Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die positiven Seiten des Dopings: Der Weg zur Industrialisierung von Cadmiumtellurid-Solarzellen (CdTe) auf Metallfolie

14.08.2013
Flexible Dünnschichtsolarzellen, die sich von «Rolle zu Rolle» produzieren lassen, sind ein viel versprechender Weg zu günstigem Solarstrom.

Wissenschaftler der Empa erzielten nun einen Durchbruch auf dem Weg zur Industrialisierung von Cadmiumtellurid-Solarzellen (CdTe) auf Metallfolie: Dem Team gelang es, den Wirkungsgrad von unter acht auf 11,5 Prozent zu steigern, indem sie die Zellen mit Kupfer dotierten, wie sie in der aktuellen Ausgabe von «Nature Communications» berichten.


CdTe-Solarzellen auf einer flexiblen Metallfolie (links) und Elektronenmikroskop-Aufnahme (EM) des Zellaufbaus in der Substrat-Konfiguration (rechts) mit dem elektrischen Frontkontakt (oberste Schicht), der zentralen CdTe-Schicht und dem rückseitigen Kontakt aus Metall (unterste Schicht), deponiert auf einem Glasträger. (Glas ermöglicht schärfere EM-Aufnahmen und wurde deshalb als Trägermaterial benutzt.)

Um Solarstrom zu weitherum erschwinglichen Preisen zur Verfügung stellen zu können, arbeiten Ingenieure und Wissenschaftler weltweit an der Entwicklung kostengünstiger Herstellungsverfahren. Flexible Dünnschichtsolarzellen haben ein enormes Potenzial, da sie deutlich weniger Material benötigen und durch Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren in grossen Mengen produziert werden können. Eine dieser Technologien beruht auf Cadmiumtellurid (CdTe), das Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt.

Mit dem aktuell zweitgrössten Marktanteil (hinter Silizium-basierten Solarmodulen) sind CdTe-Solarzellen in der Herstellung bereits heute am günstigsten. Die starren CdTe-Zellen auf Glas, auch «Superstrat»-Solarzellen genannt, haben jedoch einen Nachteil: Sie benötigen ein transparentes Trägermaterial, das Sonnenlicht zur Licht absorbierenden CdTe-Schicht durchlässt – und schränken somit die Auswahl der Trägermaterialien massiv ein.

Liesse sich der mehrschichtige Aufbau der CdTe-Solarzellen umkehren, könnte man auch flexible Folien, etwa aus Metall, als Trägermaterial nutzen – und dadurch die Herstellungskosten noch weiter senken. In dieser so genannten Substrat-Konfiguration dringt das Licht von der «anderen» Seite in die Zelle ein, ohne dabei das Trägermaterial durchdringen zu müssen. Das Problem ist jedoch, dass in der Substrat-Konfiguration aufgebaute CdTe-Solarzellen auf Metallfolie bislang nur äusserst bescheidene Wirkungsgrade, weit unter acht Prozent, aufweisen. Zum Vergleich: Eine im Labormassstab hergestellte starre Superstrat-CdTe-Solarzelle auf Glas erreichte vor kurzem eine Rekordeffizienz von 19,6 Prozent. (Handelsübliche CdTe-Module in der Superstrat-Konfiguration erreichen Wirkungsgrade zwischen 11 und 12 Prozent.)

Kupfer-«Doping» von Solarzellen

Eine Möglichkeit zur Steigerung des niedrigen Wirkungsgrades von CdTe-Solarzellen in der Substrat-Konfiguration ist die p-Dotierung (engl. doping) der Halbleiterschicht mit Metallen wie Kupfer (Cu). Dies würde sowohl die Dichte der «Löcher» (positive Ladungsträger) als auch deren Lebensdauer erhöhen und somit zu einer Zunahme der photovoltaischen Leistung, der Menge des in elektrische Energie umgewandelten Lichts, führen. Eigentlich die perfekte Lösung, wenn CdTe nicht so schwer zu dotieren wäre. «Es wurde bisher immer wieder vergeblich versucht, CdTe-Solarzellen in der Substrat-Konfigurationen zu dotieren», erklärt Ayodhya Nath Tiwari, Leiter des Labors für Dünnfilme und Photovoltaik an der Empa.

Sein Team beschloss trotzdem, es nochmals zu versuchen, indem die Forscher Kupfer durch Hochvakuumbedampfung auf die CdTe-Schicht auftrugen. Anschliessend erhitzten sie die Proben, damit die Cu-Atome in das CdTe eindringen konnten. Die Wissenschaftler erkannten bald, dass sie die Kupfermenge genauestens kontrollieren mussten: Verwendeten sie zu wenig Kupfer, liess sich die Effizienz nicht steigern; wenn sie die Zellen «überdotierten», ebenso.

Die elektronischen Eigenschaften verbesserten sich jedoch massiv, als Lukas Kranz, ein Doktorand in Tiwaris Labor, gemeinsam mit Christina Gretener und Julian Perrenoud, die Menge der Cu-Aufdampfung genau so einstellte, dass sich eine monoatomare Schicht auf dem CdTe ergab. «Die Wirkungsgrade stiegen dramatisch von knapp unter einem Prozent auf über 12 Prozent an,» so Kranz. Der Höchstwert lag bei 13,6 Prozent für eine CdTe-Solarzelle auf Glas; auf Metallfolien erreichte das Empa-Team Wirkungsgrade von bis zu 11,5 Prozent.

Die 20-Prozent-Grenze als Fernziel

Zurzeit sind die höchsten Wirkungsgrade von flexiblen CdTe-Solarzellen auf Metallfolie noch immer tiefer als diejenigen flexibler Superstrat-Zellen auf speziellen (und daher teuren) transparenten Polyimidfolien, die Tiwaris Team 2011 entwickelte. Aber, so Co-Autor Stephan Bücheler, Gruppenleiter in Tiwaris Labor: «Unsere Ergebnissen deuten darauf hin, dass sich mit der Substrat-Technologie der Wirkungsgrad in Zukunft noch deutlich weiter steigern lässt.» Ein erstes Ziel wären 15 Prozent. «Ich bin allerdings davon überzeugt, dass das Material das Potenzial für Wirkungsgrade von über 20 Prozent hat.» Als nächstes werde man sich darauf konzentrieren, die so genannte Fensterschicht über dem CdTe, einschliesslich des elektrischen Frontkontakts, dünner zu gestalten. Dadurch würde diese weniger Licht absorbieren und mehr Sonnenlicht in die CdTe-Schicht durchlassen. «Die optischen Verluste reduzieren», wie Tiwari es nennt.

Die Studie wurde vom Schweizer Nationalfonds (SNF) und dem Kompetenzzentrum Energie und Mobilität des ETH-Bereichs (CCEM-Dursol) unterstützt.

Literaturhinweis
Kranz L, Gretener C, Perrenoud J, Schmitt R, Pianezzi F, La Mattina F, Blösch P, Cheah E, Chirilã A, Fella CM, Hagendorfer H, Jäger T, Nishiwaki S, Uhl AR, Buecheler S, Tiwari AN; Doping of polycrystalline CdTe for high efficiency solar cells on flexible metal foil; Nature Communications, DOI 10.1038/ncomms3306
Weitere Informationen
Lukas Kranz, Dünnfilme und Photovoltaik, Tel. +41 58 765 61 02, Lukas.Kranz@empa.ch
Prof. Dr. Ayodhya N. Tiwari, Dünnfilme und Photovoltaik, Tel. +41 58 765 41 30, Ayodhya.Tiwari@empa.ch
Redaktion / Medienkontakt
Dr. Michael Hagmann, Kommunikation, Tel. +41 58 765 45 92, redaktion@empa.ch

Cornelia Zogg | EMPA
Weitere Informationen:
http://www.empa.ch
http://www.empa.ch/plugin/template/empa/3/139081/---/l=1

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Wärme in Strom: Thermoelektrische Generatoren aus Nanoschichten
16.03.2017 | Universität Duisburg-Essen

nachricht Flüssiger Treibstoff für künftige Computer
15.03.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise