Nico Wöhrle

Fraunhofer ISE

Monday, October 26, 2015, 15:00 - 16:00

Room 01-012, Georges-Köhler-Allee 102, Freiburg 79110, Germany

Neuartige Solarzellendesigns zielen darauf ab, die Effizienz der Stromgewinnung zu erhöhen und die Solarzellen in der Herstellung günstiger zu machen.
Ein Faktor von wachsender Bedeutung in der Entwicklung neuer Solarzellen ist die Begleitung der Entwicklungsphasen durch CAD gestützte Simulation. Hierbei ist das Ziel, auch komplexe Zelldesigns hinsichtlich optischer und elektrischer Eigenschaften akkurat durch Simulation nachstellen zu können. Ein funktionierendes Simulationsmodell einer Solarzelle eröffnet Möglichkeiten in der Zellentwicklung, die den Forschungsprozess beschleunigen und effizienter machen. So können durch gezielte Variation einzelner Parameter im Zelldesign Änderungen in der Solarzellenphysik getrennt voneinander beobachtet werden. Im praktischen Versuch ist dies oft unmöglich, da Parameter meist untereinander korreliert sind. Durch die Simulation lassen sich die veränderten physikalischen Vorgänge bei veränderten Solarzellendesigns besser verstehen, was sich wiederum positiv auf die weitere Forschung auswirkt. Für die Zellentwicklung bieten in der Planung oder Begleitung der Versuche durchgeführte Simulationen die Möglichkeit, die Entwicklungszyklen klein zu halten und sowohl Kosten als auch eingesetzte Ressourcen für Experimente zu reduzieren.

Der immer noch dominierende Zelltyp auf dem Weltmarkt ist die sog. Al-BSF-Solarzelle auf positiv dotiertem (p-Typ) Silicium-Material – ein einfaches aber günstig herzustellendes Zellkonzept. Um die Nachfolge dieses Zellkonzeptes hin zu höheren Zelleffizienzen von über 20% konkurrieren verschiedene Ansätze, welche als Gemeinsamkeit eine zusätzliche Passivierung der Silicium-Oberflächen und fortgeschrittene Kontaktstrukturen aufweisen. Sie teilen sich grundsätzlich in zwei Zweige nach verwendetem Basismaterial auf: positiv-dotierte (p-Typ) und negativ-dotierte (n-Typ) Silicium-Solarzellen. Der Übergang auf p-Typ Hocheffizienz-Konzepte ist für die Industrie durch die Beibehaltung des Basismaterials der einfachere; der Übergang auf n-Typ Konzepte der aufwendigere Prozess; letzterer jedoch bietet größeres Effizienzpotenzial. Das Ziel dieser Promotion ist es daher, die aktuell stark betriebene Forschung an Silicium-Solarzellen auf hocheffizienten, d.h. passivierten und lokal kontaktierten, p- und n-Typ Solarzellen mit der Entwicklung von passenden Simulationsmodellen zu begleiten.

Für die Beschreibung der zu Grunde liegenden physikalischen Eigenschaften von Solarzellen auf p-Typ Silicium sind grundlegende Modelle verfügbar, jedoch sind Simulationsmodelle für Solarzellen auf n-Typ Silicium auf Grund der bisher geringeren Verwendung des Materials weniger verbreitet. Im ersten Schritt werden daher neue Solarzellenkonzepte (MWT, PERC, IBC) als 2D- und 3D CAD-Modell nachgebaut und eine funktionierende Simulation aufgesetzt. Das bedeutet, dass zunächst eine optische Simulation die Lichtabsorption und Reflexion der Solarzelle nachstellt und ein Profil der erzeugten Ladungsträger generiert wird. Daraufhin wird mithilfe des Ladungsträgergenerationsprofils eine Simulation der elektrischen Vorgänge in der Solarzelle durchgeführt, welche schlussendlich charakteristische Zellparameter wie Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, Füllfaktor und Effizienz ausgibt. Die Funktion der Simulation dieser Modelle wird mithilfe von hergestellten Prototypen evaluiert. Sobald die Experimente erfolgreich nachmodelliert wurden, wird im zweiten Schritt dazu übergegangen, die Zelldesigns mittels Simulation zu optimieren, um geeignete Parameterbereiche zu identifizieren, in denen die experimentelle Herstellung von optimierten Solarzellen gezielt ansetzen kann. Mittels der Methode der Freien-Energie-Verlustanalyse (FELA) steht ein relativ neues Werkzeug zur Verfügung, die Leistungsverluste eines Solarzellenkonzepts am Betriebspunkt festzustellen und so die verschiedenen Verlustkanäle direkt vergleichbar aufschlüsseln. Somit lassen sich für jedes Zellkonzept die jeweiligen Schwachstellen finden, analysieren und beheben. Die mehrdimensionale Simulation der Solarzellen kann in erheblichem Maße dazu beitragen, die komplexen Zusammenhänge in der Solarzelle besser zu verstehen und verständlicher zu machen.

Das Ziel ist also, zunächst funktionierende Modelle zur Simulation von verschiedenen Solarzellendesigns zu erstellen. Die gewonnenen Erkenntnisse über die physikalischen Vorgänge in hocheffizienz-Silicium- Solarzellen sollen dazu verwendet werden, diese Konzepte zu optimieren. Durch Einbindung in Projektarbeit kann so die Entwicklung und der Übergang verbesserter Zellkonzepte in die industrielle Produktion beschleunigt werden.