Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die effizientesten flexiblen Solarzellen

21.09.2011
Die an der Empa entwickelte Technik, mit der flexible Solarzellen mit einer Rekord-Energieeffizienz von 18,7% hergestellt werden können, wurde im renommierten «Nature Materials» veröffentlicht.

Der technologische Durchbruch der Empa-Forscher basiert auf der Modellierung der elektronischen Bandlücke im Halbleitermaterial der Solarzelle. Die entscheidende Schicht, die Sonnenlicht absorbiert und in Elektrizität umwandelt, besteht aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (kurz CIGS). Dem Team gelang es, während der verschiedenen Phasen des Aufdampfprozesses der Halbleiterschicht die Flussrate der Elemente zu kontrollieren, um eine genau definierte Bandlücke zu erzeugen.


An der Empa entwickelte flexible CIGS-Polymersolarzellen, die den neuen Effizienzrekordwert erreicht haben.

Flexible und leichte Hochleistungs-Solarzellen – etwa auf Kunststofffolien – bergen ein bedeutendes wirtschaftliches Potential: Die Produktionskosten für Solarzellen liessen sich durch das «Rolle-zu-Rolle»-Produktionsverfahren deutlich senken. Wegen des hohen Wirkungsgrades würden zudem auch die Kosten für das Gesamtsystem fallen. Dies wäre ein weiterer Schritt auf dem Weg zu kostengünstig produziertem Solarstrom.

Bis jetzt haben jedoch flexible, auf Kunststofffilmen aufgebrachte Solarzellen nicht die gewünschte Effizienz gezeigt; sie lagen weit hinter den Werten zurück, die mit Solarzellen auf Glassubstraten erreicht wurden. Der Grund: Beim Aufdampfen des Halbleitermaterials, das Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt, halten Polymerfilme nur weit geringere Prozesstemperaturen aus als Glasplatten. Dies führte zu geringerer Effizienz der produzierten Zelle.

Rekorde in Teamarbeit

Das Forschungsteam der Abteilung «Dünnfilme und Fotovoltaik» an der Empa unter der Leitung von Ayodhya N. Tiwari beschäftigte sich mit der Entwicklung von hocheffizienten CIGS-Solarzellen – sowohl auf Glassubstraten als auch auf flexiblen Trägermaterialien. Der Gruppe, die zunächst an der ETH Zürich forschte und seit drei Jahren an der Empa tätig ist, gelang es in den vergangenen Jahren mehrfach, neue Effizienzrekorde für CIGS-Zellen aufzustellen. Mit dem aktuellen Rekordwert von 18,7% schloss Tiwari und sein Team nun beinahe die Effizienzlücke, die zuvor noch zwischen CIGS-Zellen auf flexiblen Materialien und CIGS-Zellen auf Glas bzw. polykristallinen Siliziumsolarwafern bestand. Die Einzelheiten der neuen Tieftemperatur-Herstellungsmethode und des Schichtaufbaus der neuartigen Zelle wurden nun in «Nature Materials» veröffentlicht.

Neue Herstellungsmethode

«Um solch hohe Effizienzraten zu erreichen, mussten wir die Rekombinationsverluste der durch Lichteinfall generierten Ladungsträger minimieren», sagt Tiwari. Die CIGS-Schichten, die durch gleichzeitiges Aufdampfen der Elemente bei rund 450°C entstehen, haben einen starken Gradienten in der Zusammensetzung: Die Diffusion der Elemente zur Bildung der gewünschten CIGS-Phase ist ungenügend; vor allem diffundiert Gallium (Ga) vorzugsweise zum elektrischen Rückseitenkontakt. Um dieses Problem zu umgehen, entwickelten die Doktoranden Adrian Chirilã und Patrick Bloesch einen neuen Aufdampf-Prozess, bei dem der Auftrag von Gallium und Indium in den verschiedenen Phasen der Fabrikation genau kontrolliert werden konnte. Das Ergebnis war eine optimierte Zusammensetzung der einzelnen Komponenten innerhalb der CIGS-Schicht. So werden die Ladungsträger effizienter eingefangen; die Rekombinationsverluste sind kleiner. CIGS-Solarzellen mit solch hoher Effizienz waren bisher nur auf Glassubstraten möglich, weil nur dort Produktionstemperaturen von mehr als 600°C erreichbar waren – Kunststofffolien halten solche Temperaturen nicht aus.

Auch billige Metallfolien als Träger geeignet

Tiwaris Forschungsgruppe gelang es nicht nur, einen Effizienzrekord von 18,7% auf Polymer-Folien zu setzen, sie erreichten auch auf einer Stahlfolie eine Effizienz von 17,7% – und das ohne eine Nitrid- oder Oxid-Sperrschicht zu benutzen, die gewöhnlich für Hochtemperaturprozesse auf Metallfolien nötig ist. Die Rekordwerte wurden vom unabhängigen Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg i. Br. (Deutschland) zertifiziert. «Wir haben damit gezeigt, dass der von uns entwickelte Tieftemperatur-Herstellungsprozess auch auf preiswerten Metallfolien anwendbar ist, etwa auf Aluminium- oder einfachen Schmiedestahlfolien. Mit unserer Technologie wird es also möglich sein, die Kosten für hocheffiziente Solarzellen gewaltig nach unten zu drücken», sagt Tiwari.

Forschern des Start-up-Unternehmens FLISOM und Empa-Forscher arbeiten nun gemeinsam daran, die Technologie der Tieftemperatur-Produktion von Solarzellen auf Industriemassstab zu skalieren und zu kommerzialisieren. Am Ende sollen miteinander verbundene Solarmodule im «Rolle-zu-Rolle»-Verfahren produziert werden können. Die Projekte wurden vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF), von der Kommission für Technologie und Innovation (KTI), vom Bundesamt für Energie (BFE), von EU-Rahmenförderprogrammen sowie den Schweizer Firmen W. Blösch AG und FLISOM gefördert.

Sabine Voser | EMPA
Weitere Informationen:
http://www.empa.ch
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3122.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Körperenergie als Stromquelle
22.08.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht „Cool“ bleiben im Büro: Wasser als Kältemittel im Alltag bald vor Durchbruch?
22.08.2017 | Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Zukunft des Leichtbaus: Mehr als nur Material einsparen

23.08.2017 | Veranstaltungen

Logistikmanagement-Konferenz 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Spot auf die Maschinerie des Lebens

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die Sonne: Motor des Erdklimas

23.08.2017 | Physik Astronomie

Entfesselte Magnetkraft

23.08.2017 | Physik Astronomie