Durchsichtige Nanoschichten für mehr Solarstrom

Silizium-Solarzellen konnten in den vergangenen Jahr­zehnten stetig verbessert werden und haben bereits einen sehr hohen Entwickl­ungs­stand erreicht. Doch noch immer tritt nach der Absorption des Sonnen­lichts und der photo­volta­ischen Erzeugung von elektrischen Ladungs­trägern der störende Effekt der Rekombi­nation auf. Dabei vereinen sich bereits erzeugte negative und positive Ladungs­träger und löschen sich gegen­seitig aus, bevor sie für den Fluss von Solar­strom genutzt werden konnten. Dagegen helfen spezielle Materialien, die eine besondere Eigen­schaft – eine Passivierung – aufweisen.

„Unsere nanostrukturierten Schichten bieten genau diese gewünschte Passivierung“, Malte Köhler vom Forschungs­zentrum Jülich. Zusätzlich sind die hauch­dünnen Schichten trans­parent – der Licht­einfall wird also kaum reduziert – und zeigen eine hohe elektrische Leit­fähig­keit. „Kein anderer Entwick­lungs­ansatz vereint bisher diese drei Eigen­schaften – Passivierung, Transparenz, Leit­fähig­keit – so gut wie unser neues Design“, sagt Kaining Ding, eben­falls vom FZ Jülich.

Ein erster Prototyp dieser TPC-Solar­zelle – die Abkürzung steht für „Transparent Passivating Contact“ – erreichte im Labor einen Wirkungsgrad von 24 Prozent. Dieser Wert wurde auch von dem unab­hängigen CalTeC-Prüflabor des Instituts für Solar­energie­forschung in Hameln bestätigt. Damit rangiert die am FZ Jülich entwickelte TPC-Solarzelle zwar noch etwas unter den bisher besten Laborzellen aus kristal­linem Silizium. Doch parallel durch­ge­führte Simula­tionen haben gezeigt, dass mit der TPC-Techno­logie Wirkungs­grade von mehr als 26 Prozent möglich sind.

„Zudem haben wir bei der Fertigung nur Verfahren angewendet, die sich relativ schnell in eine Serien­produktion integrieren lassen“, betont Ding den Vorteil gegen­über anderen Forschungs­ansätzen. Mit dieser Strategie ermöglichen die Forscher, dass ihre Entwicklung aus dem Labor ohne allzu großen Aufwand in einer industriellen Solar­zell­fertigung im großen Maßstab über­nommen werden kann.

Für die Fertigung der TPC-Schichten waren mehrere Prozess­schritte notwendig. Auf einer dünnen Lage aus Silizium­dioxid deponierten die Forscher eine Doppel­schicht winziger pyramiden­förmiger Nano­kristallen aus Silizium­karbid, aufge­tragen bei zwei unter­schied­lichen Temperaturen. Zum Abschluss folgte eine durch­sichtige Lage aus Indium­zinn­oxid. Dabei wendeten Ding und seine Kollegen nass­chemische Verfahren, eine Ablagerung aus der Dampf­phase und einen Sputter-Prozess an. In weiteren Schritten will die Arbeits­gruppe um Ding die Strom­ausbeute ihrer TPC-Solar­zellen weiter optimieren.

FZ Jülich / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M Köhler et al.: A silicon carbide-based highly transparent passivating contact for crystalline silicon solar cells approaching efficiencies of 24%, Nat. Energy, online 15. April 2021; DOI: 10.1038/s41560-021-00806-9
• Silizium-Heterojunction Solarzellen und -module (K. Ding), Photovoltaik, Institut für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich