Dünnschicht-Solarzellen mit höherer Effizienz

Firmen und Privathaushalte benötigen mehr und mehr Energie, und der Bedarf an nachhaltigen Formen zur Energieerzeugung wächst. Gefragt sind saubere, kostengünstige und umweltfreundliche Lösungen mit vielseitigen Anwendungen, sodass Solarenergie heute als eine der besten Optionen gilt.

Auch in Deutschland gewinnt die Nutzung von Photovoltaik-Anlagen an Bedeutung. So nimmt der Anteil des regenerativen Energieträgers Sonne kontinuierlich zu. Im Jahr 2018 wurden 7 % des erzeugten Stroms durch Photovoltaik produziert, berichtet das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Hier gibt es noch Luft nach oben. Ein höherer Wirkungsgrad ist gefragt.

Materialforscher der Technischen Universität Tallinn verbessern die Effizienz von Solarzellen der nächsten Generation, indem sie bei Halbleitern Kupfer teilweise durch Silber ersetzen. Auch ihr Herstellungsverfahren ist preisgünstiger, verglichen mit bekannten Methoden der Halbleitertechnik.

Häufig vorkommende Elemente für den Halbleiter

Das bisher gängigste Material für Dünnschichtzellen ist amorphes Silizium auf einer Glasschicht. Auch Galliumarsenid, Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Schwefel-Selen-Verbindungen wurden untersucht.

Für noch effizientere Dünnschicht-Solarzellen müssen Halbleiter gute Eigenschaften als Lichtabsorber mitbringen. Nach mehreren Experimenten entschieden sich Tallinner Forscher deshalb für Verbindungen vom Kësterit-Typ, einem Mineral mit der chemischen Zusammensetzung Cu₂(Zn,Fe)SnS₄. Es kann künstlich hergestellt werden und vereint mehrere Vorteile. Dazu zählt an erster Stelle eine gute Aufnahme von Licht. Außerdem werden zur Synthese nur vergleichsweise günstige Elemente benötigt, nämlich Kupfer, Zink, Zinn, Schwefel und Selen. Aufgrund seiner Zusammensetzung ist der Halbleiter unter dem Kürzel CZTS (Copper, Zinc, Tin, Sulphur/Selenium) bekannt geworden.

Innovative Synthese mit der Monokorn-Technologie

Um den Kësterit herzustellen, kam eine neue Methode zum Einsatz. „Die Monokorn-Pulvertechnologie, die wir entwickeln, unterscheidet sich von ähnlichen Verfahren grundlegend“, berichtet Marit Kauk-Kuusik von der Technischen Universität Tallinn. „Im Vergleich zu Vakuumverdampfungs- oder Sputtertechnologien, die häufig zur Herstellung von Dünnschichtstrukturen eingesetzt werden, ist unser Verfahren deutlich günstiger.“ Teure Hochvakuumgeräte kämen nicht zum Einsatz.

Bei der Monokorn-Pulvertechnologie werden chemische Komponenten in einem speziellen Kammerofen 4 Tage lang auf 750 Grad Celsius erhitzt. Danach entnehmen Forscher ein Zwischenprodukt, das in speziellen Maschinen gewaschen und gesiebt wird. Das mikrokristalline Pulver, Monokorn-Pulver genannt, ist Grundlage für Dünnschicht-Solarzellen. Jedes Halbleiterteilchen wird mit einer extrem dünnen Pufferschicht überzogen. Bevor das kristalline Pulver in die Fertigung gelangt, ist es bereits eine fertig arbeitende Solarzelle. Module auf dieser Basis sind leicht, flexibel, transparent, umweltfreundlich und deutlich günstiger als Produkte aus Silizium.

Den Wirkungsgrad weiter erhöhen

Als Maß aller Dinge ist – neben den Herstellungskosten – der Wirkungsgrad von Solarzellen zu nennen. „Wir haben den Punkt in unserer Entwicklung erreicht, an dem ein teilweiser Ersatz von Kupfer durch Silber in Absorbern aus Kësterit den Wirkungsgrad um 2 % steigern kann“, berichtet Kauk-Kuusik. „Dies liegt daran, dass Kupfer von Natur aus im Halbleiter sehr mobil ist, was zu Schwankungen im Wirkungsgrad von Solarzellen führt.“ Der Ersatz von 1 % Kupfer durch Silber habe den Wirkungsgrad von Monokorn-Solarzellen von 6,6 auf 8,7 % verbessert.

Doch die Effizienz hängt auch von der Intensität der Sonnenstrahlung, dem Einfallswinkel und der Temperatur ab. Ideale Bedingungen finden Ingenieure in kalten, sonnigen Bergen und nicht wie zu erwarten in einer heißen Wüste; dort sinkt die Energieausbeute bei kommerziellen Modulen drastisch. Kësterit hat jedoch extrem niedrige Temperaturkoeffizienten, der mit 0,013 %/K deutlich unter dem anderer Solarzellen-Materialien liegt. Das bedeutet, die Temperaturabhängigkeit ist geringer.

Joint Venture soll Produkt kommerzialisieren

Ziel der Forscher ist, im nächsten Schritt ihre Monokorn-Solarzellentechnologie in die Praxis zu übertragen. Dafür haben sie die Crystalsol GmbH, ein estnisch-österreichisches Joint Venture, gegründet. Vor der Kommerzialisierung streben sie einen Wirkungsgrad ihrer Solarzellen von etwa 15 % an.

Crystalsol verfolgt als Idee, dünne Solarzellen in bestehende Gebäude zu integrieren. Solche Folien könnten bei Fenstern, Fassaden und Dächern verbaut werden – entweder undurchsichtig oder transparent. Sie können zur Integration in strukturierte Fassaden mit Polymerfolie laminiert oder zur Erhöhung der Stabilität in Glas eingekapselt werden. Aufgrund des einfachen Herstellungsverfahrens könnte man Folien in Form und Größe maßgeschneidert produzieren, so die Perspektive.

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