Laserbestrahlung verbessert Black Silicon-Solarzellen
Schwarzes Silizium – verdoppelter Wirkungsgrad durch Bearbeitung mit Femtsosekundenlasern.
Eine herkömmliche Silizium-Solarzelle nutzt den sichtbaren Spektralbereich des Sonnenlichts, um aus Licht Energie zu erzeugen. Ein Drittel des gesamten Sonnenlichts besteht jedoch aus Infrarot-Strahlung. Neue Typen, die Black Silicon-Solarzellen, können diesen Teil des Sonnenlichts ebenfalls nutzen und damit mehr Energie erzeugen. Ein Forscherteam des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts hat jetzt mit Hilfe eines speziellen Laserverfahrens, das das Silizium-Ausgangsmaterial verändert, die Kapazität der Solarzellen verdoppelt. Die Forschungsarbeiten erfolgten im Fraunhofer HHI, Standort Goslar, unter Leitung von Wolfgang Schade. Den bei solchen Solarzellen bisher höchsten Wirkungsgrad von 2,2 Prozent hatten Forscher an der Harvard University erreicht.
Abb.: Solarzelle des Fraunhofer HHI aus Schwarzem Silizium mit Vergrößerung der Oberflächenstruktur im Bereich der Metallkontakte. (Bild.: FhG)
Das realistische Potenzial der Black Silicon-Module sehen die Forscher bei etwa einem Prozent absolutem Wirkungsgrad-Gewinn gegenüber den heutigen Standardzellen, deren Wirkungsgrad bei etwa 15 Prozent des gesamten Sonnenspektrums liegt und die ausschließlich den sichtbaren Spektralbereich nutzen. Das vom Fraunhofer HHI entwickelte Laserverfahren behandelt die Oberflächen von Silizium-Wafern der Solarzellen mit Hilfe ultrakurzer Laserblitze. Die Oberfläche der Zelle absorbiert durch diese Veränderung den bisher ungenutzten Infrarotanteil für die Energiegewinnung. Die mit dem Laser behandelten Flächen werden schwarz, daher spricht man auch von Schwarzem Silizium. Am HHI wurden die Laserpulse nun in ihrer Form verändert, sodass sich die Leistungsfähigkeit der Zellen verdoppelt.
„Das Licht wird nach der Laserbehandlung der Oberfläche kaum noch reflektiert, sondern von der aufgerauten, nadelförmigen Oberfläche hin- und hergeworfen und gelangt dadurch ins Silizium. Erst hier, im Silizium, kann die Zelle das Licht in Ladungsträger umwandeln“, beschreibt Stefan Kontermann, Leiter der Arbeitsgruppe Nanomaterialien für Energiekonversion. Zusätzlich wird Schwefel in die Silizium-Oberfläche eingebaut. Dies führt zu einer höheren Absorption des Lichts im infraroten Teil des Sonnenspektrums, also oberhalb von 1100 Nanometern.
Die neuen Solarzellen nutzen das eintreffende Licht nicht nur effizienter und führen zu Stromdichten im Bereich um 40 mA/cm², sie sind in der Produktion sogar kostengünstiger. Für die Produktion sind nur halb so viele Herstellungsschritte nötig wie für Standard-Silizium-Solarzellen. Durch den Einsatz des Lasers erfolgen etwa die Strukturierung und die Emitter-Bildung – ein ansonsten kostenintensiver Teil des Herstellungsprozesses – in einem Schritt.
Abb.: Prozessvergleich einer Standard-Silizium-Solarzelle (links) mit der am Fraunhofer HHI entwickelten Black Silicon-Solarzelle (rechts; Bild: FhG)
Die Einsatzgebiete der Black Silicon-Solarzellen entsprechen zum einen denen herkömmlicher Module. Zum anderen kann ihr Einsatzgebiet zukünftig dort liegen, wo andere Typen nicht eingesetzt werden können, etwa im Dunkeln. „Wenn wir infrarotes Licht absorbieren können, dann können wir zum Beispiel auch Wärme absorbieren“, sagt Kontermann.
Denkbar ist die Anwendung des vom Fraunhofer HHI entwickelten Laserprozesses auch in der Photovoltaik-Industrie. Die hier verwendeten multikristallinen Oberflächen reflektieren nicht genug – es geht viel Sonnenlicht verloren. Der Laserprozess ermöglicht eine homogene Oberfläche, die wesentlich mehr Licht absorbieren und in Energie umwandeln kann.
FhG / OD
