BSC – Bifacial Solar Cells: Geschichte der bifazialen bzw. zweiflächigen Solarzelle

Eine Silizium-Solarzelle wurde erstmals 1946 von Russell Ohl patentiert, als er in den Bell Labs arbeitete, und 1954 von Fuller, Chapin und Pearson in derselben Forschungseinrichtung öffentlich vorgeführt; bei diesen ersten Vorschlägen handelte es sich jedoch um monofaciale Zellen, deren Rückseite nicht aktiv sein sollte.

Die erste theoretisch vorgeschlagene bifaciale Solarzelle findet sich in einem japanischen Patent mit Prioritätsdatum 4. Oktober 1960 von Hiroshi Mori, der für das Unternehmen Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha (Hayakawa Electric Industry Co. Ltd.) arbeitete, das sich später zur heutigen Sharp Corporation entwickelte. Bei der vorgeschlagenen Zelle handelte es sich um eine pnp-Zweifachzellenstruktur mit Kontaktelektroden an zwei gegenüberliegenden Kanten.

Die ersten Demonstrationen bifacialer Solarzellen und -paneele wurden jedoch im Rahmen des sowjetischen Raumfahrtprogramms in den militärischen LEO-Raumstationen Salyut 3 (1974) und Salyut 5 (1976) durchgeführt. Diese bifacialen Solarzellen wurden von Bordina et al. am VNIIT (All Union Scientific Research Institute of Energy Sources) in Moskau entwickelt und hergestellt, das 1975 zum russischen Solarzellenhersteller KVANT wurde. 1974 meldete dieses Team ein US-Patent an, in dem die Zellen in Form von Mini-Parallelepipeden mit einer maximalen Größe von 1 mm x 1 mm x 1 mm vorgeschlagen wurden, die so in Reihe geschaltet waren, dass 100 Zellen/cm2 vorhanden waren. Wie bei den heutigen BSCs schlugen sie die Verwendung von isotypischen Verbindungen pp+ in der Nähe einer der lichtempfangenden Oberflächen vor. In Saljut 3 zeigten kleine Versuchspaneele mit einer Gesamtzellfläche von 24 cm2 eine Steigerung der Energieerzeugung pro Satellitenumdrehung aufgrund der Albedo der Erde um bis zu 34 % im Vergleich zu den damaligen monofazialen Paneelen. Während des Fluges der Raumstation Saljut 5 wurde ein Gewinn von 17-45 % durch die Verwendung bifazialer Paneele (0,48 m2 – 40 W) festgestellt.

Parallel zu dieser russischen Forschung führt auf der anderen Seite des Eisernen Vorhangs das Halbleiterlabor der School of Telecommunication Engineering der Technischen Universität Madrid unter der Leitung von Professor Antonio Luque unabhängig ein umfassendes Forschungsprogramm zur Entwicklung industriell einsetzbarer bifacialer Solarzellen durch. Während das Patent von Mori und die Prototypen des VNIIT-KVANT im Raumschiff auf winzigen Zellen ohne Metallgitter auf der Oberfläche basierten und daher kompliziert miteinander verbunden waren, eher im Stil der mikroelektronischen Geräte, die damals in ihren Anfängen waren, wird Luque zwei spanische Patente in den Jahren 1976 und 1977 und eines in den Vereinigten Staaten im Jahr 1977 einreichen, die Vorläufer der modernen bifacialen Zellen waren. Die Patente von Luque waren die ersten, die BSCs mit einer Zelle pro Siliziumscheibe vorschlugen, wie es damals bei monofacialen Zellen der Fall war und auch heute noch ist, mit Metallgittern auf beiden Oberflächen. Sie berücksichtigten sowohl die npp+-Struktur als auch die pnp-Strukturen.

Die Entwicklung von BSCs im Halbleiterlabor wurde in einem dreifachen Ansatz angegangen, der zu drei Doktorarbeiten führte, verfasst von Andrés Cuevas (1980), Javier Eguren (1981) und Jesús Sangrador (1982), wobei die ersten beiden von Luque betreut wurden und die dritte von Dr. Gabriel Sala aus derselben Gruppe. Die Doktorarbeit von Cuevas bestand in der Konstruktion des ersten Patents von Luque aus dem Jahr 1976, das aufgrund seiner transistorähnlichen npn-Struktur als „Transzelle“ bezeichnet wurde. In seiner Dissertation befasste sich Eguren mit der Demonstration des zweiten Patents von Luque aus dem Jahr 1977 mit einem npp+-Dotierungsprofil, bei dem der pp+-Isotopie-Übergang neben der Rückseite der Zelle liegt, wodurch das entsteht, was in der Solarzellentechnologie üblicherweise als „back surface field“ (BSF) bezeichnet wird. Diese Arbeit führte zu mehreren Veröffentlichungen und zusätzlichen Patenten. Insbesondere die vorteilhafte Wirkung der Verringerung der p-Dotierung in der Basis, bei der die Verringerung der Spannung im Emitter-Übergang (vorderer p-n-Übergang) durch eine Spannungserhöhung im hinteren isotypischen Übergang kompensiert wurde, während gleichzeitig eine höhere Diffusionslänge von Minoritätsträgern ermöglicht wurde, die die Stromabgabe bei bifazialer Beleuchtung erhöht. In Sangradors Dissertation und drittem Entwicklungsweg an der Technischen Universität Madrid wurde die so genannte vertikale, kantenbeleuchtete Mehrfachsolarzelle vorgeschlagen, bei der p+nn+ gestapelt und in Reihe geschaltet sind und von ihren Kanten beleuchtet werden, wobei es sich um Hochspannungszellen handelt, die kein Oberflächenmetallgitter zur Stromgewinnung benötigen.

1979 wurde das Halbleiterlabor in das Institut für Solarenergie (IES-UPM) umgewandelt, das mit Luque als erstem Direktor die intensive Forschung an bifacialen Solarzellen bis ins erste Jahrzehnt des 21. So entwickelten und produzierten beispielsweise 1994 zwei brasilianische Doktoranden am Institut für Solarenergie, Adriano Moehlecke und Izete Zanesco, zusammen mit Luque eine bifaziale Solarzelle, die auf der Vorderseite 18,1 % und auf der Rückseite 19,1 % leistete; ein bifazialer Rekord von 103 % (zu dieser Zeit lag der Rekordwirkungsgrad für monofaziale Zellen bei knapp unter 22 %).

 

 

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