HALBION – Half bifacial back-contacted silicon heterojunction solar cells

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501975

Key words (English)

Photovoltaics; Solar cells; Crystalline silicon; Heterojunction; Back-contacts; Bifacial; Half-cells

Short description (English)

HALBION aims at fostering the deployment of cost-competitive, highly efficient solar cells by further developing the “tunnel-IBC” technology, a very lean yet remarkably efficient back-contacted silicon heterojunction solar cell architecture developed by the project partners. HALBION will hence (i) demonstrate tunnel-IBC devices with >26% efficiency, (ii) investigate the potential of half tunnel-IBC devices to lower the cell-to-module losses, and (iii) develop the appropriate metrology tools.

Short description (French)

HALBION se propose de promouvoir le déploiement de cellules solaires à haute efficacité à des coûts compétitifs via la technologie IBC-tunnel, une architecture de cellules solaires à contacts arrières simple et cependant très efficace développée par les partenaires du projet. Ainsi, HALBION démontrera des cellules IBC-tunnel avec une efficacité >26%, étudiera le potentiel des demi-cellules IBC-tunnel pour réduire les pertes cellule/module, et développera les outils de métrologie nécessaires.

Final report (German)

Das Projekt HALBION zielt darauf ab, den Einsatz von PV-Strom in grossem Maßstab zu begünstigen, indem die Entwicklung hocheffizienter Solarzellen zu wettbewerbsfähigen Kosten vorangetrieben wird. Zu diesem Zweck zeigen rückseitenkontaktierte kristalline Silizium-Solarzellen mit passivierten Kontakten die höchsten Umwandlungswirkungsgrade für kristalline Silizium-Solarzellen mit nur einem Halbleiterübergang. Trotz beeindruckenden Ergebnissen und ganz gleich, welche Materialien für die passivierten Kontakte gewählt werden, bestehen nach wie vor grosse Vorbehalte hinsichtlich der Kosteneffizienz solcher rückseitig kontaktierten Solarzellentechnologien. Im Rahmen des Projekts HALBION wird ein Weg zur Senkung der Gesamtkosten (Costs of ownership, CoO) von rückseitig kontaktierten amorph/kristallinen Silizium-Heteroübergang-Solarzellen (BC-SHJ) vorgeschlagen, indem die Herstellung der einzelnen Zellen sowie deren Modulverschaltung, die so genannte "Tunnel-IBC"-Technologie, drastisch vereinfacht wird.

Im Rahmen des HALBION-Projekts wurden Tunnel-IBC-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 25,4 % auf einer Fläche von 200 cm² und 24,4 % bei voller M2-Wafergrösse demonstriert. Ein kosteneffizienter Silber-freier Metallisierungsansatz für diese Zellen wurde erfolgreich entwickelt und wird in der Pilotproduktion eingesetzt. Es wurden Indium-freie transparente leitfähige Oxide (transparend conductive oxides, TCOs) untersucht und in verbesserte Rückseitenreflektoren integriert, die Kurzschlussstromdichten von bis zu 42,5 mA/cm² aufweisen und damit nur 0,2 mA/cm² unter dem IBC-Weltrekord der Firma Kaneka liegen. Schließlich lieferte das HALBION-Projekt aufschlussreiche Ergebnisse über das Laserschneiden von Half-IBC-Solarzellen zur Verringerung der Verschaltungsverluste auf Modulebene.

Alle im Rahmen von HALBION erzielten Ergebnisse sind wertvolle Grundlagen für das am 1. Mai 2021 gestartete BFE-Projekt SIRIUS, das auf die Entwicklung einer Tunnel-IBC-Pilotlinie in der Schweiz abzielt.

Final report (English)

The HALBION project aims at nurturing the large-scale deployment of PV electricity by fostering the development of highly efficient solar cells produced at competitive cost. Along these lines, back-contacted crystalline silicon solar cells with passivated contacts demonstrated the highest conversion efficiencies for single junction, crystalline silicon-based solar cells. In spite of these impressive results, and regardless of the materials chosen for the passivated contacts, severe concerns still remain about the cost-effectiveness of such back-contacted solar cell technologies. In the frame of the HALBION project, a route is proposed to decrease the cost of ownership (CoO) of back-contacted amorphous/crystalline silicon heterojunction (BC-SHJ) solar cells by dramatically simplifying the fabrication of the individual devices as well as the module interconnection of these latter, the so-called “tunnel-IBC” technology.

Remarkably, the HALBION project demonstrated tunnel-IBC devices with power conversion efficiencies up to 25.4 % on 200 cm² designated area and 24.4 % at full M2 wafer size. A cost-efficient Ag-free metallization approach for these devices was successfully developed and will be implemented at pilot production level. Indium-free transparent conductive oxides (TCOs) were investigated and integrated into improved rear reflectors demonstrating short-circuit current densities up to 42.5 mA/cm², hence only 0.2 mA/cm² short from the Kaneka’s IBC world record. Finally, the HALBION project provided insightful results into the laser cutting of half-IBC solar cells for reducing the interconnection losses at module level.

Importantly, all results obtained in HALBION are valuable steppingstones to be used in the SFOE’s P+D SIRIUS project, started 1^st of May 2021, aiming at developing a tunnel-IBC pilot line in Switzerland.

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• Final Report [PDF] 7'077 kB

Final report (French)

Le projet HALBION vise à favoriser le déploiement à grande échelle de l'électricité photovoltaïque en encourageant le développement de cellules solaires hautement efficaces et produites à un coût compétitif. Dans cette optique, les cellules solaires en silicium cristallin à contact arrière avec des contacts passivés ont démontré les rendements de conversion les plus élevés pour des cellules solaires à base de silicium cristallin à jonction unique. En dépit de ces résultats impressionnants, et quels que soient les matériaux choisis pour les contacts passivés, d’important défis et interrogations subsistent concernant la rentabilité de ces technologies de cellules solaires à contact arrière. Dans le cadre du projet HALBION, une approche est proposée pour réduire le coût total de possession (cost of ownership CoO) des cellules solaires à hétérojonction de silicium amorphe/cristallin à contact arrière (IBC-SHJ) en simplifiant considérablement la fabrication des dispositifs individuels ainsi que l'interconnexion des modules de ces derniers en utilisant la technologie dite "tunnel-IBC".

De manière remarquable, le projet HALBION a démontré des dispositifs de type tunnel-IBC avec des rendements de conversion de puissance allant jusqu'à 25,4 % sur une surface désignée de 200 cm2 ainsi que 24,4 % sur une cellule solaire de taille M2. De plus, une approche rentable de métallisation sans argent pour ces dispositifs a été développée avec succès et sera mise en œuvre au niveau de la production pilote. Des oxydes conducteurs transparents (TCO) sans indium ont été étudiés et intégrés dans des réflecteurs arrières améliorés présentant des densités de courant de court-circuit allant jusqu'à 42,5 mA/cm2, soit seulement 0,2 mA/cm2 de moins que le record mondial IBC de Kaneka. Enfin, le projet HALBION a fourni des résultats très intéressants sur la découpe au laser de demi-cellules solaires IBC pour réduire les pertes d'interconnexion au niveau des modules.

Il est important de noter que tous les résultats obtenus dans le cadre d'HALBION constituent des tremplins précieux pour le projet P+D SIRIUS de l'OFEN, qui a démarré le 1er mai 2021 et vise à développer une ligne pilote IBC en Suisse.