Legales Doping mit Kupfer
Wirkungsgrad flexibler Dünnschichtsolarzellen von unter 8 auf 11,5 Prozent gesteigert.
Um Solarstrom zu erschwinglichen Preisen zur Verfügung stellen zu können, arbeiten Ingenieure und Wissenschaftler weltweit an der Entwicklung kostengünstiger Herstellungsverfahren. Flexible Dünnschichtsolarzellen haben ein enormes Potenzial, da sie deutlich weniger Material benötigen und sich durch Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren in großen Mengen produzieren lassen. Eine dieser Technologien beruht auf Cadmiumtellurid (CdTe), das Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt. Forschern in der Schweiz gelang es nun, mittels der genau kontrollierten Einführung einer Monolage aus Kupferatomen, den Wirkungsgrad von CdSe-Zellen auf deutlich über zehn Prozent zu erhöhen.
Abb.: CdTe-Solarzellen auf einer flexiblen Metallfolie, links, und Elektronenmikroskop-Aufnahme des Zellaufbaus in der Substrat-Konfiguration, rechts, mit dem elektrischen Frontkontakt, der zentralen CdTe-Schicht und dem rückseitigen Kontakt aus Metall, deponiert auf einem Glasträger. (Bild: EMPA)
Mit dem aktuell zweitgrößten Marktanteil (hinter Silizium-basierten Solarmodulen) sind CdTe-Solarzellen in der Herstellung bereits heute am günstigsten. Die starren CdTe-Zellen auf Glas, auch „Superstrat“-Solarzellen genannt, haben jedoch einen Nachteil: Sie benötigen ein transparentes Trägermaterial, das Sonnenlicht zur Licht absorbierenden CdTe-Schicht durchlässt – und schränken somit die Auswahl der Trägermaterialien massiv ein.
Ließe sich der mehrschichtige Aufbau der CdTe-Solarzellen umkehren, könnte man auch flexible Folien, etwa aus Metall, als Trägermaterial nutzen – und dadurch die Herstellungskosten noch weiter senken. In dieser so genannten Substrat-Konfiguration dringt das Licht von der anderen Seite in die Zelle ein, ohne dabei das Trägermaterial durchdringen zu müssen. Das Problem ist jedoch, dass in der Substrat-Konfiguration aufgebaute CdTe-Solarzellen auf Metallfolie bislang nur äußerst bescheidene Wirkungsgrade, weit unter acht Prozent, aufweisen. Zum Vergleich: Eine im Labormaßstab hergestellte starre Superstrat-CdTe-Solarzelle auf Glas erreichte vor kurzem eine Rekordeffizienz von 19,6 Prozent. Handelsübliche CdTe-Module in der Superstrat-Konfiguration erreichen Wirkungsgrade zwischen 11 und 12 Prozent.
Eine Möglichkeit zur Steigerung des Wirkungsgrades von CdTe-Solarzellen in der Substrat-Konfiguration ist die p-Dotierung (engl. doping) der Halbleiterschicht mit Metallen wie Kupfer (Cu). Dies würde sowohl die Dichte der Elektronen-Löcher als auch deren Lebensdauer erhöhen und somit zu einer Zunahme der photovoltaischen Leistung führen. Doch CdTe ist schwer zu dotieren. „Es wurde bisher immer wieder vergeblich versucht, CdTe-Solarzellen in der Substrat-Konfigurationen zu dotieren“, erklärt Ayodhya Nath Tiwari, Leiter des Labors für Dünnfilme und Photovoltaik an der EMPA (historisch: Eidgenössische Materialprüfungs- und Versuchsanstalt für Industrie, Bauwesen und Gewerbe) im schweizerischen Dübendorf.
Sein Team beschloss trotzdem, es nochmals zu versuchen, indem die Forscher Kupfer durch Hochvakuumbedampfung auf die CdTe-Schicht auftrugen. Anschließend erhitzten sie die Proben, damit die Cu-Atome in das CdTe eindringen konnten. Die Wissenschaftler erkannten bald, dass sie die Kupfermenge genauestens kontrollieren mussten: Verwendeten sie zu wenig Kupfer, ließ sich die Effizienz nicht steigern; wenn sie die Zellen überdotierten, ebenso.
Die elektronischen Eigenschaften verbesserten sich jedoch massiv, als die Forscher die Menge der Cu-Aufdampfung genau so einstellte, dass sich eine monoatomare Schicht auf dem CdTe ergab. „Die Wirkungsgrade stiegen dramatisch von knapp unter einem Prozent auf über 12 Prozent an,“ so Erstautor Lukas Kranz. Der Höchstwert lag bei 13,6 Prozent für eine CdTe-Solarzelle auf Glas; auf Metallfolien erreichte das Empa-Team Wirkungsgrade von bis zu 11,5 Prozent.
Zurzeit sind die höchsten Wirkungsgrade von flexiblen CdTe-Solarzellen auf Metallfolie noch immer tiefer als diejenigen flexibler Superstrat-Zellen auf speziellen (und daher teuren) transparenten Polyimidfolien, die Tiwaris Team 2011 entwickelte. Aber, so Co-Autor Stephan Bücheler, Gruppenleiter in Tiwaris Labor: „Unsere Ergebnissen deuten darauf hin, dass sich mit der Substrat-Technologie der Wirkungsgrad in Zukunft noch deutlich weiter steigern lässt.“ Ein erstes Ziel wären 15 Prozent. „Ich bin allerdings davon überzeugt, dass das Material das Potenzial für Wirkungsgrade von über 20 Prozent hat.“
Als nächstes werde man sich darauf konzentrieren, die sogenannte Fensterschicht über dem CdTe, einschliesslich des elektrischen Frontkontakts, dünner zu gestalten. Dadurch würde diese weniger Licht absorbieren und mehr Sonnenlicht in die CdTe-Schicht durchlassen.
EMPA / PH
