Schweizer Käse: Design für effiziente Solarzellen

Eine spezielle Nanostruktur ähnlich Schweizer Käse sorgt bei amorphen und sogenannten „Micromorph“-Solarzellen aus Silizium dafür, dass die Dünnschicht-Module besonders wenig Material benötigen und dennoch sehr effizient sind. „Die geschätzte mögliche Effizienz liegt im Bereich jener von polykristallinen Wafer-Solarzellen, wie sie derzeit die industrielle Fertigung dominieren“, betont Milan Vanecek, Leiter der Photovoltaik-Gruppe am Institut für Physik der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik. Dementsprechend groß ist das Potenzial des gemeinsam mit Oerlikon Solar entwickelten Ansatzes.

Dreidimensional dünn

Amorphe und mikrokristalline Tandem-Solarzellen (Micromorph) müssen sehr dünn sein, damit der Abstand zwischen den elektrischen Kontakten nicht zu groß wird. Das geht normalerweise zulasten der Lichtabsorption und somit Effizienz. Das Team um Vanecek setzt darauf, die für die Zellen genutzte Zinkoxid-Substratplatte dreidimensional zu strukturieren. Durch Mikro- und Nanolöcher entsteht ein Muster, das Waben oder eben löchrigem Käse ähnelt. Das Silizium wird dann mit einem in der LCD-Fertigung gängigen Aufdampfverfahren aufgebracht.

Das ermöglicht Module, die selbst für Dünnschichtzellen extrem dünn sind, wie Vanecek gegenüber pressetext betont. Während das mikrokristalline Silizium in Micromorph-Zellen normalerweise über einen Mikrometer dick ist, sind mit dem neuen Design Lagen von rund 500 Nanometern Dicke möglich. Die amorphe Schicht wiederum ist sogar dünner als 200 Nanometer. Damit sinkt der Materialverbrauch deutlich, was wiederum geringere Fertigungskosten in Aussicht stellt – wodurch sich letztlich die Installation der Solarzellen schneller amortisiert.

Hohe Effizienz

Gleichzeitig sorgt die spezielle 3D-Struktur für eine nach Dünnschichtzellen-Maßstäben hohe Stromausbeute. Das Team berichtet in Applied Physics Letters, dass für amorphe Solarzellen zwölf Prozent und für Micromorph-Solarzellen sogar mehr als 15 Prozent Effizienz möglich scheinen. Das ist mit derzeit handelsüblichen polykristallinen Siliziumzellen vergleichbar, deren Effizienz laut Vanecek im Bereich von zwölf bis 16 Prozent liegt.

„Die merklich geringeren Kosten von Micromorph-Zellen könnten daher zu einer deutlichen Steigerung in der industriellen Produktion führen“, meint daher der Wissenschaftler. Für ihn steht nun im Vordergrund, das Design weiter zu optimieren und die erreichte Effizienz zu steigern. Ob und wie schnell die Technologie tatsächlich umgesetzt wird, hängt also eher vom Industriepartner Oerlikon Solar ab.