Dünnschichtsolarzellen mit einem Halbleiter aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS) weisen mittlerweile einen Wirkungsgrad von mehr als 23 Prozent auf. Eine weitere Effizienzsteigerung wird nun wahrscheinlicher, wie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg in einer Pressemitteilung berichtet.
Forscher des ZSW, der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) haben jüngst eine wichtige Stelle identifiziert, an der die Leistung von Dünnschichtsolarzellen verbessert werden könne, damit die Zelle mehr Sonneneinstrahlung in Solarstrom umwandelt. Die Ergebnisse wurden im August 2020 in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Potenzial für weitere Wirkungsgradsteigerung um 10 Prozent
Trotz erheblicher Fortschritte in den vergangenen Jahren sei bei CIGS-Dünnschichtsolarzellen immer noch ein nicht ausgereiztes Potenzial von etwa zehn Prozentpunkten vorhanden, um den maximalen theoretischen Wirkungsgrad von rund 33 Prozent zu erreichen.
Die Diskrepanz komme durch Verlustmechanismen in der CIGS-Solarzelle zustande, die in den funktionalen Schichten, aber auch an den unterschiedlichsten Grenzflächen auftreten können. Wo genau und warum diese Einbußen auftreten, sei bislang nur vermutet und in der Fachwelt kontrovers diskutiert worden.
Dichte der elektrisch aktiven Korngrenzen reduzieren
Die Wissenschaftler des ZSW, der MLU und des HZB konnten nun laut der Pressemitteilung, welche sich auf die Veröffentlichung beruft, den Ort des Geschehens ausfindig machen. Ein Teil der Verluste erfolge an den Grenzen zwischen den einzelnen CIGS-Kristallen der Solarzelle.
An diesen sogenannten Korngrenzen, von denen ein bestimmter Anteil auch elektrisch aktiv ist, könnten sich positive und negative elektrische Ladungen gegenseitig neutralisieren, erklärte Projektleiter Wolfram Witte vom ZSW. „Das reduziert die Leistung der Zelle.“
Experimentelle Messverfahren plus Computersimulationen
Identifizieren konnten die Forscher solch einen Verlustmechanismus, indem sie experimentelle Messverfahren mit Computersimulationen kombinierten. Um möglichst realistische Werte in die an der Universität Halle entwickelte zweidimensionale Bauelementsimulation einzugeben, analysierte das HZB eine hocheffiziente CIGS-Solarzelle mit verschiedensten Elektronen-Mikroskopieverfahren und optoelektronischen Messmethoden wie der Photolumineszenz.
Hergestellt wurde die CIGS-Zelle am ZSW mit dem Verfahren der Koverdampfung, bei dem die Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen zur selben Zeit im Vakuum aufgebracht werden.
Rekombination von elektrisch aktiven Korngrenzen als Verlustfaktor
Der Zellwirkungsgrad betrug ohne zusätzliche Antireflexschicht 21 Prozent, die reale Mikrostruktur dieser Zelle wurde mit den experimentell erhaltenen Werten der verschiedenen Analyseverfahren als Eingabeparameter für die zweidimensionale Simulation genutzt.
Die Computersimulationen hätten gezeigt, dass eine verstärkte Rekombination an elektrisch aktiven Korngrenzen innerhalb der CIGS-Schicht einen signifikanten Verlustmechanismus darstellt, der vor allem die Leerlaufspannung und den Füllfaktor verschlechtert und somit den Wirkungsgrad der Solarzelle nach unten drückt.
CIGS-Schichten mit größeren Körnern herstellen
„Um den Wirkungsgrad von CIGS-Dünnschichtsolarzellen und -modulen in Zukunft weiter zu verbessern, sollte die Dichte der elektrisch aktiven Korngrenzen reduziert und CIGS-Schichten mit größeren Körnern hergestellt werden“, so Witte.
Dies könnte technisch z.B. durch zusätzliche Additive in der CIGS-Schicht, eine Anpassung des Substratmaterials oder einen optimierten Temperaturhaushalt während der Beschichtung umgesetzt werden. Für die Photovoltaikindustrie wären dies vielversprechende Ansatzpunkte, um die Wirkungsgrade von CIGS-Modulen weiter zu erhöhen, teilte das ZSW mit. (hcn)
