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Höherer Wirkungsgrad bei Solarzellen

Durchsichtige Nanoschichten für optimierte Stromausbeute

16. April 2021, 17:06 Uhr | Kathrin Veigel

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.

Forscherinnen und Forscher vom Forschungszentrum Jülich haben optimierte Silizium-Solarzellen entwickelt, die mit einem nanostrukturierten Material und einem neuen Zelldesign ausgestattet sind. Damit soll der Weg für die Produktion von Solarzellen mit mehr als 26 Prozent Wirkungsgrad geebnet werden.

Derzeit auf dem Markt erhältliche Solarzellen auf der Basis von kristallinem Silizium machen eine Stromerzeugung mit Wirkungsgraden von bis zu 23 Prozent möglich und können Solarstrom für wenige Cent pro Kilowattstunde liefern. Mit noch höheren Wirkungsgraden von mehr als 26 Prozent könnten die Kosten weiter sinken.

Dieses Ziel hat nun eine internationale Arbeitsgruppe rund um Photovoltaik-Forscher vom Forschungszentrum Jülich mit einem nanostrukturierten, durchsichtigen Material für die Vorderseite von Solarzellen und einem ausgeklügelten Design im Blick. Über ihren Erfolg vieljähriger Forschung berichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Energy.

Silizium-Solarzellen konnten in den vergangenen Jahrzehnten stetig verbessert werden und haben bereits einen sehr hohen Entwicklungsstand erreicht. Doch noch immer tritt nach der Absorption des Sonnenlichts und der photovoltaischen Erzeugung von elektrischen Ladungsträgern der störende Effekt der Rekombination auf. Dabei vereinen sich bereits erzeugte negative und positive Ladungsträger und löschen sich gegenseitig aus, bevor sie für den Fluss von Solarstrom genutzt werden konnten. Dagegen helfen spezielle Materialien, die eine besondere Eigenschaft – eine Passivierung – aufweisen.

Die nanostrukturierten Schichten aus Jülich bieten genau diese gewünschte Passivierung. Zusätzlich sind die hauchdünnen Schichten transparent – der Lichteinfall wird also kaum reduziert – und zeigen eine hohe elektrische Leitfähigkeit.

Prototyp der TPC-Solarzelle liefert 23,99 % Wirkungsgrad

Ein erster Prototyp der Jülicher TPC-Solarzelle (Transparent Passivating Contact) erreichte im Labor einen hohen Wirkungsgrad von 23,99 Prozent (+- 0,29 Prozent). Damit rangiert die Jülicher TPC-Solarzelle zwar noch etwas unter den bisher besten Laborzellen aus kristallinem Silizium. Doch parallel durchgeführte Simulationen haben gezeigt, dass mit der TPC-Technologie Wirkungsgrade von mehr als 26 Prozent möglich sind.

Bei der Fertigung wurden nur Verfahren angewendet, die sich relativ schnell in eine Serienproduktion integrieren lassen. Mit dieser Strategie ermöglichen die Jülicher Forscher, dass ihre Entwicklung aus dem Labor ohne allzu großen Aufwand in einer industriellen Solarzellfertigung im großen Maßstab übernommen werden kann.

Für die Fertigung der TPC-Schichten waren mehrere Prozessschritte notwendig. Auf einer dünnen Lage aus Siliziumdioxid deponierten die Forscher eine Doppelschicht winziger Pyramiden-förmiger Nanokristallen aus Siliziumkarbid – aufgetragen bei zwei unterschiedlichen Temperaturen. Zum Abschluss folgte eine durchsichtige Lage aus Indiumzinnoxid. Dabei wurden nasschemische Verfahren, eine Ablagerung aus der Dampfphase (Chemical Vapour Deposition, CVD) und ein sogenannter Sputter-Prozess angewendet.

Kooperation mit zahlreichen Partnern

Für ihren Entwicklung haben die Jülicher Forscher vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-5) und des Jülicher Ernst-Ruska-Zentrums für Elektronenmikroskopie eng mit mehreren Instituten in den Niederlanden, China, Russland und Ecuador zusammengearbeitet.

Zu den Partnern zählen Forschende der RWTH Aachen, der Universität Duisburg-Essen, der Technischen Universitäten Delft und Eindhoven, der Universidad San Francisco de Quito, der Universität und des Kutateladze Institute of Thermophysics in Novosibirsk und der Sun Yat-Sen Universität in Guangzhou. In weiteren Schritten soll Stromausbeute der TPC-Solarzellen weiter optimiert werden.