Post-Deposition Treatment steigert den Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen
Photovoltaikanlagen (PV), die die Lichtenergie der Sonne in Strom umwandeln, haben sich rasant weiterentwickelt. Siliziumsolarzellen der ersten Generation spielen auch weiterhin eine große Rolle bei der Deckung des globalen Energiebedarfs. Die jährliche weltweite Produktion von PV-Modulen für Solarzellen der zweiten Generation bzw. Dünnschichtsolarzellen wächst. Der Wirkungsgrad ist bisher jedoch in der Regel geringer als bei Technologien der ersten Generation. Das ambitionierte EU-finanzierte Projekt Sharc25 will jetzt gleiche Voraussetzungen schaffen. Um Dünnschichtsolarzellen herzustellen, werden sehr dünne Schichten aus Halbleitermaterialien (wenige Mikrometer oder kleiner) auf ein Trägersubstrat aufgebracht. Sharc25 konzentrierte sich vordergründig auf Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS), beispielsweise auf Glassubstraten. Wichtige Innovationen beim Post-Deposition-Prozess und dem Schnittstellendesign ebneten den Weg für erstklassige Ergebnisse. Bahnbrechende neue Ansätze für das Post-Deposition Treatment Nach Aussage des Projektkoordinators Wolfram Witte hatten zum Start des Sharc25-Projekts im Jahr 2015 „nur wenige Forschungseinrichtungen und Unternehmen auf der Welt bei CIGS-Solarzellen einen Wirkungsgrad von mehr als 20 % erreicht, wobei gewöhnlich ein Post-Deposition Treatment (PDT) mit Kaliumfluorid erfolgte (KF-PDT).“ Darunter waren bereits die Sharc25-Partner ZSW und Empa. Neben dem KF-PDT-Prozess für CIGS-Absorber erweiterten die Forscher ihr Repertoire an Alkalimetall-PDT auch um Rubidiumfluorid-PDT (RbF-PDT) und Cäsiumfluorid-PDT (CsF-PDT). Die verbesserten Prozesse zur Herstellung von CIGS-Absorbern und das verbesserte Schnittstellendesign ermöglichten noch höhere Wirkungsgrade. Im Juni 2016 stellte das Projekt mit einem Wirkungsgrad von 22,6 % einen neuen Weltrekord für kleinflächige CIGS-Solarzellen auf Glassubstraten auf. Flexible Substrate stellen eine vielseitige Lösung für Gebäudeanwendungen und tragbare Anwendungen dar. Sharc25 hat auch in diesem Bereich Fortschritte gemacht und mit einem Wirkungsgrad von 20,8 % einen weiteren Weltrekord für eine CIGS-Solarzelle auf einem flexiblen Substrat aufgestellt. Die Veröffentlichung der Ergebnisse und der damit verbundenen Prozesse hat weltweit eine regelrechte Forschungs- und Entwicklungswelle unter Nutzung von RbF-PDT oder CsF-PDT ausgelöst, wodurch die Grenzen der Technologie weiter verschoben werden. Blick in die Zukunft Partnerunternehmen widmen sich derzeit der Kommerzialisierung der hocheffizienten Dünnschichttechnologie. Dazu implementieren sie die Alkalimetall-PDT-Prozesse, um großflächige Solarmodule aus CIGS-Dünnschichtsolarzellen herzustellen. Die Dünnschichttechnologie von Sharc25 könnte außerdem bald für Perowskit-Solarzellen der dritten Generation genutzt werden. Bei Perowskit konnte ein Wirkungsgrad von über 20 % zusammen mit einer hohen Bandlückenenergie nachgewiesen werden, wodurch das Mineral weltweite Aufmerksamkeit erlangte. Die an Sharc25 beteiligten Wissenschaftler stellten mithilfe von RbF-PDT und einer niedrigen Bandlückenenergie von 1,0 eV eine CIGS-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 18 % her. Witte erklärt dazu: „Dieses Material ist ideal als Bottomzelle in einer Tandemanwendung mit einem Material mit hoher Bandlücke wie Perowskit der dritten Generation als Topzelle geeignet.“ Das Team hat dazu bereits zahlreiche Vorträge auf Konferenzen gehalten und Artikel in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht. Darüber hinaus hat das Konsortium zwei erfolgreiche internationale öffentliche Seminare veranstaltet. „Sharc25 hat tiefe Einblicke in die Physik von hocheffizienten CIGS-Dünnschichtsolarzellen unter Nutzung von fortschrittlichen Charakterisierungsmethoden, Analysewerkzeugen, Baugruppensimulation und der funktionalen Modellierung der Dichte gewährt“, so Witte abschließend. Dank dieses komplementären Ansatzes konnte Sharc25 neue effizienzsteigernde Verfahren entwickeln, von denen einige bereits erfolgreich in die Produktion überführt wurden. Durch die neuen Rekorde im Hinblick auf den Wirkungsgrad von CIGS-Solarzellen hat das Team die Messlatte im Bereich Dünnschichtsolarzellen höher gelegt.
Schlüsselbegriffe
Sharc25, Solarzelle, CIGS, Post-Deposition Treatment (PDT), Wirkungsgrad, Dünnschicht, Substrat, flexibel, Energie, Deposition, Bandlücke, Licht, Alkalimetall, Schnittstelle, Photovoltaik, Strom
