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Jörg Schube

Kurzvita 

Jörg Schube wurde am 8. Oktober 1988 in Schorndorf geboren.

Nach erfolgreichem Abitur am Heinrich-von-Zügel-Gymnasium in Murrhardt studierte er Physik, Philosophie und Germanistik an der Eberhard Karls Universität in Tübingen. Die Wissenschaftliche Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien legte Jörg Schube 2016 mit der Gesamtnote „mit Auszeichnung bestanden“ 1,0 ab. Schwerpunkte seiner Studien waren Elementarteilchenphysik (Abschlussarbeit über den Higgs-Mechanismus) und Philosophie des Geistes. Zahlreiche praktische Erfahrungen über das Studium hinaus im handwerklichen, (sozial-)pädagogischen aber auch akademischen Bereich runden sein vielseitiges Profil ab. 2017 entschloss sich Jörg Schube, anstatt des Referendariats eine Stelle als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg im Bereich Photovoltaik anzutreten.

 

Kurzbeschreibung des Promotionsvorhabens mit dem Titel „Metallisierung von Si-Solarzellen mit passivierten Kontakten“

Solarzellen mit passivierten Kontakten (z.B. HIT-, TOPCon-, poly-Si-Solarzellen) können mit ihren hohen Wirkungsgraden von über 25% einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende leisten. – Jedoch nur, wenn sie in ein industrielles Umfeld integriert werden. Von technologischer Seite aus steht dem im Wesentlichen die Tatsache entgegen, dass noch kein Metallisierungsverfahren entwickelt wurde, das mit diesen neuartigen Zellkonzepten einerseits und mit industrieller Massenproduktion andererseits kompatibel ist. Diese Promotionsarbeit macht sich die Entwicklung eines solchen Verfahrens auf Pilotlinienniveau zur Aufgabe, wobei folgende Kernfragen zu beantworten sind: Welche Möglichkeiten zur Metallisierung von Solarzellen mit passivierten Kontakten gibt es, die… 

a) … kosten- und ressourceneffektiv sind?

Es sollen in dieser Arbeit Metallpasten und -tinten evaluiert und charakterisiert werden, die weniger Silber enthalten oder in welchen dieses Metall gänzlich substituiert wird, z.B. durch Kupfer, Graphen oder andere leitfähige Materialien. Dadurch und durch die Möglichkeit des hohen Durchsatzes des photonischen Sinterprozesses (Siehe Abschnitt c)!) ergibt sich ein großes Kosten- und Ressourceneinsparungspotential. Zu optimierende Parameter sind hier die elektrische Leitfähigkeit der gedruckten Strukturen (Kontaktfinger) sowie deren Kontaktwiderstand zum Substrat. 

b) … die elektrischen und optischen Verluste durch das metallische Kontaktgitter möglichst gering sind?

Weiter werden Druckverfahren untersucht, mit welchen sich unter Verwendung der evaluierten Pasten und Tinten Kontaktgitter mit hohem Aspektverhältnis drucken lassen, welche das Substrat nur sehr wenig abschatten, aber dennoch einen hohen Querschnitt aufweisen und damit einen geringen elektrischen Widerstand ermöglichen. 

c) … die Passivierqualität und damit die Effizienz der Solarzelle möglichst nicht beeinträchtigt wird?

Die konventionelle Kontaktierung von Solarzellen mit einem metallischen Kontaktgitter erfolgt bei sehr hohen Temperaturen um 800°C. Solarzellen mit passivierten Kontakten neigen je nach Ansatz dazu, bei hohen Temperaturen ihre Passivierqualität zu verlieren und damit auch ihre hohe Effizienz. (Der zu optimierende Parameter ist hier die Minoritätsladungsträgerlebensdauer.) Dieser unerwünschte Effekt kann umgangen werden, indem hohe Prozesstemperaturen generell vermieden werden, oder indem nur selektiv erhitzt wird. Ersterer Ansatz wird bereits realisiert; allerdings kommen hier Polymer-basierte Pasten zum Einsatz, deren Leitfähigkeit sechs bis zehnmal schlechter ist als die von elementarem Silber. Die daraus resultierenden Verluste sowie der hohe Silberverbrauch machen diesen Ansatz weniger attraktiv.

Letzterer Ansatz des selektiven Erhitzens hat in der Photovoltaik bislang keine Anwendung. Hinter diesem steckt die Idee, ausschließlich das Metall zu erhitzen, wobei das Substrat nur eine geringe Temperaturänderung erfährt. Auf diesen neuartigen Ansatz wird diese Arbeit ihren Fokus richten. Vielversprechende Möglichkeiten bietet hier photonisches Sintern. Dabei wird die Solarzelle mit der aufgedruckten Metallpaste ganzflächig mit einem sehr kurzen (UV-)Lichtblitz beleuchtet. Die Paste, welche u.a. Metall-Nanopartikel enthalten kann, absorbiert dabei das Licht und wird so heiß, dass unter Ausnutzung der "Melting-point-depression" die Partikel sintern und einen Kontakt ausbilden. Aufgrund seiner wesentlich höheren thermischen Masse sowie seiner im Vergleich zur Paste geringeren Absorption elektromagnetischer Wellen wird das Substrat weit weniger stark erhitzt als das Metall, bzw. es können Erwärmungszeiten realisiert werden, welche unterhalb der Materialdegradation liegen. 

d) … eine Integration des Prozesses in ein industrielles Umfeld möglich ist?

Das hier skizzierte zu entwickelnde Metallisierungsverfahren baut auf dem bisherigen industriellen Standard-Druckprozess, dem Siebdruck, auf und verzichtet auf komplexe Verfahren, wie zum Beispiel Photolithographie. Soll er in bereits bestehende Produktionslinien integriert werden, ist für diese also keine Modifikation im Bereich des Drucks erforderlich.

Weiter verspricht der Einsatz ressourcenschonender Pasten und Tinten sowie die Substitution des herkömmlichen Kontaktfeuerns durch photonisches Sintern enorme Kosten- und Ressourceneinsparungspotentiale durch kurze Prozesszeiten in der Größenordnung von Millisekunden. So kann dieser Prozess Solarzellen mit passivierten Kontakten den Weg in die industrielle Massenproduktion ebnen.