Dr. Thomas Pernau im Interview

Regenerierte Solarzellen durch Wasserstoffeinsatz

Wasserstoff wird nicht nur als Energieträger diskutiert, als chemisches Element kann er vielfältig eingesetzt werden. Innerhalb des Projekts Upgrade Si-PV haben die Projektpartner unter anderem dessen Funktion bei der Regeneration von Solarzellen untersucht. Aktuelle, hocheffiziente Silizium-Solarzellen können nämlich an Effizienz verlieren, sobald sie mit Licht beschienen werden – ein Effekt, dem sich vorbeugen lässt. Die wasserstoffhaltigen Schichten, die dafür im Projekt eingesetzt wurden, wurden per PECVD hergestellt – ein Verfahren, bei dem die einzelnen Bestandteile als Gas eingeleitet und daraus abgeschieden werden. Als Produzent von PECVD-Beschichtungsanlagen hat das Unternehmen centrotherm die Arbeiten koordiniert. Projektleiter Dr. Thomas Pernau berichtet im Interview von den Ergebnissen.

Was ist das für ein Effekt, der in den Solarzellen auftritt?

Dahinter liegt ein spezieller Mechanismus. Verantwortlich sind die Bor-Sauerstoff-Komplexe, die wir im Projekt untersucht haben und die in jeder mit Bor dotierten Silizium-Solarzelle enthalten sind. Diese Komplexe sind zunächst inaktiv und stören die freien Ladungsträger nicht. Sie lassen sich aber relativ leicht durch Licht aktivieren. Wenn die lichtgenerierten Ladungsträger dann auf aktivierte Bor-Sauerstoff-Komplexe stoßen, ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass die Ladungsträger abgefangen werden. Und das bedeutet für die Solarzelle eine schlechte Effizienz. Wir haben aber gesehen, dass Wasserstoff dem entgegenwirken kann: Wenn man Wasserstoff einbringt und aktiviert, dann kann der in diese Bor-Sauerstoff-Komplexe eingreifen – indem er diese Komplexe elektrisch inaktiviert. Das fassen wir unter „Regeneration der Solarzellen“ zusammen, dafür haben wir in unserem Projekt die Regenerationsöfen weiterentwickelt.

Wie läuft der Prozess genau ab?

Es handelt sich um eine spezielle Form der Wasserstoffpassivierung. Das heißt, dass der atomare Wasserstoff sich an eine Position des Bor-Sauerstoff-Komplexes setzt, die vorher elektrisch aktiv war. Und durch die Besetzung mit dem Wasserstoff sind diese Zustände nicht mehr aktiv – der Komplex wird inaktiv und kann keinen Schaden mehr anrichten. In einen Regenerationsofen leiten wir also Wasserstoff in die Zellen ein, um diese Bor-Sauerstoff-Komplexe und weitere vergleichbare Komplexe zu inaktivieren.

Auf welche weiteren Komplexe beziehen Sie sich hier?

Es gibt bei dem ganzen Thema Regeneration auch eine allgemeine Komponente. Es gibt etliche Verunreinigungskomplexe, die sich in ihrem Schadensverlauf ähneln. Eine Sache wird derzeit stärker diskutiert, das ist LeTID, die Abkürzung für „Light and elevated Temperature Induced Degradation“. Das bedeutet, dass die Solarzelle durch Licht in Kombination mit höheren Temperaturen an Effizienz verliert. Und man fragt sich, woran das genau liegt. Die Ursache sind voraussichtlich Metallkomplexe, möglicherweise auch mit Wasserstoffbeteiligung, die auch wiederum durch Licht plus Aktivierungsenergie aktiv werden. Aber auch die können durch einen geeignet aktivierten Wasserstoff wieder passiviert werden. Solche Projektideen, die sich mit LeTID beschäftigen, sind im Prinzip auch Nachfolgeprojekte zu Upgrade Si-PV, weil die eine ähnliche Defektgenetik haben.

Was bedeuten diese Ansätze für die Zukunft der Produktionstechnologien?

Ich habe die Hoffnung, dass man mit der Bearbeitung und Aufklärung weiterer Lichtdegenerationseffekte auch wieder auf den Regenerator kommt. Weil ich im Laufe des Projekts gesehen habe, dass auch Wafer, die bei erhöhter Temperatur gemäß LeTID lichtdegradiert sind, wieder regenerierbar waren – bei höherer Intensität. Ich würde also sagen, es gibt eine größere Defektklasse an Vorgängen, die durch Licht und Temperatur getrieben werden, die alle durch den Regenerator behandelt werden können. Der Regenerator könnte dadurch ein gewisses Revival haben, insbesondere natürlich ein leistungsfähiges Gerät mit hoher Intensität. Dazu haben wir bei Upgrade Si-PV noch den Grundstein gelegt. Zum Ende des Projekts haben wir nämlich noch einen LED-beleuchteten Generator-Teil entwickelt, der eine sehr hohe Intensität erreicht.

Der Regenerationsofen als solcher war ja auch eines der Hauptthemen des Projekts.

Wir waren damals die Ersten, die große und leistungsfähige Regenerationsöfen hatten. Die ersten Öfen sahen noch anders aus. Diese Öfen gab es auch anfangs nur für Labore, noch nicht für die industrielle Produktion. Tendenziell wurden die Wafer durch die Beleuchtung zu stark erhitzt oder die Behandlungszeit war für einen industriellen Einsatz zu lang. Wir haben im Jahr 2015 gestartet, dann kam am 1. Januar 2016 das Projekt mit allen wichtigen Erkenntnissen. Darauf basierend haben wir den Feuerofen-Regenerator der Uni Konstanz optimiert. Dieser Ofen ist bei gleicher oder besserer Leistung 30 Prozent kleiner geworden. Mit diesem Wissensvorsprung haben wir unser Geschäft gemacht. Weil wir zu dem Zeitpunkt etwas konnten, was sonst keiner konnte. Mittlerweile haben alle die starke Beleuchtung der Solarzellen unter Kontrolle, die gleichzeitig ja auch Hitze erzeugt.  Dementsprechend gibt es ausländische Firmen, die solche Öfen günstiger herstellen. Wir verfolgen in interessanten Folgeprojekten wie zum Beispiel Hydra aber nun konkrete Weiterentwicklungen, mit denen wir die Öfen optimal ausnutzen können. Die Zweite Welle kommt, in Form von weiter optimierten Anlagen, die es ermöglichen, Wasserstoff gezielt einzubringen und zu modifizieren.

Das Interview führte Meike Bierther, Wissenschaftsjournalistin beim Projektträger Jülich.

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