Passivierende Pinholes für großflächige, hocheffiziente Silizium-Solarzellen mit Tunneloxid-passiviertem Kontakt

Warum winzige Fehler für Solarenergie wichtig sind

Moderne Silizium-Solarmodule sind bereits bemerkenswert gut darin, Sonnenlicht in Strom umzuwandeln. Um sie jedoch noch näher an ihre physikalischen Grenzen zu bringen, muss man verstehen, was auf unvorstellbar kleinen Skalen geschieht. Diese Studie blickt tief in eines der führenden heutigen Solarzellentypen, genannt TOPCon, und zeigt, dass vermeintlich schädliche Fehler auf atomarer Ebene sich tatsächlich in nützliche Eigenschaften verwandeln lassen. Indem die Autorinnen und Autoren lernen, diese nanoskaligen „Pinholes“ zu kontrollieren, demonstrieren sie, wie man großflächige, fabrikreife Solarzellen mit Rekordwirkungsgraden bauen kann.

Eine neue Art von Silizium-Solarzelle

Silizium-Solarmodule versorgen inzwischen alles vom Hausdach bis zu großen Solarkraftwerken in Wüstengebieten, und TOPCon-(Tunneloxid-passivierte Kontakt-)Zellen etablieren sich als Arbeitspferd-Technologie. In diesen Bauteilen liegt eine dünne isolierende Schicht aus Siliziumoxid zwischen dem Hauptsiliziumwafer und einer stark dotierten Siliziumschicht, die hilft, Ladungsträger herauszuführen. Diese Architektur kann theoretisch sehr hohe Leistungsumwandlungswirkungsgrade bei niedrigen Kosten liefern, was sie attraktiv für den massiven Ausbau der Solarenergie macht, der zur Erreichung von Klima- und CO2-Neutralitätszielen notwendig ist. Unternehmen und Forschungseinrichtungen haben bereits TOPCon-Zellen mit Wirkungsgraden über 26 % berichtet, und in einigen Regionen sind die Industriestrompreise auf Bruchteile eines Cents pro Kilowattstunde gesunken.

Das Rätsel der mikroskopischen Lücken

Trotz dieser Erfolge blieben die mikroskopischen Details, wie TOPCon-Zellen funktionieren, undurchsichtig. Insbesondere wurde lange über die Rolle von „Pinholes“ — winzigen Stellen, an denen die Oxidschicht gestört ist und die beiden Siliziumbereiche direkter miteinander interagieren können — diskutiert. Die konventionelle Ansicht war, dass diese Pinholes größtenteils schädlich seien: Bereiche, in denen die schützende Oxidschicht fehlt und Defekte Ladungsträger rekombinieren lassen, wodurch Energie verloren geht. Doch Experimente und Computermodelle stimmten nicht vollständig darin überein, wie schädlich Pinholes wirklich sind oder wie viele toleriert werden können, bevor die Leistung nachlässt. Diese Unsicherheit begrenzte die Fähigkeit der Hersteller, ihre Prozesse fein abzustimmen.

Die Schnittstelle Atom für Atom sehen

Um dieses Rätsel zu lösen, nutzte das Team hochmoderne Elektronenmikroskope, die einzelne atomare Säulen an der Schnittstelle zwischen Siliziumwafer, Oxid und der polykristallinen Siliziumschicht abbilden können. Sie verglichen industriell gefertigte TOPCon-Zellen, die sich in der Effizienz um etwa 1,3 Prozentpunkte unterschieden, unter konventionelleren Mikroskopen jedoch nahezu identisch aussahen. Mit höherer Auflösung und chemischer Kartierung entdeckten sie, dass nicht alle Pinholes gleich sind. Einige Pinholes fehlen vollständig an Sauerstoff und erzeugen direkten Silizium–Silizium-Kontakt, der voller Defekte ist; diese verhalten sich wie echte „Rekombinations-Pinholes“, die die Leistung der Zelle mindern. Andere enthalten dagegen noch genügend Sauerstoffatome, um freie Bindungen chemisch zu „beruhigen“, sind aber dünn genug, dass Ladungen tunneln können. Die Autorinnen und Autoren bezeichnen diese neu erkannten Strukturen als „passivierende Pinholes“.

Fehler in Funktionen verwandeln

Durch sorgfältiges Aufschneiden von Zellen in verschiedenen Richtungen und Zählen dieser winzigen Strukturen stellten die Forschenden fest, dass leistungsstarke Bauteile tatsächlich eine enorme Anzahl von Pinholes enthalten — in der Größenordnung von einer Billion pro Quadratzentimeter — weit mehr als frühere Schätzungen. Entscheidend ist, dass die besten Zellen von der passivierenden Sorte dominiert werden. Modellierungen zeigen, dass nicht die exakte Größe oder der Abstand der Pinholes am wichtigsten ist, sondern wie gut ihre Oberflächen chemisch gezähmt sind. Sind die Pinholes gut passiviert, bieten sie viele kleine elektrische Wege mit geringem Widerstand, verbessern den Ladungstransport, ohne übermäßige Verluste einzuführen. Prozessmessungen stützen diese Sichtweise: Zellen mit vielen passivierenden Pinholes zeigen längere Trägerlebensdauern, höhere Leerlaufspannungen, niedrigeren Kontaktwiderstand und gleichmäßige Leistung über große Industrie-Wafer. Mit diesem Ansatz demonstriert das Team kommerzielle Zellen mit einem zertifizierten Wirkungsgrad von 25,40 % und exzellentem Spannungsoutput.

Leitlinien für die nächste Generation von Solarzellen

Die Arbeit deutet auf einen Wandel in der Denkweise der Solartechnologen hinsichtlich Unvollkommenheiten an Schnittstellen hin. Anstatt zu versuchen, Pinholes vollständig zu eliminieren, wird das Ziel sein, sie so zu gestalten, dass sie sauerstoffreich und elektrisch schonend bleiben. Die Studie nennt praktische Stellschrauben — etwa Oxidationstemperatur, Sauerstoffzufuhr und nachfolgende Wärmebehandlungen — die Hersteller anpassen können, um passivierende Pinholes gegenüber schädlichen zu begünstigen. Für Laien lautet die Kernaussage: Indem Ingenieure Strukturen beherrschen, die nur ein paar Milliardenstel Meter groß sind, können sie mehr Strom aus derselben Sonnenmenge herausholen, Kosten senken und die Verbreitung sauberer Energietechnologien beschleunigen.

Zitation: Zhang, W., Zhang, K., Bai, Y. et al. Passivating pinholes for large-area and high-efficiency silicon solar cells with tunnel oxide passivated contact. Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

Schlüsselwörter: Silizium-Solarzellen, TOPCon, Pinholes, Schnittstellenpassivierung, photovoltaische Effizienz