Im Vorfeld der Fachmesse Intersolar stellen Forschergruppen Ansätze vor, mit denen sich Dünnschichtsolarmodule künftig billiger und vor allem mit höherer Energieausbeute herstellen lassen.
In einem vom Bundesumweltministerium geförderten Projekt namens LIMA wurden Verfahren entwickelt, die das Lichtmanagement in Silizium-Dünnschichtsolarzellen verbessern sollen. Dadurch wurden Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von zehn Prozent bei einer Fläche von über einem Quadratmeter möglich. Das ist für Dünnschichtmodule ein sehr guter Wert und entspricht dem marktüblicher CIGS-Module.
Rund ein Drittel der Modulleistung könne auf die verbesserte Ausnutzung des einfallenden Lichts zurückgeführt werden, erklärt Jürgen Hüpkes vom Forschungszentrum Jülich, der das Projekt LIMA koordiniert hat. Neben der Siliziumschicht, in der das einfallende Licht in elektrische Energie umgewandelt wird, sind vor allem die elektrischen Kontaktschichten oder Elektroden wichtig für die Funktion einer Solarzelle. Sie führen den Strom ab und beeinflussen den Lichtlaufweg im Silizium. Je länger der Weg, desto mehr Energie wird in der Solarzelle umgewandelt.
Um den Lichtlaufweg in der Zelle möglichst zu verlängern, wird der Übergang zwischen den verschiedenen Schichten der Zelle aufgeraut und dadurch lichtstreuend gemacht. "Statt auf dem kürzesten Weg, laufen die Lichtstrahlen nun mehr als 16-mal länger durch das Silizium", erläutert Hüpkes. Aufgeraut wird mit Fluss- oder Salzsäure.
Im Projekt LIMA wurden die Verfahren zur Produktion der Elektroden sowie deren Aufrauung entscheidend optimiert. Es sei nun möglich, die weniger als ein tausendstel Millimeter dünnen Schichten auf mehr als fünf Quadratmeter Fläche mit den benötigten Eigenschaften kostengünstig herzustellen. Die ersten von der Industrie mit dem entwickelten Verfahren hergestellten Solarmodule weisen dabei einen Wirkungsgrad von 10,6 Prozent auf.
Dünnschichtsolarzellen basieren auf einer zentralen Schicht, die statt aus einem kristallinen Siliziumwafer mit der Dicke von etwa 0,2 Millimetern aus amorphem und mikrokristallinem Silizium von rund zwei Mikrometern Dicke besteht. Das sind etwa 100 Mal weniger Material als bei
Siliziumwafern, das spart enorm bei den Material, Prozess- und Energiekosten. Diese Einsparungen sollen den Wirkungsgradverlust ausgleichen. Ein weiterer Vorteil der Dünnschicht-Technologie ist, dass sich die Zellen auch auf Plastik oder Metall auftragen lassen. Dadurch werden sie vielfältiger einsetzbar, nicht nur auf dem Dach, sondern auch an der Fassade.
In kommenden Projekten sollen die im Labormaßstab bereits erzielten Wirkungsgrade von zwölf Prozent auch auf großformatige Industriemodule übertragen werden. Weitere entscheidende Vorteile der Dünnschichttechnologie sind, dass von einigen Produzenten auch flexible Trägermaterialien aus Plastik oder Metallfolien für Solarmodule verwendet werden und dass sie mit wenigen Arbeitsschritten großformatige Module erzeugt.
Neben dem Forschungszentrum Jülich waren in diesem Projekt Applied Materials, Sentech Instruments, Sunfilm, Schott Solar Thin Film, Saint-Gobain Sekurit, Malibu Solar, das Helmholtz-Zentrum Berlin, das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik und die RWTH Aachen beteiligt.
Die Gruppe um die Jülicher Tüftler ist aber nicht die einzige, die sich mit Dünnschicht-Solarzellen auf Silizium-Basis beschäftigen. Am Lehrstuhl für Anorganische Chemie der TU Chemnitz arbeiten Fachleute an siliziumorganischen Verbindungen, die sich drucken lassen. Die Substrate lassen sich im Anschluss durch thermische oder fotochemische Nachbehandlung in Halbleiterschichten umwandeln.
Auch Forscher in den Labors von IBM haben eine effiziente Solarzelle entwickelt, die druckbar ist und außerdem aus reichlich vorhandenen Rohstoffen wie Kupfer, Zink, Schwefel und Selen hergestellt werden kann. Der Wirkungsgrad soll nach Angaben der Forscher bei 9,6 Prozent liegen.
Bei Oerlikon Solar in der Schweiz läuft ein Forschungsprojekt namens Pepper, das bis 2013 eine Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Senkung der Kosten für Dünnfilm-Silizium-Module erreichen soll. Ziel des Vorhabens ist es, zu zeigen, dass die zur Herstellung von Dünnfilm-Silizium-PV-Modulen erforderlichen Hochleistungsverfahren und -anlagen mit geringeren Kosten, weniger Materialverbrauch und deutlich umweltschonenderen Produktionsverfahren realisierbar sind. Dabei werden im Rahmen des Produktionsverfahrens die Einflüsse von Glas, Gas, transparentem leitfähigen Oxid und der Silizium-Abscheidung bewertet.
von unserer Redakteurin Pia Grund-Ludwig