Forscher wollen Wirkungsgradpotenzial von Silizium-Dünnschichtsolarzellen steigern

Solarzellen werden bereits massenhaft auf Dächern und Freiflächen installiert. Dennoch bleibt der Forschungsbedarf groß, weil bei den Produktionskosten und beim Rohstoffverbrauch noch viel Optimierungspotenzial besteht.

Eine ebenso material- wie kostensparende Alternative zur herkömmlichen Wafer-Solarzelle ist die Dünnschichttechnologie, die das Oldenburger EWE-Forschungszentrum für Energietechnologie NEXT ENERGY in den Mittelpunkt seiner Photovoltaik-Forschung gestellt hat.

Dabei setzt das Institut auf Silizium – ein Element, das ökologisch unbedenklich und unbegrenzt verfügbar ist. Welche Anstrengungen NEXT ENERGY im Einzelnen zur Senkung der Produktionskosten von Solarzellen und zur Erhöhung ihrer Wirkungsgrade unternimmt, erfahren die Besucher der Intersolar vom 8. bis 10. Juni 2011 auf der Neuen Messe in München, wo sich der Forschungsbereich Photovoltaik von NEXT ENERGY an Stand A2.615 präsentiert.

Für die fundierte Analyse von Verlustmechanismen und Optimierungspotenzialen in der Silizium-Dünnschichttechnologie haben die Wissenschaftler in den NEXT ENERGY-Laboren die Möglichkeit, sämtliche Faktoren bis hin zur Herstellung von Kleinsolarmodulen zu testen oder zu simulieren:

Solarzellentechnologie

Für die Herstellung von Silizium-Dünnschichtsolarzellen verfügt NEXT ENERGY über eine Beschichtungsanlage mit sechs Prozesskammern, mit der Siliziumschichten, transparent leitende Oxide (TCOs) und Metalle auf unterschiedlichste Substrate abgeschieden werden können. Neben amorphen Silizium-pin-Solarzellen („Single-Junction“) lassen sich auch mikromorphe Tandemsolarzellen mit reproduzierbaren Wirkungsgraden von mehr als zehn Prozent prozessieren. Hierzu werden eine amorphe und eine mikrokristalline pin-Solarzelle gestapelt, die jeweils Licht von unterschiedlicher Wellenlänge absorbieren.

Perspektivisch streben die Forscher an, den ausnutzbaren Wellenbereich des Sonnenlichts noch weiter auszudehnen: „Wir arbeiten daran, die Entwicklung der Triple-Junction-Solarzelle mit Hilfe von neuartigen Siliziumlegierungen voranzutreiben“, sagt Dr. Karsten von Maydell, Bereichsleiter Photovoltaik bei NEXT ENERGY. „Mit der Schichtung von drei Zellen lässt sich die Nutzung des Sonnenspektrums weiter ausdehnen, was letztlich zu einer Effizienzsteigerung der Solarzelle führt“. Das Design der entsprechenden Zellstruktur habe man bereits aus umfangreichen Simulationen ableiten können.

Prozesskontrolle

Um die Effizienz einer Solarzelle zu steigern und eine höhere Prozessausbeute („Yield“) erzielen zu können, versuchen die NEXT ENERGY-Wissenschaftler, die gesamte Solarzellenherstellungssequenz sowohl mit der In-Situ Prozesskontrolle (während des Prozesses) als auch mit der In-Line Prozesskontrolle (nach dem Prozess) zu analysieren und zu kontrollieren. Bei der In-Line Prozesskontrolle entwickeln die Forscherteams Verfahren und Messvorschriften, mit denen großflächig elektrische und optische Informationen von Schichten und Schichtpaketen auf Glas oder flexiblen Substraten detektiert werden können. Mit Hilfe einer schnellen Lokalisierung von Fehlern in der Prozesskette einer Solarzellenproduktion kann der Yield der Produktion signifikant erhöht werden. Zudem wurde gemeinsam mit der Firma FAP GmbH ein Regelkreislauf entwickelt, der es ermöglicht, die Prozessparameter während der chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) optisch zu kontrollieren und die Abscheideparameter instantan anzupassen.

Simulation

Um vorhandene Optimierungspotenziale in der Solarzellstruktur aufdecken und anschließend im Experiment umsetzen zu können, werden bei NEXT ENERGY Verlustmechanismen in elektrischen und optischen Simulationen analysiert. Dafür nutzen die Wissenschaftler das Programm TCAD von Synopsys. „Wir haben ein Modell entwickelt, mit dem sowohl die optische Lichteinkopplung in die Dünnschichtsolarzelle als auch der elektrische Transport der Ladungsträger in mehreren Dimensionen dargestellt werden kann“, erläutert von Maydell. „Mit Hilfe dieser Simulationen lassen sich Optimierungspotenziale an Single-, Tandem- oder Triple-Solarzellen detektieren“. Beispiele seien die Simulation effektiver Lichteinfangstrukturen, funktioneller Zwischenschichten und neuartiger Absorbermaterialien.

Flexible Substrate

NEXT ENERGY erforscht kostengünstige Lösungen für Solarzellenmodule auf Basis flexibler Materialien. Aktuell konzentrieren sich die Forschungsaktivitäten in diesem Bereich auf neue, effizientere Solarzellenarchitekturen auf Metall- oder Kunststofffolien mit innovativen Lichteinkopplungskonzepten. Zudem werden mit Hilfe von Ultrakurzpulslasern neue Modulverschaltungskonzepte erprobt. Karsten von Maydell sieht für dieses Forschungsfeld ganz praxisnahe Anwendungsmöglichkeiten: „Mit der Verwendung von flexiblen Substraten wie Metall- oder Kunststofffolien haben wir die Möglichkeit, extrem leichte Solarmodule zu fertigen. Sie eignen sich zum Beispiel für den Einsatz auf Dächern, die nur schwach belastbar sind. Zudem könnten sich im Rolle-zu-Rolle-Prozess die Produktionskosten reduzieren lassen.“

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