Günstigere Solarzellenproduktion dank Kupfer statt Silber

Die Photovoltaik ist die tragende Säule für die angestrebte Energiewende. Laufende Entwicklungen und Forschungstätigkeit führen laufend zu Verbesserungen von Wirkungsgraden und Produktionstechniken von Photovoltaik-Modulen. Solarzellen werden deshalb immer mehr zu einem Massenprodukt. Stand der Technik sind heute die sog. Heterojunction-Solarzellen, die mit einem vergleichsweise geringen Einsatz des Halbleiter-Metalls Silizium auskommen und damit einen geringen CO2-Fussabdruck aufweisen. Zudem erreichen sie in der industriellen Solarzellenproduktion höchste Wirkungsgrade. 

Nach wie vor wird aber bei der Solarzellenproduktion Silber verwendet. Dieses Edelmetall ist verantwortlich für die Leitung des in der Siliziumschicht erzeugten Stroms. In letzter Zeit sind die Preise für Silber aber massiv gestiegen; inzwischen macht Silber rund zehn Prozent der Herstellungskosten eines PV-Moduls aus. Hinzu kommt, dass die Vorräte dieses Edelmetalls sehr begrenzt sind. Allein die Solarindustrie verarbeitet heute bereits 15 Prozent des weltweit geförderten Silbers – Tendenz steigend. Nicht zu vergessen sind andere Sektoren, z.B. die Elektromobilität, die ebenfalls einen immer höheren Bedarf für dieses Metall haben.

Kupfer für Solarzellenkontakte

Lässt sich also Silber durch ein anderes Material gleichwertig ersetzen? Und falls ja: Welche Auswirkungen hat dies auf die Prozesse der Solarzellenproduktion? Mit diesen Fragen haben sich Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg i. Br. gestellt. Ein Forscherteam um Dr. Markus Glatthaar hat für die vielversprechende Heterojunction-Technologie ein galvanisches Verfahren entwickelt, um Silber durch Kupfer zu ersetzen. Kupfer ist um ein Vielfaches kostengünstiger und leichter verfügbar als Silber.

Wer sich mit Galvanotechnik befasst, weiss: Oberflächen, welche nicht beschichtet werden sollen, müssen zunächst mit einer nichtleitenden Schicht maskiert werden. Das Kupfer baut sich dann im Elektrolytbad nur in jenen Bereichen auf, die nicht mit dieser Isolierung beschichtet sind. Für diese Isolierschicht wurden bislang teure Lacke auf Polymerbasis oder laminierte Folien verwendet. Deren Entsorgung ist aufwändig und kostspielig. Dem Team um Dr. Markus Glatthaar ist es nun aber gelungen, die Polymere durch Aluminium zu ersetzen. Genau wie Kupfer ist Aluminium vollständig recycelbar. Der doppelte Materialwechsel, von Silber zu Kupfer und von Polymer zu Aluminium, bringt auch einen doppelten Nutzen: Die Solarzellenproduktion wird nicht nur nachhaltiger, sondern auch deutlich günstiger.

Innovative Galvanotechnik und verbesserte Elektrolyte

Das spezielle Galvanikverfahren ermöglicht nun also den Ersatz von Silber durch Kupfer. Gemäss den Forschern konnte sogar die Leitfähigkeit der sog. Busbars, also dem Bindeglied zwischen den einzelnen Solarzellen, verbessert werden. Aufgrund der verwendeten Laserstrukturierung sind die Kupferleitungen besonders schmal. Durch die extrem geringe Breite der Kupferleitung von nur 19 μm (Mikrometer) erfährt die lichtabsorbierende Siliziumschicht weniger Abschattung als bei den Silberleitungen. Dies und die hohe Leitfähigkeit des galvanisch abgeschiedenen Kupfers verbessern die Stromausbeute.

Doch Aluminium als Maskierungsschicht? Aluminium ist doch ebenfalls leitfähig? In der Tat scheint dieses Metall auf den ersten Blick als Maske ungeeignet. Allerdings hat Aluminium die Eigenschaft, dass es rasch oxidiert und eine wenige Nanometer dicke Oxidschicht bildet, welche als Isolator wirkt. „Wir konnten die Prozessparameter anpassen und einen speziellen Elektrolyttyp entwickeln, der dafür sorgt, dass die extrem dünne, native Oxidschicht des Aluminiums ihre isolierende Funktion zuverlässig erfüllen kann. Das war ein wichtiger Meilenstein für den Erfolg unseres Forschungsprojekts“, freut sich Dr. Glatthaar.

Schub für eine günstigere Solarzellenproduktion

Die Forscher sind überzeugt: Sowohl Kupfer als auch Aluminium können als recycelbare Materialien die Photovoltaik-Produktion der Kreislaufwirtschaft ein gutes Stück näher bringen und dabei Umwelt- und Sozialstandards verbessern. Als nächster Schritt wurde vom Fraunhofer ISE ein Spin-off gegründet, das Anfang 2023 gemeinsam mit Industriepartnern eine Pilot-Produktionsanlage erstellen will.

Die Substitution von Silber durch Kupfer könnte der Solarzellenproduktion weiteren Schub verleihen. Denn Kupfer ist leichter verfügbar als Silber und hat kürzere Lieferketten. Zudem ist der Kupferpreis derzeit weniger abhängig von internationalen Rohstoffmärkten. Der Preis für eine Tonne Kupfer betrug im Juli 2022 bei durchschnittlich 7545 Dollar. Zum Vergleich: Im Mai 2021 mussten noch mehr als 10’000 Dollar pro Tonne Kupfer bezahlt werden.

Quellen: Techexplore.com / Fraunhofer ISE