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ERC Story – Start in eine hellere Zukunft? Facelift für Solarzellen

Die Kraft der Sonne ist eine nie versiegende Energiequelle. Die Sonne liefert pro Minute genug Energie, um ein Jahr lang den weltweiten Energiebedarf zu decken. Die Ressource jedoch in kostengünstigen Strom umzuwandeln, ist schwierig – da der Wirkungsgrad der Siliziumzellen nach einiger Zeit nachlässt. Unterstützt durch einen ERC-Förderpreis für ihr Projekt SOLARX zeigt nun Prof. Hele Savin von der Universität Aalto, Finnland, einen neuen Lösungsweg auf.
ERC Story – Start in eine hellere Zukunft? Facelift für Solarzellen
"Das Phänomen des sinkenden Wirkungsgrades ist bekannt, die genauen Ursachen sind aber unklar." Kommen Solarzellen in die Jahre, erzeugen sie immer weniger Strom, wie sie weiter ausführt. "Derzeit gehen etwa 20% Wirkungsverlust auf diesen Effekt zurück, und die Gründe hierfür liegen noch im Dunkeln. Die Hersteller versuchen, diese Nachteile durch bessere Qualität, aber auch teureres Material oder neue Dotierelemente im Silizium zu überwinden, bis heute allerdings gibt es keine kostengünstige Lösung."

Und an dieser Stelle kommt Prof. Savins ihre elektrotechnische Ausbildung zugute: nach dem Studium der Mikroelektronik am Technologieinstitut der Universität Helsinki (TKK) koordiniert sie derzeit die Forschungsgruppe für Elektronenphysik am Institut für Mikro- und Nanowissenschaften der Elektrotechnischen Hochschule der Universität Aalto in Finnland.

Anziehung von Kupferionen als Lösungsansatz

Seit einigen Jahren überschneiden sich die Fachbereiche Mikroelektronik und PV-Technologie (Silizium-Photovoltaik-Solarzellen), da meist gleiche Materialien und Techniken verwendet werden. Prof. Savin will nun auf früheren Forschungsergebnissen aufbauen, um ein fortdauerndes Problem in diesem relativ jungen Fachbereich zu lösen.

"Ich bin überzeugt, die Ursache für den sinkenden Wirkungsgrad sind Kupfereinschlüsse im Silizium, die auf das Sonnenlicht reagieren und die Leistung mindern", erklärt sie. "Im Silizium großer PV-Zellen ist meist Kupfer enthalten, was entweder auf bestehende Unreinheiten oder den Produktionsprozess selbst zurückzuführen ist. Indem es sogar bei Raumtemperatur durch das Silizium diffundiert, verändert es seine Lage im Silizium."

"In meiner Doktorarbeit befasste ich mich näher mit der Wirkung von Kupfer in der Mikroelektronik, insbesondere Kupferkontaminationen in Silizium", fährt sie fort. "Mittels Licht erzeugte ich elektrische Aktivität in dem Kupfer. Zuerst einmal sollte dieser Effekt demonstriert werden. Nun aber ist meine Hypothese, dass Kupfer auch für den sinkenden Wirkungsgrad verantwortlich ist, den Hersteller von Solarzellen natürlich gern unterbinden würden. Treffen die Sonnenstrahlen auf die PV-Zelle auf, wird das eingeschlossene Kupfer aktiv, verändert seine Position und lagert sich zusammen. Die entstehenden Klümpchen werden immer größer, was die PV-Zellen schädigt und den Stromfluss unterbricht."

Die Forschergruppe um Prof. Savin arbeitet daher an einer Methode, sich negative Ladung auf der Siliziumoberfläche zunutze zu machen. Dabei kommen die Isoliereigenschaften der oxidierten Schutzfolie, wie sie bei den meisten PV-Zellen üblich ist, zum Tragen. So werden die Kupferionen zur Oberfläche gezogen und können sich nicht zusammenlagern, um den Stromfluss zu unterbrechen.

"Der Wirkungsgrad sinkt langsam, daher dauern die Versuche mehrere Tage", erklärt sie. "Mit dem Förderpreis des ERC können wir in den nächsten fünf Jahren nach einer Lösung für dieses Problem suchen und werden dabei durch einen Postdoktoranden und einen Doktoranden unterstützt. Auch stellt uns Micronova spezielle Technik zur Verfügung, um Kupferkontaminationen zu überwachen."

Micronova ist Finnlands nationale Forschungsinfrastruktur für Mikro- und Nanotechnologie unter Ägide des Technischen Forschungszentrums VTT und der Universität Aalto. Mit der speziellen Technik kann Prof. Savin untersuchen, wie sich Kupfereinschlüsse im Silizium auswirken und dabei andere Kreuzkontaminationen außer Acht lassen.

"Meine Arbeit ist Grundlagenforschung, aber die Produktionskapazität und der Markt für Photovoltaiktechnologien ist riesig. Wenn es funktioniert, wird der Erfolg auf technologischer Ebene enorm sein, mit vielen neuen Anwendungsmöglichkeiten“, sagt sie. "Aber selbst wenn die industrielle Umsetzung ausbleibt, ist die Ursachenforschung an sich schon ein gutes Ergebnis und fördert neue und bessere Lösungsansätze." Nach Wasser- und Windkraft ist die in Solarzellen umgewandelte Sonnenenergie der drittgrößte erneuerbare Energieträger – mit weltweit mehr als 100 GW an installierter Kapazität. Mit der Fortführung ihres Projekts könnte Prof. Savin dazu beitragen, die Vision der Erzeugung zuverlässiger erneuerbarer Energien Wirklichkeit werden zu lassen.

"Mein Traum ist es, dass die PV-Branche weltweit die von mir entwickelte Technologie nutzt", fügt sie abschließend hinzu.

- Quelle: Prof. Hele Savin
- Projektkoordinator: Aalto University School of Electrical Engineering, Finnland
- Projekttitel: Riddle of light-induced degradation in silicon photovoltaics
- Projektakronym: SOLARX
- Institutionswebsite
- RP7 Finanzierungsprogramm (ERC-Aufforderung): Starting Grant 2012
- Finanzierung durch die EK: 850 000 EUR
- Projektdauer: 5 Jahre

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