Materialwechsel Günstiges Kupfer ersetzt seltenes Silber in Solarzellen

Quelle: Pressemitteilung des Fraunhofer ISE

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Um dem Materialmangel zu begegnen und die Solarzellenproduktion wieder anzufachen, haben Forscher ein Verfahren entwickelt, mit dem Silber durch Kupfer ersetzt wird. Doch das ist nicht alles!

So sehen die Leiterbahnen auf einer Photovoltaikzelle aus. Sie sind bisher aus teurem und seltenem Silber. Die Versorgung ist bei steigender Nachfrage für Solartechnik fraglich. Forscher aus Freiburg können Silber nun durch günstiges Kupfer ersetzen. Das hat mehrere Vorteile.
So sehen die Leiterbahnen auf einer Photovoltaikzelle aus. Sie sind bisher aus teurem und seltenem Silber. Die Versorgung ist bei steigender Nachfrage für Solartechnik fraglich. Forscher aus Freiburg können Silber nun durch günstiges Kupfer ersetzen. Das hat mehrere Vorteile.
(Bild: Fraunhofer ISE)

Die Photovoltaik ist eine tragende Säule bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Sogenannte Heterojunction-Solarzellen gelten dafür als modern und hinterließen wegen ihres geringen Siliziumverbrauchs einen besonders niedrigen CO2-Fußabdruck. Nicht zuletzt erreichen in der industriellen Produktion die höchsten Wirkungsgrade. Darin liege die gute Chance, dass sich diese Technik zum Standard entwickeln könnte. Eine steigende Bedeutung der Photovoltaik würde außerdem durch Zahlen belegt: Nach Angaben der International Renewable Energy Agency (Irena) lag die globale Stromerzeugung aus Photovoltaikanlagen 2012 bei über 96 Terawattstunden und stieg bis 2020 auf knapp 831 Terawattstunden. In Deutschland stieg laut Umweltbundesamt die Stromerzeugung aus Photovoltaik im gleichen Zeitraum von knapp 27 auf fast 50 Terawattstunden.

Der Kampf um das rare Silber ruft nach Alternativen

In puncto Photovoltaik geht aber noch mehr, sagen die Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energie ISE. Das Problem: Bei der Herstellung der Solarzellen wird derzeit wertvolles Silber für die Leiterbahnen und Kontakte verwendet. Sie leiten den Strom ab, der in der Siliziumschicht durch die Sonneneinstrahlung entsteht. Die Preise für Silber steigen aber. Und schon heute macht Silber rund 10 Prozent des Herstellungspreises für eine Photovoltaikzelle aus, wie die Freiburger zu bedenken geben. Darüber hinaus sei Silber nur begrenzt auf der Erde verfügbar. Die Solarindustrie verarbeitet allein schon rund 15 Prozent des in Minen abgebauten Silbers. Durch das starke Wachstum müsste dieser Anteil stark steigen, was jedoch kaum realisierbar sei, weil auch andere Branchen, wie die Elektromobilität oder die 5G-Technologie, mehr Silber für sich beanspruchten. Die Solarindustrie braucht also Alternativen, um ihre volle Leistungskraft umsetzen zu können.

Die ISE-Wissenschaftler stellen sich dieser Herausforderung, heißt es weiter. Ein Team um Dr. Markus Glatthaar, Experte für Metallisierung und Strukturierung, hat nun bereits ein Galvanikverfahren entwickelt, bei dem das Silber bei der oben angesprochenen Heterojunction-Technik durch Kupfer ersetzt werden kann. Das lohnt sich, denn Kupfer ist um ein Vielfaches preiswerter und leichter verfügbar als Silber. Wie die Experten betonen, wird sogar die Leistung verbessert, weil die Kupferleiter durch Laserstrukturierung besonders schmal sind. Sie sind nur noch 19 Mikrometer dünn und schatten die stromerzeugende Siliziumschicht nicht so stark ab wie die Silberleiter.

Mit dem Laserstrukturieren lässt sich die Kupferleiterbahn auf der Solarzelle, die Silber ersetzt, auf 19 Mikrometer reduzieren. Und der halbrunde Querschnitt unterstützt die Leitfähigkeit.
Mit dem Laserstrukturieren lässt sich die Kupferleiterbahn auf der Solarzelle, die Silber ersetzt, auf 19 Mikrometer reduzieren. Und der halbrunde Querschnitt unterstützt die Leitfähigkeit.
(Bild: Fraunhofer ISE)

Nächster Vorteil: Aluminium- statt Kunststoffmaskierung

Damit nicht die gesamte elektrisch leitfähige Oberfläche der Solarzelle galvanisch mit Kupfer beschichtet wird, müssen die Bereiche, die davon frei bleiben sollen abgedeckt – maskiert – werden. Die Maskierung besteht aus einer elektrisch isolierenden Schicht, die eine galvanische Abscheidung unterbindet. So lagere sich nur in den nicht isolierend beschichteten Bereichen die Kupferschicht ab.

Die Forschenden haben hier noch einen zweiten wesentlichen Fortschritt erzielt, wie sie betonen. Denn für die Maskierung des Silizium-Wafers im Elektrolytbad wurde bisher recht teure Lacke oder Kunststofffolien eingesetzt. Die fachgerechte Entsorgung der Polymere sei aber aufwendig und verursache viel Müll. Glatthaar und seinem Team ist es nun aber gelungen, die Polymere durch Aluminium zu ersetzen. Ebenso wie Kupfer lässt sich Aluminium nämlich vollständig recyceln. Der doppelte Umstieg, also von Silber auf Kupfer und von Kunststoff auf Aluminium, mache die Herstellung der Solarzellen nachhaltiger und gleichzeitig deutlich günstiger.

Eine Schwierigkeit bestehe aber darin, dass Aluminium elektrisch bekanntlich gut leitfähig ist und insofern gar nicht als Maskierung taugt. Die Fraunhofer-Forscher machen sich aber zunutze, dass Aluminium an der Oberfläche von selbst eine isolierende Oxidschicht ausbildet. Diese ist zwar nur wenige Nanometer dick, doch ist es gelungen, die Prozessparameter anzupassen und dabei einen speziellen Elektrolyt zu entwickeln, sodass im Ergebnis die extrem dünne, native Oxidschicht des Aluminiums ihre isolierende Funktion zuverlässig erfüllen kann, wie das Team um Glatthaar nicht ohne Stolz erklärt.

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Die recycelbaren Werkstoffe Kupfer und Aluminium bringen die Photovoltaikproduktion damit auch der Kreislaufwirtschaft einen Schritt näher. Damit verbessern sich auch die Umwelt- und Sozialstandards. Weil Deutschland genug Kupfer hat, sind die Lieferketten kürzer und man ist vom Preis auf den internationalen Rohstoffmärkten oder von ausländischen Lieferanten nicht mehr so stark abhängig.

Neues Spin-off soll die Markteinführung beschleunigen

Um die vielversprechende Alternative schneller auf den Markt zu bringen, hat das Fraunhofer ISE das Spin-off PV2+ gegründet. Die Buchstaben P und V stehen für Photovoltaik, 2+ für zwei positiv geladene Kupferionen im Galvanikbad. Das Unternehmen hat seinen Sitz ebenfalls in Freiburg. Fraunhofer-Forscher Markus Glatthaar fungiert als CEO des Spin-offs. Er will bereits Anfang 2023 gemeinsam mit Industriepartnern eine Pilotproduktion aufbauen.

Prof. Dr. Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer ISE, erklärt: „Das Spin-off hat beste Chancen, sich schnell und erfolgreich auf dem Markt zu etablieren.“ Zudem fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) das Vorhaben im Rahmen seines Gründerprogramms „Exist“.

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