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Silberstreif am Horizont für dünnere und effizientere Solarzellen

Gebäudeintegrierte Photovoltaikanlagen sind eine hervorragende Lösung, um der steigenden Nachfrage nach Null-Energie- und Null-Emissionsgebäuden gerecht zu werden. Hierfür leistet nun ein dreizehnköpfiges Konsortium Pionierarbeit bei Solarzelltechnologien und –produktionsanlagen, die kostengünstig und vor allem hocheffizient sind.

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Dünnschichtsolarzellen auf Basis einer CIGS-Absorberschicht (Cu(In,Ga)Se2) sind leicht, effizient auch bei schwachem Licht, biegsam, kostengünstig in der Herstellung und ästhetisch unauffällig. Das EU-finanzierte Projekt ARCIGS-M sollte dieses Potenzial nun ausschöpfen und entwickelte modernste Konzepte für Solarzellen, um letztlich die Produktionskosten von CIGS-Solarmodulen weiter zu senken. Einstufige Herstellung der Silberbeschichtung „Schwerpunkt von ARCIGS-M ist die Herstellung kostengünstiger Dünnschichtsolarzellen mit höchstem Wirkungsgrad, die für Gebäude geeignet sind“, resümiert Projektkoordinatorin Prof. Marika Edoff. „Zum Einsatz kommen dabei zwei Arten von Substraten: zum einen herkömmliches Kalknatronglas, zum anderen die günstigeren Stahlsubstrate.“ Auf die Stahlsubstrate wird eine elektrische Isolationsschicht aufgebracht. Damit können die Solarzellenmodule in einem Schritt hergestellt werden, ohne dass einzelne Zellen zusammengelötet werden müssen. Alle Dünnschichtsolarzellen haben zwei Kontakte: eine Absorberschicht, die das Sonnenlicht absorbiert, und einen transparenten Frontkontakt. Die Absorberschicht bei ARCIGS-M-Solarzellen besteht aus CIGS, einem Halbleitermaterial mit direkter Bandlücke. Die Bandlücke ist eine Materialeigenschaft und entspricht der benötigten minimalen Photonenenergie(aus Sonnenlicht), um ein Elektron zu erregen. Bei Materialien mit direkter Bandlücke hat die Absorption jedoch eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit und ermöglicht daher, dass die Schichten nur noch wenige Mikrometer dick sein müssen. ARCIGS-M arbeitet mit Schichten, die nur noch 0,5 µm dick sind. Allerdings, so Prof. Edoff, „reicht dies nicht für eine vollständige Absorption. Deshalb besteht der Rückkontakt nicht mehr aus einer Molybdänschicht, sondern aus einem Stack aus mehreren Silberschichten. Dies erhöht die Reflexion deutlich – und zwar auf fast 90 %.“ Weitere Fortschritte Eines der wichtigsten Projektergebnisse ist die Rückseitenreflektorschicht, „die, wie wir feststellen konnten, gut mit den CIGS-Schichten zusammenpasst“, so Prof. Edoff. Durch eine Schicht aus Passivierungsmaterial (Aluminiumoxid) wird verhindert, dass durch den Rückkontakt Elektronen verloren gehen, die mit nanogroßen Öffnungen perforiert ist. „Für die Nanostrukturierung der Passivierungsschicht am Rückkontakt kommt die Nanoimprintlithographie zum Einsatz, eine Methode, die wir erstmals für diesen Gerätetyp skalieren konnten“, berichtet die Koordinatorin. Außerdem entwickelte die Forschergruppe ein optoelektrisches Modell für das Feedback. Über die technische Entwicklung hinaus Aber auch außerhalb des Labors macht das Projekt große Fortschritte. „Wir wollten in einem Bereich, der bislang eher Männern vorbehalten war, ein ausgewogenes Geschlechterverhältnis etablieren“, so Prof. Edoff. Sowohl die Projektkoordinatorin als auch die stellvertretende Koordinatorin sind Frauen, „und in den Arbeitssitzungen des Gesamtprojekts war die Beteiligung zu etwa 40 % weiblich.“ „Wir hoffen, mit unserem Projekt neue Geschäftsmöglichkeiten für unsere Partner aus verschiedensten komplementären Bereichen zu schaffen“, kommentiert Prof. Edoff, etwa für einen Versorgungsunternehmer, einen Stahlhersteller und einen Gerätehersteller. Ein Zitat aus einem Interview von 2018 fasst die Vision von Prof. Edoff zusammen: „Photovoltaik ist Gegenwart und Zukunft zugleich! Und sie ist die demokratischste Art der Stromerzeugung.“

Schlüsselbegriffe

ARCIGS-M, Solarzelle, Gebäude, CIGS, Dünnschichtsolarzelle, Silber, Absorberschicht, Photovoltaik, Stahlsubstrat, Sonnenlicht

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