichtabsorption genutzt werden. Es gibt keine Abschattungsverluste mehr und die Zelle kann das Sonnenlicht optimal nutzen.

Durch die freie Vorderseite kann das Licht direkt und ohne Behinderung in die Solarzelle eindringen. Die Photonen werden effektiver in Elektronen umgewandelt, was letztendlich zu einem viel höheren Wirkungsgrad führt. Die IBC-Technologie ermöglicht also eine deutlich bessere Nutzung des Lichts und höhere Effizienz.

Weniger Verluste

Bei herkömmlichen Solarzellen befinden sich die Metallkontakte auf der Vorderseite und verdecken einen Teil der Zelle. Dadurch kommt es zu einer teilweisen Abschattung der Zelle, was die Lichtausbeute und damit den Wirkungsgrad reduziert.

Bei IBC-Zellen hingegen befinden sich die Kontakte auf der Rückseite der Zelle. Somit ist die gesamte Vorderseite frei von jeglicher Abschattung durch Metallkontakte. Das Licht kann optimal in die Solarzelle eindringen und in Strom umgewandelt werden.

Durch den Wegfall der Abschattungsverluste können IBC-Zellen eine um mehrere Prozentpunkte höhere Effizienz erreichen als herkömmliche Solarzellen mit Kontakten auf der Vorderseite. In Versuchen konnten schon Wirkungsgrade von über 25% mit IBC-Zellen demonstriert werden.

Die Abschattungsfreiheit ist einer der Hauptgründe, warum die IBC-Technologie eine so vielversprechende Weiterentwicklung für hocheffiziente Solarzellen darstellt. Jede Reduzierung der optischen Verluste führt direkt zu einer Steigerung des Wirkungsgrades.

Höhere Leistung

IBC-Solarzellen haben eine deutlich höhere Leistung pro Quadratmeter als herkömmliche Solarzellen. Dies liegt vor allem daran, dass bei IBC-Zellen die Vorderseite vollkommen frei von Abschattung durch die Kontakte ist.

Bei Standard-Solarzellen befinden sich die Metallkontakte auf der Vorderseite und verdecken einen Teil der Zelloberfläche. Dadurch geht wertvolle Fläche für die Stromerzeugung verloren. Die Metallfinger auf der Vorderseite können bis zu 10% der Zelloberfläche beschatten.

Bei IBC-Zellen gibt es keine Abschattung auf der Vorderseite. Die gesamte Fläche kann das Sonnenlicht in Strom umwandeln. Dies führt zu einer um rund 10% höheren Leistung pro Quadratmeter im Vergleich zu Standardzellen.

Insgesamt erreichen IBC-Solarzellen daher rund 24% Wirkungsgrad, während gewöhnliche Solarzellen auf maximal 20% kommen. Die überlegene Flächennutzung ist der Hauptgrund, warum IBC-Zellen eine so viel höhere Leistungsdichte haben. Diese Technologie ermöglicht damit einen deutlichen Fortschritt bei der Energieausbeute von Solarzellen.

Vergleich mit Standardzellen

Bei herkömmlichen Solarzellen befinden sich die Kontakte auf der Vorderseite. Das führt dazu, dass ein Teil des einfallenden Sonnenlichts von den Metallkontakten abgeschattet wird. Je nach Zelldesign können bis zu 10% der Vorderseite durch die Kontakte bedeckt sein.

IBC-Solarzellen haben diese Kontakte dagegen auf der Rückseite. Dadurch ist die Vorderseite komplett frei von Abschattung durch die Kontakte. Das Licht kann ungehindert in die Zelle eindringen und in Strom umgewandelt werden.

Dieser Unterschied im Zelldesign ist der Hauptvorteil von IBC-Zellen. Durch die Reduzierung der Abschattungsverluste können IBC-Zellen einen um mehrere Prozentpunkte höheren Wirkungsgrad erreichen als Standardzellen mit Kontakten auf der Vorderseite.

Insgesamt führt die rückseitige Kontaktierung bei IBC-Zellen also zu deutlich weniger Verlusten und somit zu einer höheren Leistung pro Quadratmeter Modulfläche. Dies macht die IBC-Technologie sehr interessant für die weitere Steigerung der Solareffizienz.

Herstellung von IBC-Zellen

Der Herstellungsprozess von IBC-Solarzellen ist aufwendiger als bei herkömmlichen Zellen. Besonders anspruchsvoll ist die Strukturierung der Rückseite. Hier kommen spezielle Verfahren zum Einsatz:

• Fotolithografische Strukturierung: Mit Hilfe von lichtempfindlichen Lacken, Masken und Ätzprozessen werden die Kontakte auf der Rückseite strukturiert. Dies erfordert mehrere Verfahrensschritte.

• Laserstrukturierung: Mit Lasern können die Diffusions- und Metallisierungsbereiche direkt in den Wafer eingebracht werden. Dies reduziert die Komplexität.

• Screen Printing: Beim Siebdruckverfahren wird die Metallpaste durch eine Maske auf die Rückseite aufgetragen und dann eingebrannt.

• Metallisierung: Die aufgedampften oder aufgesputterten Metallkontakte werden anschließend strukturiert.

Die genaue Strukturierung der Rückseite ist entscheidend für die Leistung der IBC-Solarzelle. Moderne Herstellungsverfahren ermöglichen die präzise und kostengünstige Fertigung.

Kommerzielle Verfügbarkeit

Die IBC-Technologie ist mittlerweile auch für kommerzielle Solarmodule verfügbar. Verschiedene Hersteller haben IBC-Zellen in ihrer Produktpalette.

Die Schweizer Firma Meyer Burger begann bereits früh mit der Entwicklung und Fertigung von IBC-Solarzellen. Sie bieten IBC-Zellen in ihrer heterojunction/SmartWire-Technologie an. Diese zeichnen sich durch hohe Effizienz und geringe Degradation aus.

Der japanische Elektronikkonzern Panasonic produziert ebenfalls hocheffiziente IBC-Solarzellen, unter anderem in seiner HIT-Technologie (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer). Diese erreichen Wirkungsgrade von über 25%.

Der koreanische Hersteller Hanwha Q-Cells hat kürzlich eine IBC-Zelle mit 24,5% Wirkungsgrad vorgestellt und plant den Einsatz in Solarmodulen.

Weitere Anbieter von IBC-Solarzellen sind SunPower aus den USA, REC aus Norwegen, Hevel in Russland sowie JinkoSolar und Trina Solar aus China. Sie alle setzen auf die Vorteile der rückseitigen Kontaktierung für höhere Wirkungsgrade und damit niedrigere Stromgestehungskosten.

Somit stehen IBC-Solarzellen mittlerweile von einer Vielzahl von Herstellern für den Einsatz in Photovoltaik-Anlagen zur Verfügung. Die Zukunft gehört dieser vielversprechenden Zelltechnologie.

Kosten

Die Herstellung von IBC-Solarzellen ist derzeit noch deutlich teurer als die Produktion herkömmlicher Solarzellen. Dies liegt vor allem an den höheren Anforderungen bei der Handhabung der Wafer und dem komplexeren Fertigungsprozess.

Im Vergleich zu Standard-Solarzellen mit Aluminium-Rückseitenkontakten sind IBC-Zellen derzeit noch etwa 40-50% teurer in der Produktion. Hauptsächlich verantwortlich hierfür sind die schwierigere Strukturierung der Rückseite mit laserbasierten Verfahren sowie die Notwendigkeit sehr sauberer Produktionsumgebungen.

Es wird jedoch erwartet, dass sich diese Mehrkosten mit zunehmender Produktionsreife und Skalierung deutlich reduzieren lassen. Bei Massenproduktion in Gigawatt-Maßstab könnte der Preisunterschied auf 10-20% sinken. Das enorme Effizienzsteigerungspotenzial der IBC-Technologie rechtfertigt aus Sicht vieler Experten die zunächst höheren Produktionskosten.

Langfristig könnten IBC-Solarzellen sogar günstiger als Standardzellen werden, wenn es gelingt, den Materialeinsatz durch dünnere Wafer weiter zu reduzieren. Hier liegt einer der großen Vorteile der IBC-Architektur. Die Erfahrungswerte aus der Massenproduktion in den nächsten Jahren werden zeigen, ob sich diese Kostenvorteile realisieren lassen.

Effizienzrekorde

Mit IBC-Technologie können Rekordwirkungsgrade bei Solarzellen erzielt werden. So wurde im Jahr 2020 von Fraunhofer ISE und CEA-INES in Frankreich ein Weltrekord aufgestellt. Durch weitere Optimierungen der IBC-Zellstruktur erreichten die Forscher einen Wirkungsgrad von 25,4 %.

Dies ist der höchste jemals in industrienahem Maßstab erreichte Wert für eine Einzelsolarzelle. Zum Vergleich: Bei herkömmlichen PERC-Solarzellen liegt der Wirkungsgrad derzeit bei ca. 22 %. Mit über 3 Prozentpunkten Unterschied ist die IBC-Zelle hier also deutlich überlegen.

Auch andere Forschungseinrichtungen wie das NREL in den USA konnten mit IBC-Zellen bereits Wirkungsgrade von über 24 % demonstrieren. Die bisher erreichten Rekordwerte zeigen das enorme Potential dieser Technologie. Durch weitere Anpassungen von Design und Fertigung ist mittelfristig sogar ein Wirkungsgrad von 30 % möglich.

Die Effizienzrekorde belegen, dass IBC-Solarzellen den Stand der Technik deutlich übertreffen. Die überlegene Lichtausbeute wird in Zukunft die Solarenergie kostengünstiger und wettbewerbsfähiger machen.

Zukunftsperspektiven

Die IBC-Technologie hat großes Potenzial für die weitere Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen. Aktuell liegt der Rekord bei 26,7% für eine IBC-Siliziumzelle. Durch stetige Weiterentwicklung in der Fertigung und im Zelldesign ist eine Steigerung auf über 30% realistisch.

Ein wichtiger Aspekt ist die Kostensenkung und Skalierung der Produktion. Noch ist die Herstellung von IBC-Zellen teurer als Standardzellen. Mit zunehmender Massenfertigung und Automatisierung können die Kosten jedoch deutlich gesenkt werden. Große Solarfirmen investieren bereits in Produktionsanlagen für IBC-Technologie im Gigawatt-Maßstab.

Die Vorteile von IBC beim Wirkungsgrad werden sich langfristig durchsetzen. Es ist zu erwarten, dass IBC in den nächsten Jahren zum neuen Industriestandard wird und konventionelle Zellkonzepte ablöst. Durch die Kombination mit weiteren Innovationen wie Tandem-Solarzellen sind Wirkungsgrade über 35% möglich. Die IBC-Technologie hat somit das Potenzial, die solare Stromerzeugung deutlich günstiger und effizienter zu machen und einen wichtigen Beitrag zur Energiewende zu leisten.

Fazit

Die IBC-Technologie bietet deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Solarzellendesigns. Insbesondere die verzahnte Anordnung der Metallkontakte auf der Rückseite ermöglicht es, die Vorderseite der Zelle vollständig für die Lichtabsorption zu nutzen. Dadurch können wesentlich höhere Wirkungsgrade erzielt werden.

Im Vergleich zu Standard-Solarzellen mit Kontakten auf der Vorderseite haben IBC-Zellen folgende Vorzüge:

• Höhere Leistung pro Fläche, da keine Abschattung durch Metallkontakte
• Geringere Oberflächenrekombination und damit höherer Wirkungsgrad
• Einfachere Verschaltung von Zellen zu Modulen
• Längere Leitungspfade für höhere Spannung

Mit Wirkungsgraden von über 26% haben IBC-Zellen bereits eindrucksvoll gezeigt, dass sie das Potenzial haben, die Photovoltaik auf ein neues Level anzuhieben. Sollte es gelingen, die Herstellungskosten zu senken, könnten IBC-Zellen in absehbarer Zukunft zum neuen Standard in der Solarindustrie werden. Insgesamt ist die IBC-Technologie daher eine der vielversprechendsten Entwicklungen für leistungsfähigere und kostengünstigere Solarzellen.