Erstes Solarmodul mit Kupferverbindung: Was kann das neue Stellar ABC-Modul?

Während aktuell rund 1 Terawatt Photovoltaikleistung weltweit installiert sind, werden ab circa 2030 in jedem einzelnen Jahr Zuwächse in der Größenordnung eines Terawatts nötig. Bereits jetzt benötige die Photovoltaikbranche rund 20 Prozent des weltweit abgebauten Silbers. Daher muss Silber perspektivisch als Metallkontakt von Solarzellen ersetzt werden.

Kupfer ist ein adäquater Ersatz, ebenfalls sehr leitfähig, und gehört zur selben chemischen Hauptgruppe wie Silber.

• Der spezifische Widerstand von reinem Kupfer beträgt nur 1,7 μΩ·cm und liegt damit weit unter den ~5 μΩ·cm, die für Silberpasten (die auch Glas und Bindemittel enthalten) typisch sind.
• Ein niedrigerer Widerstand ermöglicht eine höhere Stromabnahme und eine verbesserte Energieeffizienz, insbesondere bei hoher Einstrahlung oder Hitze.

Lange Zeit konnte sich die Photovoltaikbranche jedoch nicht für das Material erwärmen: Es hat die nachteilige Eigenschaft, in die Siliziumschicht der Solarzelle zu diffundieren und dort Defekte zu erzeugen.

Für das Problem haben die Projektpartner RENA Technologies – ein Anlagenbauunternehmen – und das Fraunhofer ISE in aufeinander aufbauenden Forschungsprojekten eine Lösung gefunden: Zwischen Silizium und Kupfer wird eine dünne Nickelschicht als Barriere eingefügt. Das wiederum gelingt am besten durch galvanisches Abscheiden von Nickel und Kupfer.

Elektrischer Strom sorgt hierbei dafür, dass sich geladene Kupferteilchen am Zielort abscheiden und somit leitfähige Kupferleiterbahnen bilden. Sogar die Leistung wird dadurch verbessert. Denn die Kupferleiter sind dank Laserstrukturierung besonders schmal. Durch den extrem kleinen Durchmesser von nur 19 Mikrometer ist die Verschattung der lichtaufnehmenden Siliciumschicht geringer als bei den Silberbahnen.

Im Gegensatz zu Silberpaste ist bei der Kupfergalvanik kein Hochtemperaturbrand erforderlich, wodurch thermische Spannungen und die Diffusion von Verunreinigungen in den Siliziumwafer vermieden werden. Das Ergebnis ist eine sauberere, robustere Zelle – mit höherem Anfangswirkungsgrad und längerer Lebensdauer.

AIKO, ein chinesisches Clean-Tech Unternehmen mit Stammsitz in Shanghai, das auf hocheffiziente Photovoltaik Zellen und -Module spezialisiert ist, hat nun ein erstes Modul mit Kupferverbindungen auf den Markt gebracht, das Stellar ABC-Modul.

Die Kupferverbindung von AIKO bietet eine außergewöhnliche Mikrorissbeständigkeit:

• Kein Sintern bedeutet weniger Beschädigung des Wafers während der Herstellung.
• Kupferfinger und Kupferbänder (aus dem gleichen Material) bilden stärkere Lötstellen mit Zugfestigkeiten von über 5N – und übertreffen damit Silber-Kupfer-Grenzflächen.

Dies bedeutet eine bessere Leistung bei mechanischer Beanspruchung, Stößen und – was entscheidend ist – unsichtbaren Mikrorissen, einer der Hauptursachen für langfristige Energieverluste.

Jüngste Tests hätten gezeigt, dass die ABC-Module von AIKO mit Kupferverbindung bei identischen Aufprallbedingungen deutlich weniger Leistungsverluste aufweisen als TOPCon-Module.

Das Stellar ABC-Modul – AIKOs Flaggschiff-Lösung für floatende PV-Anwendungen – ist derzeit das weltweit einzige kommerziell erhältliche Doppelglasmodul mit Kupferverbindung, hoher Zugfestigkeit und bewährter Mikrorissbeständigkeit.

Die Kupferverbindung von AIKO ist nicht nur eine Innovation in der Fertigung – sie ist auch ein klares Signal für langfristiges strategisches Denken, so AIKO, und bietet konkrete Vorteile für Generalunternehmer und Anlagenbesitzer:

• Langfristig höhere Energieausbeute
• Geringere Wartungskosten durch verbesserte Verschattungstoleranz
• Reduziertes Brandrisiko durch überlegenes Temperaturverhalten
• Höherer ROI durch höhere Betriebszeit und Energiestabilität

All dies unter Verwendung eines nachhaltigeren, kostenstabileren Materials, das mit den langfristigen Zielen der Lieferkette übereinstimmt.

Im Gegensatz zu z. B. TOPCon-Zellen haben All-Back-Contact-Zellen (ABC) eine grundlegend andere Architektur:

• Kupfer anstelle von Silberpaste: ABC-Zellen verwenden Kupferverbindungen, wodurch Glasfritte und Aluminiumpartikel, die mit Feuchtigkeit reagieren, vermieden werden. Die chemische Stabilität von Kupfer gewährleistet eine langfristige Kontaktzuverlässigkeit, selbst wenn geringfügig Feuchtigkeit eindringt.
• Keine Metallisierung auf der Vorderseite: Alle Elektroden befinden sich auf der Rückseite, sodass es keine silbernen Leitungen auf der Vorderseite gibt, die korrodieren könnten.
• Vollflächige Passivierung: Eine dichte Passivierungsschicht umhüllt die gesamte Zelle und bietet umfassenden Schutz vor dem Eindringen von Wasserdampf.
• Nachgewiesene Haltbarkeit in Tests: In Feuchtigkeits- und Hitze-Simulationen behielten kupferbeschichtete Zellen ihre Leistungsfähigkeit weitaus länger als herkömmliche Zellen mit Silbergittern, was ihre überlegene Korrosionsbeständigkeit bestätigt.

Das bedeutet u.a. auch, dass ABC-Zellen auch mit einer Monoglas-Verkapselung kombiniert werden können, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen – so können die Vorteile des geringen Gewichts von Glas-Folien-Modulen mit der hohen Leistungsfähigkeit moderner N-Typ-Zellen vereint werden.