Photovoltaik 23.04.2021, 08:01 Uhr

Solarzelle wird effektiver mit Pyramiden aus Nanokristallen

Eine vollkommen transparente Passivierungsschicht verhindert, dass Elektronen sich wieder mit Löchern vereinigen, ohne die erwünschte Leistung erbracht zu haben. Ein Plus von vier Prozentpunkten scheint erreichbar.

Prototyp der fertigen Solarzellen in Laborgröße. Auf dem Siliziumwafer sind vier jeweils vier Quadratzentimeter große Solarzellen zu sehen, die jeweils mit siebgedruckten Silberkontakten kontaktiert und eingerahmt sind. Bild: Forschungszentrum Jülich

Prototyp der fertigen Solarzellen in Laborgröße. Auf dem Siliziumwafer sind vier jeweils vier Quadratzentimeter große Solarzellen zu sehen, die jeweils mit siebgedruckten Silberkontakten kontaktiert und eingerahmt sind. Bild: Forschungszentrum Jülich

Gute Solarzellen aus kristallinem Silizium haben einen Wirkungsgrad von 24 %. Bald können es 26 % oder noch mehr sein. Das gelingt mit der Innovation einer internationalen Arbeitsgruppe rund um Photovoltaik-Experten des Forschungszentrums Jülich. Die Wissenschaftler überziehen das Silizium mit einer vollkommen transparenten Schicht mit nanometergroßen Strukturen. Diese verhindert einen unliebsamen Effekt, der die Leistung der Zellen einschränkt – die Rekombination von Ladungsträgern –, und dient gleichzeitig als Elektrode.

Das Sonnenlicht, genauer die Photonen, setzen in der aktiven Siliziumschicht der Zelle Elektronen frei. Ein großer Teil davon lässt sich als nutzbarer elektrischer Strom auskoppeln. Viele dieser Elektronen (negativ geladen) finden jedoch, ehe sie nützliche Arbeit geleistet haben, ihre Gegenstücke, die positiv geladenen Löcher wieder. Negative und positive Ladungsträger löschen sich aus, sie rekombinieren. Dagegen helfen bestimmte Werkstoffe, die die Vereinigungsaktivitäten von Elektronen und Löchern verhindern. Sie wirken als Passivierung.

Passivierung mit nicht-transparenten Schichten

Heute löst die Industrie das Problem mit Werkstoffen, die nicht völlig transparent sind, also Photonen abfangen. Das reduziert den Wirkungsgrad. Das Jülicher Forschungsteam, unterstützt von Wissenschaftlern aus anderen deutschen Forschungseinrichtungen sowie aus den Niederlanden, Russland, China und Ekuador, setzen auf eine hochtransparente Schicht aus Siliziumdioxid, auf der sie eine Doppelschicht aus pyramidenförmigen Nanokristallen aus Siliziumkarbid abscheiden. Das geschieht bei zwei unterschiedlichen Temperaturen. Den Abschluss bildet eine hauchdünne Schicht aus elektrisch leitfähigem Indiumzinnoxid. Zur Herstellung dieser Passivierungsschicht werden nasschemische Verfahren, eine Abscheidung aus der Dampfphase und ein Sputterprozess genutzt. Dabei werden aus einem Festkörper energiereiche Ionen herausgelöst, sodass sie sich in ein Gas verwandeln und auf dem Ziel landen.

Schichtfolge der neuen Solarzellen mit durchsichtigen Frontalschichten (TPC, Transparent Passivating Contacts) auf einem Wafer mit zufälliger Pyramidenstruktur. Der graue Bereich entspricht dem n-dotierten kristallinen Siliziumwafer, die hellblaue Schicht ist das nasschemisch gewachsene Siliziumdioxid, die rote Schicht entspricht dem passivierenden Siliziumkarbid, gefolgt von dem leitenden Siliziumkarbid in orange. Die grüne, abschließende Schicht entspricht dem Indiumzinnoxid. Bild: Forschungszentrum Jülich

Wirkungsgrad von 24 Prozent ist schon geschafft

+++ Weltrekord: Solarzelle erreicht ungeahnten Wirkungsgrad +++

Ein Prototyp der Jülicher TPC-Solarzelle – die Abkürzung steht für „Transparent Passivating Contact“ – erreichte im Labor einen Wirkungsgrad von rund 24 %. Diesen Wert bestätigte das unabhängige Prüflabor des Instituts für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH). Damit liegt sie beim Wirkungsgrad zwar noch nicht in Führung. Doch parallel durchgeführte Simulationen hätten gezeigt, dass mit der TPC-Technologie Wirkungsgrade von mehr als 26 % möglich sind, sagen die Entwickler. „Kein anderer Entwicklungsansatz vereint bisher diese drei notwendigen Eigenschaften – Passivierung, Transparenz, Leitfähigkeit – so gut wie unser neues Design“, sagt Kaining Ding, Leiter der Jülicher Arbeitsgruppe.

Industrie kann die Technik leicht übernehmen

„Wir haben bei der Fertigung nur Verfahren eingesetzt, die sich relativ schnell in eine Serienproduktion integrieren lassen“, so Ding. Die Produktionstechnik kann also ohne allzu großen Aufwand in eine industrielle Solarzellfertigung im großen Maßstab eingebaut werden. In weiteren Schritten will die Arbeitsgruppe um Ding die Stromausbeute der TPC-Solarzellen weiter optimieren. „Wir rechnen auch mit einem großen Interesse der Solarzellen-Hersteller an unserer Technologie“, sagt Ding. Über den Erfolg vieljähriger Forschung berichten die Wissenschaftler in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Energy“.

+++ Strom und Salat vom gleichen Acker +++

Solarstrom für zwei Cent pro Kilowattstunde

Schon heute ist die Stromproduktion mit Solarzellen konkurrenzlos günstig, wenn man zur Überbrückung der Nächte und sonnenarmer Zeiten auf vorhandene Kraftwerke zurückgreifen kann, die wetterunabhängig und damit kontinuierlich produzieren. Rechnet man den Bau von Batterien oder anderen Pufferspeichern mit ein sieht die Rechnung allerdings anders aus. An sonnenreichen Standort wie in im Norden Chiles liegen die reinen Stromerzeugungskosten bereits bei 2 Ct/kWh.

Wegen des erreichbaren hohen Wirkungsgrades – auch die billigeren polykristallinen Siliziumzellen schneiden noch gut ab – liegt der Anteil der Siliziumzellen weltweit bei 95 %.

Von Wolfgang Kempkens

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