Stapelsolarzellen der nächsten Generation
Europäische Partnerschaft erforscht hocheffiziente Silizium-Dünnschichtsolarmodule mit 9,3 Millionen Euro.
Dünnschichtsolarmodule sind eine kostengünstige und flexibel einsetzbare Alternative zu traditionellen Solarzellen aus kristallinem Silizium. Um diese Technologie weiter zu optimieren, haben sich 18 führende Industrie- und Forschungspartner in dem EU-Projekt „Fast Track“ zusammengeschlossen. In den nächsten drei Jahren soll ein marktreifer Prototyp mit einem Wirkungsgrad von 12 Prozent entstehen. Das Vorhaben wird vom Forschungszentrum Jülich koordiniert und mit insgesamt 9,3 Millionen von der EU gefördert. Das zweitägige Kick-off Treffen fand vergangene Woche am am Forschungszentrum Jülich statt.
Abb.: Jülicher Dünnschichtsolarmodul: Das Silizium wird in einer etwa einen Mikrometer dicken Schicht auf ein Trägermaterial aufgetragen und muss nicht aufwendig aus teuren Wafern herausgeschnitten werden. (Bild: FZ Jülich)
In den letzten Jahren haben verschiedene Unternehmen den Wirkungsgrad von marktreifen Dünnschichtsolarmodulen auf zuletzt 10 Prozent erhöht. Damit haben diese zwar einen niedrigeren Wirkungsgrad als herkömmliche Solarzellen, lassen sich aber auch deutlich günstiger herstellen. Denn bei diesem Typ wird das Silizium nur in einer etwa einen Mikrometer dicken Schicht auf ein Trägermaterial aufgetragen und muss nicht aufwendig aus teuren Wafern herausgeschnitten werden. Besonders effiziente Silizium-Dünnschichtsolarmodule sind als Tandemsolarzellen ausgelegt. Sie bestehen aus zwei übereinanderliegenden Schichten, die unterschiedliche Anteile des Sonnenlichts absorbieren.
Jede dieser beiden Zellschichten ist in mehrere Lagen unterteilt, die sich alle gegenseitig beeinflussen. Wegen der schwer vorhersehbaren Wechselwirkungen greifen existierende industrielle Dünnschichtsolarzellen auf bewährte Kombinationen von Komponenten und Substraten zurück. In „Fast Track“ bündeln führende Vertreter aus Forschung und Industrie, die bisher unterschiedliche technologische Varianten verfolgt haben, ihre Kompetenzen, um die besten Komponenten zusammenzuführen. Durch die Abstimmung und Optimierung verschiedener Ansätze soll so eine neue Generation von Silizium-Dünnschichtsolarmodulen mit einem Wirkungsgrad von 12 Prozent geschaffen werden. Dies entspricht einer Steigerung von 20 Prozent, wobei die Kosten während Testbedingungen unter 0,5 Euro pro Watt Nennleistung liegen sollen.
Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Forscher mit verschiedenen Nanomaterialien und optischen Funktionsschichten experimentieren und die gesamte Prozesskette weiterentwickeln. „Die Grundschwierigkeit besteht darin, die verschiedenen Komponenten aufeinander abzustimmen. Eine kleine Änderung, die die Leitfähigkeit einer der oberen Schichten verbessert, kann zum Beispiel negative Auswirkungen auf die Stromdichten haben, die in den unteren Schichten generiert werden“, erläutert der Koordinator des Projekts, Aad Gordijn vom Forschungszentrum Jülich. Um die optischen und elektronischen Eigenschaften noch besser beeinflussen zu können, setzen die Wissenschaftler in „Fast Track“ unter anderem auf nanokristallines Siliziumdioxid: ein neuartiges, „mehrphasiges“ Material, dessen Festkörperstruktur mehr Freiheitsgrade als reines Silizium aufweist.
Auch die Oberflächenbeschaffenheit der verschiedenen Schichten steht auf dem Prüfstand. Strukturen im Nanometer-Maßstab sollen dazu beitragen, den Lichteinfang zu verbessern. Wie die perfekte lichtstreuende Schicht aussehen wird, ist bisher aber noch nicht abzusehen. „Wir werden Überlagerungen von unterschiedlichen Strukturen ausprobieren, die auf Kratern oder Pyramide basieren, um zu einer optimierten Morphologie zu kommen“, so Gordijn. Das am 1. März 2012 gestartete Projekt läuft bis zum 28. Februar 2015. Spätestens dann soll ein neuer Prototyp als Vorlage für die industrielle Produktion fertig sein.
FZ Jülich / PH
