Materialentwicklung für Solarzellen mit 26 Prozent Wirkungsgrad

Günstiger als mit Sonne lässt sich heute kein Strom erzeugen. An sonnigen Standorten entstehen derzeit Kraftwerke, die Solarstrom sogar für weniger als zwei Cent pro Kilowattstunde liefern sollen. Auf dem Markt erhältliche Solarzellen auf der Basis von kristallinem Silizium machen dies mit Wirkungsgraden von bis zu 23 Prozent möglich und halten daher einen Weltmarktanteil von etwa 95 Prozent. Mit noch höheren Wirkungsgraden von mehr als 26 Prozent könnten die Kosten weiter sinken. Mit einem nanostrukturierten, durchsichten Material für die Vorderseite von Solarzellen und einem klugen Design haben dies Forschende am Forschungszentrum Jülich im Blick. Über die Ergebnisse ihrer langjährigen Forschung berichtet die Arbeitsgruppe in der Fachzeitschrift Nature Energy.

Silzium-Solarzellen haben bereits einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Doch noch immer tritt nach der Absorption des Sonnenlichts und der photovoltaischen Erzeugung von elektrischen Ladungsträgern der störende Effekt der Rekombination auf. Dabei löschen sich positive und negative Ladungsträger gegenseitig aus, bevor sie für den Fluss von Solarstrom nutzbar sind. Dagegen helfen spezielle Materialien, die eine Passivierung aufweisen. Die vorgestellten nanostrukturierten Schichten bieten genau diese gewünschte Passivierung. Zusätzlich sind die sehr dünnen Schichten transparent – der Lichteinfall wird kaum reduziert – und zeigen eine hohe elektrische Leitfähigkeit.

Ein erster Prototyp der TPC-Solarzelle (Transparent Passivating Contact) erreichte im Labor einen hohen Wirkungsgrad von 23,99 Prozent (±0,29 Prozent). Dieser Wert wurde auch vom unabhängigen CalTeC-Prüflabor des Instituts für Solarenergieforschung in Hameln bestätigt. Damit rangiert die TPC-Solarzelle zwar noch etwas unter den bisher besten Laborzellen aus kristallinem Silizium. Doch parallel durchgeführte Simulationen haben gezeigt, dass mit der TPC-Technologie Wirkungsgrade von mehr als 26 Prozent möglich sind.

Bei der Fertigung kamen nur Verfahren zum Einsatz, die sich relativ schnell in eine Serienproduktion integrieren lassen. Mit dieser Strategie ermöglichen die Forschenden, dass ihre Entwicklung aus dem Labor ohne allzu großen Aufwand in einer industriellen Solarzellenfertigung übernommen werden kann. Für die Fertigung der TPC-Schichten waren mehrere Prozessschritte notwendig. Auf einer dünnen Lage aus Siliziumdioxid erzeugten die Forschenden eine Doppelschicht winziger Pyramiden-förmiger Nanokristalle aus Siliziumkarbid – aufgetragen bei zwei unterschiedlichen Temperaturen. Zum Abschluss folgte eine durchsichtige Lage aus Indiumzinnoxid. Dabei kamen nasschemische Verfahren sowie CVD und PVD zum Einsatz.

Für ihren Erfolg haben die Forscher vom IEK-5 und des Jülicher Ernst-Ruska Zentrums für Elektronenmikroskopie eng mit mehreren Instituten in den Niederlanden, China, Russland und Ecuador zusammengearbeitet. Zu den Partnern zählen Forschende der RWTH Aachen, der Universität Duisburg-Essen, der Technischen Universitäten Delft und Eindhoven, der Universidad San Francisco de Quito, der Universität und des Kutateladze Institute of Thermophysics in Novosibirsk und der Sun Yat-Sen Universität in Guangzhou. In weiteren Schritten will die Arbeitsgruppe die Stromausbeute ihrer TPC-Solarzellen weiter optimieren. (na)