19.04.2011

Rau, aber hauchzart beschichtet

Zuverlässige Produktion nanostrukturierter Zwischenschichten ermöglicht höhere Effizienz von Dünnschichtsolarzellen.

Zuverlässige Produktion nanostrukturierter Zwischenschichten ermöglicht höhere Effizienz von Dünnschichtsolarzellen.

Im zukünftigen globalen Energiemix soll die Photovoltaik eine bedeutende Rolle einnehmen. Damit sie dieser gerecht werden kann, müssen die Produktionskosten weiter gesenkt werden. Die Verwendung sehr dünner Silizium-Schichten ist ein vielversprechender Ansatz für die großtechnische Fertigung, da die Abscheideverfahren, vor allem die so genannte Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), gut für eine Massenproduktion auf großflächigen Substraten geeignet sind. Allerdings steht dieser Technologie ein Hindernis im Wege: Die Effizienz der Umwandlung von Licht in elektrische Energie ist immer noch sehr begrenzt. Die bisher leistungsfähigsten nicht-einkristallinen Module sind so genannte monolithische Tandem-Zellen. Diese bestehen aus einer unteren Schicht  aus mikrokristallinem und einer oberen Schicht aus amorphem Silizium, um das Spektrum des Sonnenlichts optimal zu nutzen. Solche Tandemzellen erreichen derzeit eine Effizienz von maximal 10%.

Abb.: Rasterelektronische Querschnittsabbildung der a-Si:H/μc-Si:H Tandemzelle. Der Zoombereich illustriert den Einbau der dotierten nanostrukturierten Siliziumoxid-Schichten in der oberen und unteren Zelle. (Bild: M. Despeisse et al., Phys. Status Solidi A)

Silizium hat nur einen recht niedrigen Absorptionskoeffizienten im optischen Spektralbereich. Um mit sehr dünnen Schichten annehmbare Wirkungsgrade zu erreichen, kann das Sonnenlicht in der Solarzelle eingefangen werden, indem es an rauen Grenzflächen gestreut und reflektiert wird. Solche Flächen entstehen, wenn das Silizium auf strukturierten Substraten oder Elektroden abgeschieden wird. Das Problem dabei: Auf stark strukturierten Oberflächen wachsen dünne Silizium-Schichten nicht gleichmäßig genug auf, was die elektrische Leistungsfähigkeit und die Verlässlichkeit der Solarzellen verschlechtert und so den positiven Effekt des rauen Substrates wieder zunichte machen kann.

Matthieu Despeisse und seine Kollegen an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne zeigten jetzt, wie sich auch bei Einsatz rauer Substrate Solarzellen mit guten elektrischen Eigenschaften erzielen lassen. Die Forscher fügten dotierte, nanostrukturierte siliziumreiche Siliziumdioxidschichten in ihre Solarzellen ein, die als reflektierende Zwischenschichten dienen. Die Abscheide-Prozesse wurden so optimiert, dass eine klare Phasentrennung auftritt: siliziumreiche Cluster sind in eine Siliziumdioxid-Matrix eingebettet. Die transversale Leitfähigkeit dieser Schicht ist dabei ausreichend hoch, um die elektrische Funktionsfähigkeit der Zelle nicht zu beeinträchtigen.

Die Forscher stellten unter anderem eine Tandem-Zelle aus amorphem hydrogeniertem (d.h. freie Bindungen des Siliziums sind mit Wasserstoff abgesättigt) und mikrokristallinem hydrogeniertem Silizium (a-Si:H/μc-Si:H) auf einem rauen Substrat her. Die untere mikrokristalline Zelle war dabei nur etwa 1,1 μm dünn. Dank Implementierung der dotierten Oxidschichten und optimierter Abscheideprozesse erreichte diese Zelle eine Effizienz von 11,3%.

Der neue Ansatz erlaubt so, den effizienten Lichteinfang, der von der hochstrukturierten Frontelektrode ermöglicht wird, auch in eine erhöhte Effizienz der Zelle umzuwandeln.

PSS / KK

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