Die effizientesten flexiblen Solarzellen der Welt
An der Empa entwickelte Technik ermöglicht flexible Solarzellen mit einer Rekord-Energieeffizienz von 18,7 Prozent.
Flexible und leichte Hochleistungs-Solarzellen – etwa auf Kunststofffolien – bergen ein bedeutendes wirtschaftliches Potential: Die Produktionskosten für Solarzellen liessen sich durch das Rolle-zu-Rolle-Produktionsverfahren deutlich senken. Wegen des hohen Wirkungsgrades würden zudem auch die Kosten für das Gesamtsystem fallen. Dies wäre ein weiterer Schritt auf dem Weg zu kostengünstig produziertem Solarstrom. Bis jetzt haben jedoch flexible, auf Kunststofffilmen aufgebrachte Solarzellen nicht die gewünschte Effizienz gezeigt; sie lagen weit hinter den Werten zurück, die mit Solarzellen auf Glassubstraten erreicht wurden. Der Grund: Beim Aufdampfen des Halbleitermaterials, das Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt, halten Polymerfilme nur weit geringere Prozesstemperaturen aus als Glasplatten. Dies führte zu geringerer Effizienz der produzierten Zelle.
Abb.: Verbesserung in der Effizienz der Energieumwandlung von flexiblen CIGS-Polymersolarzellen. (Bild: Empa)
Das Forschungsteam der Abteilung Dünnfilme und Fotovoltaik von Ayodhya Tiwari an der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa beschäftigt sich mit der Entwicklung von hocheffizienten Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, kurz CIGS, sowohl auf Glassubstraten als auch auf flexiblen Trägermaterialien. Der Gruppe, die zunächst an der ETH Zürich forschte und seit drei Jahren an der Empa tätig ist, gelang es in den vergangenen Jahren mehrfach, neue Effizienzrekorde für CIGS-Zellen aufzustellen. Mit dem aktuellen Rekordwert von 18,7 Prozent schloss Tiwari und sein Team nun beinahe die Effizienzlücke, die zuvor noch zwischen CIGS-Zellen auf flexiblen Materialien und auf Glas bzw. polykristallinen Siliziumsolarwafern bestand.
Um solch hohe Effizienzraten zu erreichen, musste Tiwaris Team die Rekombinationsverluste der durch Lichteinfall generierten Ladungsträger minimieren. Die CIGS-Schichten, die durch gleichzeitiges Aufdampfen der Elemente bei rund 450 Grad entstehen, haben einen starken Gradienten in der Zusammensetzung: Die Diffusion der Elemente zur Bildung der gewünschten CIGS-Phase ist ungenügend; vor allem diffundiert Gallium vorzugsweise zum elektrischen Rückseitenkontakt. Um dieses Problem zu umgehen, entwickelten die Doktoranden Adrian Chirilã und Patrick Bloesch einen neuen Aufdampf-Prozess, bei dem der Auftrag von Gallium und Indium in den verschiedenen Phasen der Fabrikation genau kontrolliert werden konnte. Das Ergebnis war eine optimierte Zusammensetzung der einzelnen Komponenten innerhalb der CIGS-Schicht. So fangen sie die Ladungsträger effizienter ein; die Rekombinationsverluste sind kleiner. CIGS-Solarzellen mit solch hoher Effizienz waren bisher nur auf Glassubstraten möglich, weil nur dort Produktionstemperaturen von mehr als 600 Grad erreichbar waren – Kunststofffolien halten solche Temperaturen nicht aus.
Tiwaris Forschungsgruppe gelang es nicht nur, einen Effizienzrekord von 18,7 Prozent auf Polymer-Folien zu setzen, sie erreichten auch auf einer Stahlfolie eine Effizienz von 17,7 Prozent – und das ohne eine Nitrid- oder Oxid-Sperrschicht zu benutzen, die gewöhnlich für Hochtemperaturprozesse auf Metallfolien nötig ist. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg i. Br. verifizierte diese Werte. Der Tieftemperatur-Herstellungsprozess ist also auch auf preiswerten Metallfolien anwendbar, etwa auf Aluminium- oder einfachen Schmiedestahlfolien und offenbart damit ein großes Kostensenkungspotenzial.
Empa / OD
