Magnetischer Fingerabdruck im Photostrom
Erstmals wichtige Defektzustände in Heterokontakt-Siliziumsolarzellen direkt nachgewiesen.
Solarzellen aus Silizium könnten theoretisch 30 Prozent des Sonnenlichts in Strom umwandeln, doch tatsächlich sorgen unter anderem Defekte an der Oberfläche der kristallinen Siliziumwafer dafür, dass der Wirkungsgrad im Labor bisher nur 25 Prozent erreicht hat. Aber eine neue Generation von Solarzellen erobert gerade den Markt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, ist die Oberfläche ihrer Wafer mit einer nur zehn Nanometer dünnen, amorphen Siliziumschicht bedampft. Das amorphe Silizium ist sowohl in der Lage die Defekte an der Oberfläche teilweise abzusättigen, als auch Strom direkt aus der Solarzelle abzuleiten.
Diese Solarzelle erreicht sogar schon im industriellen Maßstab einen Wirkungsgrad von 24,7 Prozent und könnte in Zukunft eine wichtige Rolle auf dem Markt spielen. Bisher waren Forscher jedoch auf Vermutungen angewiesen, welche Zustände die Ladungsträger bei ihrer Reise durch die Grenzfläche zwischen geordneter und ungeordneter Siliziumschicht aufhalten.
Physiker am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben nun einen Weg gefunden, um die Defekte an der Grenzfläche direkt aufzuspüren und ihre elektronische Struktur zu bestimmen. „Wenn sich Elektronen an den Defekten anlagern, können wir ihren Spin wie eine Sonde nutzen um sie zu studieren“, erklärt Alexander Schnegg. Mit einer hochempfindlichen Messmethode, der elektrisch detektierten magnetischen Resonanz (EDMR), hinterlässt der Defekt einen winzigen magnetischen Fingerabdruck im Strom der Solarzelle, wenn diese in einem Magnetfeld mit Mikrowellen bestrahlt wird. Aus diesem magnetischen Fingerabdruck konnten Theoretiker der Universität Paderborn mit quantenchemischen Modellierungen detaillierte Informationen über die Position der Defekte innerhalb der Schichten und ihre Ladungsverlustmechanismen gewinnen.
„Wir haben im Wesentlichen zwei unterschiedliche Familien von Defekten klassifiziert“, sagt Uwe Gerstmann von der Universität Paderborn, der mit den HZB-Forschern im Rahmen des DFG-Schwerpunkts 1601 zusammenarbeitet: „Während eine Art von Defekten eher schwach lokalisiert in der amorphen Schicht sitzt, befindet sich eine zweite Familie direkt an der Grenzfläche, noch in der Kristall-Matrix“.
Damit ist es erstmals gelungen, Prozesse, die den Wirkungsgrad in einer Vielzahl von Silizium-Solarzellen mindern, direkt zu detektieren und mit atomarer Auflösung darzustellen. „Diese Ergebnisse können wir nun im nächsten Schritt auch auf andere Typen von Silizium Solarzellen anwenden und so Wege finden, den Wirkungsgrad weiter nach oben und die Kosten nach unten zu treiben“, sagt Schnegg.
HZB / PH
