Das Institut für Physikalische Elektronik (IPE) der Universität Stuttgart arbeitet seit vielen Jahren erfolgreich an der Entwicklung von neuen Prinzipien und Herstellprozessen für Solarzellen. Jetzt ist den Doktoranden Sebastian Eisele, Tobias Röder zusammen mit Dr. Jürgen Köhler am IPE von Prof. Jürgen H. Werner ein neuer Coup gelungen: Die Gruppe hat mit dem Laser eine Solarzelle aus kristallinem Silizium hergestellt, die einen Wirkungsgrad von 19 % hat. Bisherige „laserdotierte“ Solarzellen hatten nur einen Wirkungsgrad von 16 %. Der industrietaugliche Prozess eignet sich besonders für noch dünnere Solarzellen. Bei der Herstellung von Solarzellen ist es in der Industrie bisher üblich, Siliziumscheiben bei hohen Temperaturen in einem Diffusionsofen mit dem für die Funktionsweise der Solarzelle entscheidenden pn-Übergang, einem Materialübergang in Halbleiterkristallen, zu versehen.

Die Stuttgarter Wissenschaftler dagegen erreichen diesen Übergang mit einem gepulsten Laser. Hierzu wird auf die Oberfläche einer Siliziumscheibe, die den elektrischen Strom durch Defektelektronen leitet (p-Typ) leitet, zunächst eine hauchdünne Phosphorschicht aufgebracht. Anschließend heizt ein circa eine Milliardstel Sekunde kurzer Laserpuls die Siliziumschicht in einer Tiefe von weniger als einem Millionstel Meter auf etwa 2 000 °C auf. Der Phosphor an der Oberfläche mischt sich mit dem bei dieser Temperatur flüssigen Silizium und wird dann in Sekundenbruchteilen in das kristallisierende Silizium eingebaut. So konvertiert der Phosphor an der Siliziumoberfläche das ursprüngliche p-Typ-Silizium in den n-Typ (normale Elektronen) und bildet den pn-Übergang. Für die Qualität der Solarzelle ist es entscheidend, dass der Laser nur auf einen etwa fünf Tausendstel Millimeter breiten (aber einige Zentimeter langen) Streifen fokussiert ist; nur so gelingt die Herstellung des pn-Übergangs in dem patentierten Verfahren völlig defektfrei. Der entscheidende Herstellprozess der Solarzelle dauert an jeder Stelle nur etwa 100 Milliardstel Sekunden.

Der Laser wird deshalb Schuss für Schuss im zeitlichen Abstand von weniger als einer zehntausendstel Sekunde über die Oberfläche der Siliziumscheibe gerastert. So ist es möglich, auch große Solarzellenflächen in sehr kurzer Zeit zu bearbeiten. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Solarfirmen arbeitet das IPE jetzt an der Industrialisierung des Prozesses, der die Herstellkosten von Solarzellen weiter senken wird. Info: Prof. Jürgen Werner, Institut für Physikalische Elektronik, Fon +49/7 11/6 85-6 71 40, juergen.werner@ipe.uni-stuttgart.de