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Wirkungsgrad steigt von unter acht auf 11,5 Prozent

Empa-Forscher erzielen Fortschritt bei flexiblen Solarzellen

16.08.2013, 07:15

CdTe-Solarzellen auf Metallfolie
CdTe-Solarzellen auf einer flexiblen Metallfolie und Elektronenmikroskop-Aufnahme des Zellaufbaus in der Substrat-Konfiguration. © Empa

Wissenschaftlern der Schweizer Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa ist eigenen Angaben zufolge ein Durchbruch auf dem Weg zur Industrialisierung von Cadmiumtellurid-Solarzellen (CdTe) auf Metallfolie gelungen: Das Team hat den Wirkungsgrad von unter acht auf 11,5 Prozent gesteigert, indem sie die Zellen mit Kupfer dotierten. Das berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe von "Nature Communications". Flexible Dünnschichtsolarzellen, die sich von "Rolle zu Rolle" produzieren lassen, sind ein vielversprechender Weg zu günstigem Solarstrom.

Um Solarstrom zu  erschwinglichen Preisen zur Verfügung stellen zu können, arbeiten Ingenieure und Wissenschaftler weltweit an der Entwicklung kostengünstiger Herstellungsverfahren. Flexible Dünnschichtsolarzellen haben ein enormes Potenzial, da sie deutlich weniger Material benötigen und durch Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren in grossen Mengen produziert werden können. Eine dieser Technologien beruht auf Cadmiumtellurid (CdTe), das Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt.

Mit dem aktuell zweitgrössten Marktanteil hinter Silizium-basierten Solarmodulen sind CdTe-Solarzellen in der Herstellung bereits heute am günstigsten. Die starren CdTe-Zellen auf Glas, auch Superstrat-Solarzellen genannt, haben jedoch einen Nachteil: Sie benötigen ein transparentes Trägermaterial, das Sonnenlicht zur Licht absorbierenden CdTe-Schicht durchlässt – und schränken somit die Auswahl der Trägermaterialien massiv ein. Ließe sich der mehrschichtige Aufbau der CdTe-Solarzellen umkehren, könnte man auch flexible Folien, etwa aus Metall, als Trägermaterial nutzen – und dadurch die Herstellungskosten noch weiter senken.

In dieser so genannten Substrat-Konfiguration dringt das Licht von der anderen Seite in die Zelle ein, ohne dabei das Trägermaterial durchdringen zu müssen. Das Problem ist jedoch, dass in der Substrat-Konfiguration aufgebaute CdTe-Solarzellen auf Metallfolie bislang nur äußerst bescheidene Wirkungsgrade, weit unter acht Prozent, aufweisen. Zum Vergleich: Eine im Labormassstab hergestellte starre Superstrat-CdTe-Solarzelle auf Glas erreichte vor kurzem eine Rekordeffizienz von 19,6 Prozent. Handelsübliche CdTe-Module in der Superstrat-Konfiguration erreichen Wirkungsgrade zwischen 11 und 12 Prozent.

Eine Möglichkeit zur Steigerung des niedrigen Wirkungsgrades von CdTe-Solarzellen in der Substrat-Konfiguration ist die p-Dotierung der Halbleiterschicht mit Metallen wie Kupfer (Cu). Dies würde sowohl die Dichte der "Löcher" (positive Ladungsträger) als auch deren Lebensdauer erhöhen und somit zu einer Zunahme der fotovoltaischen Leistung, der Menge des in elektrische Energie umgewandelten Lichts, führen.

Eigentlich die perfekte Lösung, wenn CdTe nicht so schwer zu dotieren wäre. "Es wurde bisher immer wieder vergeblich versucht, CdTe-Solarzellen in der Substrat-Konfigurationen zu dotieren", erklärt Ayodhya Nath Tiwari, Leiter des Labors für Dünnfilme und Fotovoltaik an der Empa. Sein Team beschloss trotzdem, es nochmals zu versuchen, indem die Forscher Kupfer durch Hochvakuumbedampfung auf die CdTe-Schicht auftrugen. Anschliessend erhitzten sie die Proben, damit die Cu-Atome in das CdTe eindringen konnten. Die Wissenschaftler erkannten bald, dass sie die Kupfermenge genauestens kontrollieren mussten: Verwendeten sie zu wenig Kupfer, ließ sich die Effizienz nicht steigern; wenn sie die Zellen überdotierten, ebenso.

Die elektronischen Eigenschaften verbesserten sich jedoch massiv, als Lukas Kranz, ein Doktorand in Tiwaris Labor, gemeinsam mit Christina Gretener und Julian Perrenoud, die Menge der Cu-Aufdampfung genau so einstellte, dass sich eine monoatomare Schicht auf dem CdTe ergab. "Die Wirkungsgrade stiegen dramatisch von knapp unter einem Prozent auf über 12 Prozent an," so Kranz. Der Höchstwert lag bei 13,6 Prozent für eine CdTe-Solarzelle auf Glas; auf Metallfolien erreichte das Empa-Team Wirkungsgrade von bis zu 11,5 Prozent.

Zurzeit sind die höchsten Wirkungsgrade von flexiblen CdTe-Solarzellen auf Metallfolie noch immer tiefer als diejenigen flexibler Superstrat-Zellen auf speziellen (und daher teuren) transparenten Polyimidfolien, die Tiwaris Team 2011 entwickelte. Aber, so Stephan Bücheler, Gruppenleiter in Tiwaris Labor: "Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich mit der Substrat-Technologie der Wirkungsgrad in Zukunft noch deutlich weiter steigern lässt." Ein erstes Ziel wären 15 Prozent. "Ich bin allerdings davon überzeugt, dass das Material das Potenzial für Wirkungsgrade von über 20 Prozent hat." Als nächstes werde man sich darauf konzentrieren, die so genannte Fensterschicht über dem CdTe, einschliesslich des elektrischen Frontkontakts, dünner zu gestalten. Dadurch würde diese weniger Licht absorbieren und mehr Sonnenlicht in die CdTe-Schicht durchlassen. "Die optischen Verluste reduzieren", wie Tiwari es nennt.  Quelle: Empa / sth

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