Dünnschicht-Solarzellen noch dünner

Große Solarparks etwa in der Wüsten­region im Süden Kaliforniens sind mit Solar­zellen aus Silizium und zunehmend auch aus Cadmium­tellurid bestückt. Dabei stehen die Wirkungs­grade von CdTe-Dünnschicht­zellen mit bis zu 21,5 Prozent denen von Silizium kaum noch nach. Einen Weg, um die bereits nur wenige Mikro­meter dünne licht­aktive Schicht noch weiter schrumpfen zu lassen, fanden nun Solarzell­forscher von der Arizona State University. Sie präsentierten eine mono­kristalline CdTe-Dünnschicht­zelle mit einer bisher unerreicht hohen Leerlauf­spannung von über einem Volt.

Ein ausgeklügeltes, mehrschichtiges Zelldesign ist der Schlüssel für höhere Wirkungs­grade bei extrem dünnem Material­auftrag. Yuan Zhao und seine Kollegen vom Center for Photonics Innovation deponierten mittels Molekular­strahl­epitaxie eine 500 Nanometer dünne, kristalline Cadmium­tellurid-Schicht auf einem Indium­antimon-Substrat. Auf diese Kontakt­schicht folgte als Rück­seiten­barriere eine nur 50 Nanometer dünne doppelte Hetero­struktur aus Cadmium­tellurid, dotiert mit Magnesium. Als Absorber­material legten sie darauf wiederum eine bis zu 1,5 Mikrometer dicke Cadmium­tellurid-Schicht, die ebenfalls mit einer Magnesium dotierten Front­seiten­barriere bedeckt war.

Diese Struktur war optimal auf die die Band­lücke des Materials abgestimmt. Durch die neu­artigen Barriere­schichten ließ sich die in einer Solar­zelle unerwünschte Rekombination von Elektronen und Elektronen­löchern an den Grenz­flächen zur Absorber­schicht unterdrücken. Der Prototyp zeigte eine ausgesprochen hohe Leer­lauf­spannung von bis zu 1,096 Volt. Bisher ließen sich nur Werte um 0,9 Volt realisieren. Bestimmt wird die Leer­lauf­spannung durch den Abstand zwischen Valenz- und Leitungs­band des Halbleiter­materials.

Der Prototyp selbst erreichte zwar einen guten, aber nicht rekord­verdächtigen Wirkungs­grad von 17 Prozent. Doch die Forscher sind davon überzeugt, dass sich mit ihrer Zell­architektur diese Werte in Kürze deutlich steigern ließen. Ohne konkrete Zahlen zu nennen, kündigten sie bereits die Vorstellung einer neuen Rekord­zelle für die kommende Fach­tagung IEEE Photovoltaic Specialists Conference im Juni in Portland an.

Mit diesem kleinen Fortschritt könnten Dünnschicht-Solar­zellen aus Cadmium­tellurid in Zukunft mit noch dünneren Schichten auskommen und sich weiter gegenüber den Konkurrenz­zellen auf Silizium­basis behaupten. Der Vorteil der Dünn­schicht-Solar­zellen liegt nicht nur in dem geringeren Material­bedarf, sondern vor allem in einem deutlich einfacheren und schnelleren Fertigungs­prozess von knapp zwei Stunden im Vergleich zu etwa einem halben Tag bei poly­kristallinen Silizium­zellen.

Zu den internationalen Marktführern für CdTe-Dünn­schicht­zellen zählt das amerikanische Unternehmen First Solar in Tempe. Zhaos Arbeits­gruppe hat den aktuellen Prototypen in ihrem Universitäts­labor in der gleichen Stadt entwickelt. So überrascht es nicht, dass die Forscher in engem Kontakt zum Unternehmen stehen und ihre Fortschritte bereits in den vergangenen Jahren von First Solar aufgenommen und für die Serien­fertigung genutzt wurden.

Jan Oliver Löfken