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Bessere Solarzellen erhöhen Lichtausbeute auf über 20 Prozent

Freiburger Forscher toppen Wirkungsgrad

02.03.2011, 06:00

Forschern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE ist es gelungen, die Wirkungsgrade für einfach herzustellende großflächige Siliziumsolarzellen zu toppen. Mit verbesserten Zellstrukturen sollen bald Wirkungsgrade von 20 Prozent realisierbar sein.

Mehr als 80 Prozent der zur Zeit hergestellten Solarzellenleistung basiert auf kristallinem Silizium. Ziel von Industrie und Forschung ist es, die Kostenoptimierung in diesem Segment weiter voranzutreiben. Wandeln derzeit die Zellen durchschnittlich 14 bis 19 Prozent des Sonnenlichts in elektrische Energie um, so haben die Forscher die 20-Prozent-Marke bereits im Blick. Die Übertragung ihrer Ergebnisse in die Produktion wird – parallel zur rasanten Marktentwicklung in Deutschland – die Kosten für fotovoltaisch erzeugten Strom weiter senken.

"Wir konnten jetzt mehrere Entwicklungsarbeiten für kristalline Siliziumsolarzellen sehr erfolgreich abschließen und dabei Ergebnisse erzielen, die weltweit zu den besten zählen", freut sich Christian Schmiga, Projektleiter für hocheffiziente Siliziumsolarzellen am Fraunhofer ISE.

Die untersuchten Zellstrukturen unterscheiden sich zum einen in der Art des verwendeten Siliziummaterials, das als Basis bezeichnet wird, und zum anderen in der Art des sogenannten Emitters, einer dünnen Schicht, die die elektrischen Ladungsträger sammelt. Man spricht von n-Typ Solarzellen, wenn die Basis negativ und von p-Typ Solarzellen, wenn die Basis positiv leitend ist. Dabei ist der Emitter immer umgekehrt zur Basis gepolt. "Zur Herstellung des Emitters haben wir drei unterschiedliche Verfahren eingesetzt: Aluminium-Legieren und Bor, Diffundieren für die p-Emitter unserer n-Typ Solarzellen sowie Phosphor-Diffundieren für den n-Emitter unserer p-Typ Solarzellen", sagt Christian Schmiga.

Für eine n-Typ Siliziumsolarzelle mit Aluminium-legiertem Emitter erreichten die Forscher nun einen Wirkungsgradrekord von 19,3 Prozent. Dabei wandten sie zur Emitterformierung das einfache Siebdrucken einer Aluminium-haltigen Paste, gefolgt von einem kurzen Hochtemperatur-Feuerschritt an. Ebenfalls für eine n-Typ Siliziumsolarzelle, aber mit einem Bor-diffundierten Emitter, dessen Oberfläche durch eine zusätzliche neue Schicht aus Aluminiumoxid passiviert wird, konnte Armin Richter, Doktorand am Fraunhofer ISE, einen Wirkungsgrad von 19,6 Prozent demonstrieren.

Als weiteres wichtiges Ergebnis erzielten die Wissenschaftler für p-Typ Solarzellen mit Phosphor-diffundiertem Emitter und unter Anwendung der am Fraunhofer ISE entwickelten und patentierten Laser-fired-contact (LFC) Technologie 19,6 Prozent Wirkungsgrad. Alle Solarzellen wurden auf 125 x 125 Millimeter großen einkristallinen Siliziumscheiben gefertigt. Ein großer Vorteil ist, dass bei der Herstellung keine aufwändigen Einstell- oder Strukturierungsschritte benötigt werden, was den Prozessablauf wesentlich vereinfacht und beschleunigt.

Die Experimente der Freiburger Forscher sollen dazu beitragen, durch einfachere Fertigung die Preise für Solarmodule weiter zu senken. Das wird auch eines der zentralen Themen auf der Fachmesse Intersolar in München im Mai 2011 sein. bba

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