Effizientere Fertigung von Dünnschicht-Solarzellen

Weltweit ist etwa einhundertmal mehr Solar­energie verfügbar als Energie aus Windkraft und nachwachsenden Rohstoffen. Solarenergie ist deshalb ein wesentlicher Teil des Mix aus erneuer­baren Energien für die deutsche Energiewende. Bisherige Silizium-Solarzellen sind durch ihre massenhafte Produktion zwar günstig, aber im Herstellungs­prozess komplexer und weniger ressourcen­schonend als Dünnschicht­zellen. Werden jene wiederum mit der Technik eines Pikosekunden­lasers hergestellt, verfügen sie über einen noch zehn bis 15 Prozent höheren Wirkungsgrad als bei bisher genutzten Verfahren. Trotz ihres derzeit geringen Marktanteils sparen sie mit zwanzig Tausend Tonnen pro Jahr bereits heute die CO₂-Menge ein, die 3000 Personen in Deutschland durch­schnittlich im Jahr emittieren.

CIGS-Dünnschicht­solarzellen bestehen aus nur wenige Mikrometer messenden Schichten. Namensgebend ist die licht­absorbierende Schicht aus dem Halbleiter Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, kurz CIGS. Die hauchdünnen Zellen bestehen aus einem Sandwich von vier Schichten: dem Trägermaterial aus drei Millimeter Glas unten, einer Molybdän­schicht von nur einem Mikrometer, der namensgebenden CIGS-Schicht von drei Mikrometern sowie einer Fensterschicht aus Zinkoxid von einem Mikrometer oben auf. Die großflächige CIGS-Schicht der Zelle muss für die Stromproduktion eine Struktur aus feinen Rillen bekommen, die die große CIGS-Fläche in ungefähr hundert einzelne Zellen unterteilen. Wie Batterien, die seriell hinter­einander verschaltet werden, erhöht sich so die etwa ein Volt Spannung einer Zelle auf um die hundert Volt eines ganzen Zellen-Moduls. Die Molybdän­schicht unter der CIGS-Schicht darf bei diesem Prozess jedoch nicht verletzt werden.

Das bisherige mechanische Ritzen der Rillen, das Scriben, hatte Nachteile: „Mit der Ritznadel werden breitere Furchen erzeugt und auf dem Grund der Rillen bleiben schlecht leitende Reste übrig. Trägt man die Schichten mit dem Piko­sekunden-Laser ab, kann man feinere Linien erzeugen, die den Strom besser leiten. Der Wirkungs­grad der Zelle steigt, ohne dass sich Kosten nennenswert erhöhen“, sagt Huber. Indem er Laserimpulse mit einer Dauer von Pikosekunden und einer hohen Wiederholrate einsetzte, ermöglichte Huber erst die industrielle Herstellung der CIGS-Dünnschicht­zellen: „Mit dem Nanosekunden­laser verbrennt man alle drei Schichten und schmilzt sie zusammen. Nur mit einem Ultra­kurzpuls-Laser wie dem Piko­sekunden-Laser kann man die obere CIGS-Schicht strukturieren, ohne die Molybdän­schicht darunter zu beschädigen“, sagt der Forscher.

Die Verbindung zwischen dem Molybdän und der trans­parenten Zinkoxid-Decks­chicht ist fester. Auch dadurch sinken die inneren Energieverluste, womit der Wirkungsgrad steigt. Durch eine Straffung des Herstellungs­prozesses sieht Huber in Zukunft weitere Verbesserungs­möglichkeiten in punkto Wirkungsgrad und Reduzierung der Produktions­kosten. Der jeweils abwechselnde Schichten­auftrag der einzelnen CIGS-Schichten und Strukturierung soll in einen gemeinsamen Auftrag aller Schichten und ihre gemeinsame Laser­strukturierung zusammen­gezogen werden.

HS München / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Winter et al.: Ultrafast pump-probe ellipsometry and microscopy reveal the surface dynamics of femtosecond laser ablation of aluminium and stainless steel, Appl. Surf. Sc. 511, 145514 (2020); DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.145514
• Laserzentrum Hochschule München