Günstige Solarzelle aus flüssigem Silizium ist auf dem Vormarsch
Eine kostengünstige Solarzelle, gegossen aus einer flüssigen Silizium-Verbindung, erreicht einen siebenfach höheren Wirkungsgrad als vergleichbare Zellen dieser Art. Hinter diesem Erfolg stecken Forscher aus Jülich. Obwohl der Wirkungsgrad erst bei 3,5 Prozent liegt, scheinen Anwendungen in Displays und biologischen Sensoren absehbar.
In einem Sonnensimulator testeten die Forscher den Wirkungsgrad der Solarzellen aus flüssig-prozessiertem Silizium. Mit 3,5 Prozent lag der Wirkungsgrad siebenfach höher als bei vergleichbaren Zellen dieser Art.
Foto: Forschungszentrum Jülich
Silizium ist als Halbleiter die erste Wahl, wenn es um die Herstellung von Solarzellen geht. Bisher ist die Verarbeitung von Silizium zur fertigen Solarzelle mit hohem Aufwand und deshalb auch hohen Kosten verbunden. Üblicherweise zersägt man massive Siliziumblöcke in dünne Scheiben – dabei geht fast die Hälfte des Materials als Sägestaub verloren.
Forscher vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung haben jetzt eine Solarzelle aus einer flüssigen Siliziumverbindung hergestellt – gemeinsam mit der strategischen Innovationseinheit CREAVIS des Spezialchemieunternehmens Evonik. „Sie lässt sich kostengünstig flüssig verarbeiten und in den bekannten Halbleiter Silizium verwandeln“, erklärt der Jülicher Wissenschaftler Torsten Bronger.
„Wie beim Auftragen von Honig mit einem Löffel“
Die Wissenschaftler nutzen Silizium in einer flüssigen chemischen Verbindung und tragen es als einen nur einige Hundert Nanometer dünnen Film auf eine Glasscheibe auf. Zu Beginn ihrer Forschung galten die Wissenschaftler als Exoten: „Dieser Ansatz galt 2009, als wir anfingen, als schwierig. Damals gab es weltweit nur wenige Arbeitsgruppen, die sich an diesem Material versucht haben“, erinnert sich Bronger.
Die Arbeitsgruppe um Bronger hatte mit vielen Anlaufschwierigkeiten zu kämpfen. So gab es große Probleme damit, aus dem flüssigen Silizium einen gleichmäßigen Film herzustellen. Oft riss der Film oder es bildeten sich Löcher. „Das ist so ähnlich wie beim Auftragen von Honig mit einem Löffel. Aufgrund der Oberflächenspannung entstehen kleine Löcher“, verdeutlicht der Physiker. Das Problem: Solche Lücken im Siliziumfilm führen zu Kurzschlüssen und ruinieren die Solarzelle.
Wirkungsgrad der gegossenen Solarzelle ist versiebenfacht
Inzwischen beherrschen die Forscher das Gießverfahren. Wenn die flüssige Siliziumverbindung auf das Glas gegossen ist, wandeln sie den Film in eine feste Schicht mit halbleitenden Eigenschaften um. Das Ganze wird mit Kontakten versehen und fertig ist die Solarzelle. Der einzige Nachteil an diesem kostengünstigen Herstellungsverfahren ist der vergleichsweise geringe Wirkungsgrad von nur 3,5 Prozent. Zum Vergleich: Konventionelle Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von zehn bis über 20 Prozent. „Für Anwendungen, bei denen kein hoher Wirkungsgrad notwendig ist, könnte sich unser Ansatz jedoch zu einer kostengünstigeren Alternative entwickeln“, vermutet Bronger. Er denkt neben den Solarzellen auch an Anwendungen wie Displays, Radio Frequency Identification (RFID), biologische Sensoren und medizinische Geräte.
Wenn große Siliziumblöcke in feine Scheiben, die sogenannten Wafer, zerteilt werden, geht ein Großteil des kostbaren Materials als Sägestaub verloren. Eine flüssige Siliziumverbindung umgeht dieses Problem.
Quelle: Schott
Immerhin ist die Solarzelle aus Jülich mit ihren Wirkungsgrad von 3,5 Prozent sieben Mal effizienter als bisherige Zellen dieser Art. Dazu kommt: Die Forschergruppe um den Physiker Bronger ist überzeugt, dass sie den Wirkungsgrad dieser kostengünstigen Solarzellen noch weiter steigern können. Damit würde diese neue Art von Solarzellen auch wirtschaftlich interessant.
Der Ansatz aus Jülich gilt damit als aussichtsreiche Grundlage für die nächste Generation der Dünnschichtelektronik. Nach den Anlaufschwierigkeiten im Jahre 2009 machte die Arbeitsgruppe um Bronger recht rasante Fortschritte. Schon nach etwas über zwei Jahren Forschung hatten sie die erste funktionierende Solarzelle aus flüssigem Silizium hergestellt. Noch einmal weitere zwei Jahre später präsentieren sie jetzt die Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 3,5 Prozent. „Damit konnten wir bisherige Ergebnisse anderer Forschergruppen um den Faktor sieben steigern“, berichtet Bronger stolz. „Das zeigt, dass flüssig-prozessiertes Silizium ein viel höheres Potenzial hat als bisher angenommen.“
Steigerung um weitere 2,5 Prozent notwendig
Vor allem die enorm verbesserte Materialqualität lässt den Physiker fest daran glauben, dass seine Arbeitsgruppe den Wirkungsgrad der neuen Solarzellen um weitere 2,5 Prozentpunkte steigern kann. Dann wäre der industrielle Einsatz wirtschaftlich interessant und lohnend. Dazu sind jedoch, so Bronger, weitere Forschungen notwendig.
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