Nanostrukturen für effiziente CIGSe-Solarzellen

Ultra­dünne CIGSe-Solarzellen sparen Material und Energie bei der Herstellung. Aller­dings sinkt auch ihr Wirkungs­grad. Mit Nano­strukturen auf der Rückseite lässt sich dies verhindern, zeigt eine Forschungs­gruppe vom Helmholtz Zentrum Berlin HZB zusammen mit einem Team aus den Nieder­landen. Sie erzielten bei den ultra­dünnen CIGSe-Zellen einen neuen Rekord bei der Kurz­schlussstrom­dichte.

Eine interes­sante Klasse von Solar­zellen besteht aus den Elementen Kupfer, Indium, Gallium und Selen, die in einer Chalkopyrit-Kristall­struktur angeordnet sind. Dünn­schicht-CIGSe-Solar­zellen können im Labor Wirkungs­grade von bis zu 22,6 Prozent erreichen und besitzen im Vergleich zu den markt­führenden Solar­modulen aus Silizium einige Vorteile. Unter anderem lassen sie sich mit weniger Energie herstellen und haben geringere Einbußen bei Ver­schattung.

Die Massen­produktion von CIGSe-Zellen würde jedoch große Mengen Indium erfordern. Indium zählt aber zu den seltenen Elementen, deren Vor­kommen weltweit begrenzt sind. Ein interes­santer Ansatz ist daher, CIGSe-Dünn­schichten noch deutlich dünner zu machen. Während eine typische CIGSe-Dünn­schicht-Solarzelle zwei bis drei Mikrometer dick ist, misst eine ultradünne Schicht weniger als 0,5 Mikrometer und kommt für die gleiche Modul­fläche mit einem Bruchteil an Indium aus. Aller­dings absorbieren ultra­dünne Solar­zellen auch wesent­lich weniger Licht, was den Wirkungs­grad stark verringert.

Nun hat die Forschungs­gruppe Nanooptix am HZB von Martina Schmid gezeigt, wie sich die Absorptions­verluste in ultra­dünnen CIGSe-Schichten größten­teils verhindern lassen. Gemeinsam mit dem Team von Albert Polman am Institute for Atomic and Molecular Physics (AMOLF), Nieder­lande, haben sie nano­strukturierte Rück­kontakte entwickelt, die das Licht einfangen: Diese Nano­struktur besteht aus einem regel­mäßigen Muster aus Silizium­oxidpar­tikeln auf einem ITO-Substrat. Kombiniert mit einer reflek­tierenden Schicht erreichte die beste ultradünne CIGSe-Zelle eine Kurz­schlussstrom­dichte von 34,0 mA/cm². Dies ist der bislang höchste Wert, der jemals an einer ultradünnen CIGSe-Zelle gemessen wurde. Mehr noch: Dies entspricht bereits 93 Prozent der Kurz­schlussstrom­dichte der Rekord-CIGSe-Zelle mit üblicher Dicke.

Außer­dem verbessern die Nano­strukturen auch die elek­trischen Eigenschaften der Zelle und steigern den Wirkungs­grad im Vergleich zu Zellen ohne nano­strukturierte Rück­kontakte auf das Andert­halbfache. „Damit haben wir gezeigt, dass Nano­strukturen bei ultradünnen CIGSe-Solar­zellen sowohl die optische Absorption verstärken als auch einige elek­trische Aspekte günstig beeinflussen“, sagt Guanchao Yin. „Diese Ergebnisse belegen, dass opto­elektronische Nano­strukturen eine interes­sante Möglichkeit sind, um hohe Wirkungs­grade mit deutlich weniger Material­einsatz zu erreichen“, sagt Martina Schmid.

HZB / JOL