Bei der Herstellung von Photovoltaik-Modulen wird für die elektrisch leitfähigen Bestandteile bisher meist Silber eingesetzt. Doch Experten warnen: Ohne eine starke Reduzierung des Silberanteils lässt sich der weltweit steigende Bedarf an Photovoltaik künftig nicht mehr decken. Dass es auch anders geht, zeigen Forschende des Fraunhofer ISE. Sie haben Solarzellen entwickelt, die mit einem Zehntel des bisher üblichen Silberanteils auskommen.
Im Jahr 2024 entfielen bereits 32 % des weltweit industriell genutzten Silbers auf die weiterhin wachsende Photovoltaik-Industrie. Es ist absehbar, dass die Nachfrage nach Photovoltaik-Modulen ( PV-Modulen ) weiter steigen wird. Um den voraussichtlichen Bedarf auch in Zukunft noch nachhaltig produzieren zu können, mahnen Experten daher eine deutliche Senkung des Silberverbrauchs an.
Rekordeinsparung bei SHJ-Solarzellen
Als Ziel für die globale PV-Produktion errechneten sie 2 mg Silberbedarf je Watt Peak Modulleistung. Diese Grenze haben die Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) mit ihren neuen Solarzellen sogar deutlich unterboten. Deren Silberbedarf liegt nämlich bei nur 1,4 mg pro Watt Peak – etwa ein Zentel dessen, was aktuell in der industriellen Produktion Standard ist. Nach Angaben des Fraunhofer ISE ist das eine neue Rekordeinsparung an Silber.
Bei den neuen Solarzellen handelt es sich um Silizium-Heterojunction-Solarzellen (SHJ). Das Forschungsergebnis ist Teil des Verbundprojekts „HIT – Hochqualitative innovative Druckformen zur Metallisierung von Silicium-Heterojunction Solarzellen“, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert wurde. Als Industriepartner beteiligte sich der Solarzellen- und Solarmodulhersteller Meyer Burger Germany GmbH am Projekt.
Zum Hintergrund: Solarzellen sind der entscheidende Bestandteil von Photovoltaik-Modulen. In ihnen wird die Lichtenergie der Sonne in elektrischen Strom umgewandelt. Damit sich der Solarstrom auch nutzen lässt, benötigt ein PV-Modul aber auch elektrische Kontakte und Leiterbahnen. Die enthalten bisher meist Silber, das leitfähigste aller Metalle.
Doch Silber ist teuer und zudem nicht unendlich verfügbar. Im Rahmen des Fraunhofer-Projekts wurde deshalb Silber teilweise durch Kupfer ersetzt. Dessen Leitfähigkeit ist nur geringfügig schlechter, zugleich ist das Metall aber deutlich billiger. Die meisten weltweit gebräuchlichen Stromkabel bestehen im Kern aus Kupfer, da dieses Metall nicht nur eine gute Leitfähigkeit hat, sondern auch vergleichsweise gut verfügbar ist. In der Erdkruste kommt Silber etwa 700- bis 800-mal seltener vor als Kupfer.
Kupfer statt Silber
Die elektrischen Kontakte und Leiterbahnen auf PV-Modulen werden üblicherweise in Form von Metallisierungspasten auf das Halbleitermaterial der Solarzelle aufgebracht. Solche Pasten bestehen in der Regel aus einer Mischung von Metallpulvern, anorganischen Komponenten wie Glas oder Metalloxiden sowie organischen Bindemitteln, Lösungsmitteln und Additiven. Dabei sorgen die Metallpulver für die elektrische Leitfähigkeit des Materials.
Auch bei den Solarzellen des Fraunhofer ISE kamen Metallisierungspasten zum Einsatz. Sie wurden per Siebdruckverfahren auf die Solarzellen appliziert. Ein optimierter Druckprozess sorgte zusätzlich für besonders feine Metallkontakte. „Mit neuartigen, ultrafeinen Maschensieben konnten wir eine Feinlinien-Vorderseitenmetallisierung mit Öffnungen bis zu 17 Mikrometern fein drucken – dünner als ein menschliches Haar“, erläutert Andreas Lorenz, Projektleiter am Fraunhofer ISE.
Um den Silberbedarf zu senken, ersetzten die Forschenden das Silber in der Metallisierungspaste für die Vorderseite der Solarzellen zum Teil und für die Rückseite komplett durch Kupfer. „Dank der ausbalancierten Kombination aus Silber-Kupfer-Paste auf der Vorderseite und reiner Kupfer-Paste auf der Rückseite in Verbindung mit einem optimierten Feinliniendruckverfahren konnten wir hocheffiziente Silizium-Heterojunction-Solarzellen mit einem minimalen Silberverbrauch von nur 1,4 mg Silber pro Watt Peak herstellen“, erklärt Sebastian Pingel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ISE.
Höherer Wirkungsgrad
Die Kupfer-metallisierten SHJ-Solarzellen überzeugen übrigens auch in Sachen Leistungsfähigkeit auf ganzer Linie. Sebastian Pingel: „Die Solarzellen erreichten in unserem Experiment sogar einen höheren Wirkungsgrad als die rein silbermetallisierten Referenzzellen.“
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Wenn Kupfer so viele Vorteile hat, warum hat die Photovoltaik-Branche dann nicht schon viel früher darauf gesetzt? Hauptgrund dafür war lange Zeit die unangenehme Eigenschaft von Kupfer, Defekte in der Siliziumschicht der Solarzellen zu erzeugen. Doch für dieses Problem hat das Fraunhofer ISE in den letzten Jahren eine Lösung entwickelt – im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte mit dem Anlagenbauunternehmen RENA Technologies. „Unser Trick ist, zwischen Silizium und Kupfer eine dünne Nickelschicht als Barriere einzufügen“, verrät Dr. Sven Kluska vom Fraunhofer ISE.
