PETRA III durchleuchtet flexible Tandem-Solarzellen
Per Röntgenuntersuchung zu innovativer Solarzellenproduktion.
Der scharfe Röntgenblick von PETRA III ebnet einer neuen Methode zur Produktion günstiger, flexibler und vielseitiger Doppel-Solarzellen den Weg in die Praxis. Das Verfahren ermögliche die verlässliche Produktion effizienter Tandem-Kunststoffsolarzellen von vielen Metern Länge, so Jens Andreasen von der Technical University of Denmark DTU und seine Kollegen.
Abb.: Ptychographische Phasenkontrast-Projektion der zwei mal vier Mikrometer großen Polymer-Tandemsolarzelle. Auf der Silberelektrode (breites grünes Band unten) liegt eine Schicht leitendes Polymer. Aus der Trennschicht zwischen den beiden darüber liegenden Solarzellen ist deutlich die schmale Lage Zinkoxid (dunkelblau) zu erkennen. Oberhalb der zweiten Solarzelle ist die zweite Elektrode zu sehen (grün mit rot). Das grüne Dreieck darüber ist der Rest einer Wolfram-Nadel, mit der die Probe unter dem Rasterelektronenmikroskop präpariert wurde. (Bild: DTU)
Die Forscher benutzten ein Herstellungsverfahren, bei dem die verschiedenen Schichten einer Polymer-Solarzelle aus mehreren Lösungen auf einen flexiblen Trägerfilm aufgetragen werden. Auf diese Weise lässt sich die Kunststoff-Solarzelle schnell, günstig und nahezu in jeder gewünschten Länge produzieren. Mehrere Kilometer lange Einzelsolarzellen sind auf diese Weise bereits produziert worden. Allerdings ist die Energieausbeute dieser Art von Solarzellen nicht sehr hoch. Um die Effizienz zu steigern, hat ein Team um DTU-Forscher Frederik Krebs ein Verfahren ersonnen, um eine zweite Polymer-Solarzelle auf die erste zu schichten, die für einen anderen Bereich des Sonnenspektrums empfindlich ist. Diese Tandem-Solarzelle wandelt entsprechend einen größeren Anteil des Sonnenlichts in elektrischen Strom um und erhöht so die Energieausbeute.
Die Multi-Beschichtung birgt allerdings neue Herausforderungen, wie Andreasen erläutert: „Das Lösungsmittel der folgenden Schicht löst die fertigen Schichten wieder an, was zum kompletten Ausfall der Solarzelle führt.“ Um das Lösen der ersten Solarzelle zu verhindern, haben die Wissenschaftler eine sorgfältig komponierte Schutzschicht zwischen den beiden Solarzellen ihrer Tandem-Beschichtung eingeführt. Diese Schutzschicht enthält unter anderem eine nur 40 Nanometer dünne Schicht Zinkoxid.
Um die Form und Unversehrtheit der Schutzschicht und der übrigen Schichten der Tandem-Solarzelle zu überprüfen, nutzten die Forscher den außergewöhnlich scharfen Röntgenblick von PETRA III am DESY. Die Solarzellenstruktur ist sehr filigran und besteht aus zwölf einzelnen Schichten. Die gesamte Struktur abzubilden, war deshalb eine Herausforderung, die mit einer Technik namens 3D-Ptychographie gelang. Die Röntgen-Ptychographie rekonstruiert Form und chemischen Kontrast einer Probe aus der Art und Weise, wie sie das einfallende Röntgenlicht streut. Für eine komplette 3D-Rekonstruktion müssen die Forscher die Probe allerdings von allen Seiten und aus zahlreichen Winkeln aufnehmen. Die Kombination der sich überlappenden Streubilder liefert eine höhere räumliche Auflösung als es mit der konventionellen Röntgen-Abbildung physikalisch möglich wäre. Und anders als etwa ein hochauflösendes Elektronenmikroskop kann die Röntgen-Ptychographie dabei auch tief in die Probe hineinspähen.
„Mit Hilfe der 3D-Ptychographie konnten wir die komplette Tandem-Solarzelle abbilden und unter anderem die Unversehrtheit der 40 Nanometer dünnen Zinkoxidschicht in der Schutzschicht zeigen, die erfolgreich die tieferen Lagen vor einer Beschädigung durch Lösungsmittel bewahrt hat“, erläutert DESY-Forscher Gerald Falkenberg. „Dies sind die 3D-Ptychographie-Messungen mit der höchsten räumlichen Auflösung, die uns bisher gelungen sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die untere Solarzelle durch eine Zwischenschicht mit der richtigen Zusammensetzung vor der erneuten Lösung geschützt werden kann.“
Dieses Ergebnis ebnet den Weg zu einer möglichen industriellen Anwendung der Technik. „Ein komplexer Multilagen-Aufbau wie eine Polymer-Tandemsolarzelle kann auf verschiedene Weisen versagen“, erläutert Andreasen. „Mit Hilfe der 3D-Ptychographie konnten wir zeigen, dass der Aufbau der Substrat-Elektrode die gute Leitfähigkeit der grob strukturierten Silberelektrode mit den guten filmbildenden Eigenschaften eines leitenden Polymers vereint, das in die Silberelektrode eindringt und eine glatte Oberfläche für die folgenden Schichten bildet.“ Das erlaubt das Auftragen sehr dünner Schichten mit sehr hoher Geschwindigkeit, wobei sich weiterhin zusammenhängende Lagen ohne Löcher bilden.
Die in diesem Versuch produzierte Polymer-Tandemsolarzelle wandelt 2,67 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in Strom um, was deutlich unterhalb des Wirkungsgrads konventioneller Solarzellen liegt. „Der Wirkungsgrad ist zwar sieben- bis achtmal niedriger als bei konventionellen Solarzellen, aber man sollte bedenken, dass die Produktionskosten bei diesem Typ Solarzellen mehrere Größenordnungen unter denen für konventionelle Solarzellen liegen. Das ist der besondere Vorteil von Polymer-Solarzellen“, erläutert Andreasen.
DESY / RK
