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CIGS-Solarzellen Hauchdünn und flexibel – Metallbasierte CIGS-Solarzellen verbessern

Autor / Redakteur: Marc Platthaus / Dr. Ilka Ottleben

Wie eine neue Barriereschicht metallbasierte CIGS-Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad ermöglicht, erläutert Dr. Peter W. de Oliveira. Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus

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Dr. Peter William de Oliveira ist Leiter des Programmbereiches “Optische Materialien” im Leibniz Institut für Neue Materialien in Saarbrücken.
Dr. Peter William de Oliveira ist Leiter des Programmbereiches “Optische Materialien” im Leibniz Institut für Neue Materialien in Saarbrücken.
(Bild: Leibniz Institut für Neue Materialien)

LP: Solarzellen unterscheiden sich u.a. durch das verwendete Material. Herr Dr. de Oliviera, bei Ihren Untersuchungen am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien hat Ihre Gruppe eine so genannte glasartige Diffusionsbarriere entwickelt, die den Wirkungsgrad von metallbasierten CIGS-Solarzellen erhöht. In welchen Kontext ist diese Entwicklung einzuordnen?

Dr. Peter William de Oliveira: Unser Konzept ist es, Komponenten für leichte, kostengünstige, flexible Solarzellen zu entwickeln. Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) als Material für Solarzellen kann gegenüber Silizium sehr viel dünner hergestellt werden, was es ermöglicht, flexible Solarzellen für gekrümmte Oberflächen zu bauen. Der Weltrekord des Wirkungsgrades bei Labormustern liegt knapp über 20%, kommerzielle Muster erreichen um die 13%. Diese Werte werden allerdings nur auf Glassubstraten erhalten, die ja starr sind. Einer der Gründe für die guten Werte auf Glas ist das Natrium, das aus dem Glas in das CIGS-Material wandert und die Effizienz positiv beeinflusst. Das Wunschsubstrat für flexible Solarzellen wäre jedoch Edelstahlfolie; diese ist preiswert, hochflexibel und korrosionsbeständig. Der Wirkungsgrad solcher CIGS-Solarzellen liegt allerdings erheblich unter dem genannten Weltrekord. Es fehlt das Natrium, außerdem wirkt Eisen, welches vom Stahl freigesetzt wird, im CIGS ertragsmindernd. Es musste also eine flexible Barriereschicht entwickelt werden, die den Stahl vom CIGS trennt. Als Material eignet sich hierfür insbesondere Glas, da dies im Gegensatz zu Kunststoffen die notwendige Temperaturbehandlung bei der Herstellung der Solarzellen aushält.

LP: Bitte beschreiben Sie, woraus diese Barriereschicht besteht, wie sie auf die Solarzellen aufgetragen wird und welche Funktionen Sie nachweisen konnten.

Dr. de Oliviera: Im INM haben wir im Sol-Gel-Prozess glasartige Materialien entwickelt, welche Eigenschaften und chemische Zusammensetzung von Glas haben, aber über den Sol-Gel-Prozess hergestellt werden, ohne in den hohen Temperaturbereich der Schmelze gehen zu müssen. Für die CIGS-Zellen haben wir ein Sol hergestellt, welches ausgehend von molekularen Verbindungen u.a. Silizium und Natrium enthält. Dieses Sol wird z.B. über eine Druckmaschine auf die Edelstahlfolie aufgetragen und bei Temperaturen von 500 °C ausgehärtet. Nun haben wir eine einige µm dicke Glasschicht, welche – ähnlich dünnen Glasfasern – sehr flexibel ist und alle möglichen Verformungen der Folie mitmacht. Die Schicht ist elektrisch isolierend, wirkt als Natriumquelle für das CIGS und als Barriere für Eisenionen. Sie stellt also die ideale Barriereschicht für diese Anwendung dar.

LP: Mit welchen analytischen Methoden überwachen Sie Ihre Herstellungsprozesse?

Dr. de Oliviera: Speziell für diese Barriereschichten fallen mir als analytische Methoden HPLC oder Atomemissionsspektroskopie zur Kontrolle von Identität und Reinheit der Ausgangsstoffe ein. Die Kondensationsgrade der Sole oder Gele verfolgen wir z.T. über 29Si-NMR. Für die Beschichtungseigenschaften sind u.a. die Viskositäten der Sole entscheidend, die wir z.B. mit Rotationsviskosimetern bestimmen. Weitere Kenngrößen wie die Schichtdicke bestimmen wir mittels optischer Methoden per Elipsometrie. Für die elektrischen Eigenschaften, wie den Schichtwiderstand oder die Durchschlagsfestigkeit verwenden wir u.a. Geräte, die speziell für diesen Zweck im INM entwickelt und von unseren Werkstätten angefertigt wurden. Weiterhin werden die Schichten auch licht- und elektronenmikroskopisch analysiert.

LP: Welche Höhe des Wirkungsgrades kann durch die Verwendung der glasartigen Diffusionsbarriere erreicht werden?

Dr. de Oliviera: Genau zu dieser Fragestellung haben wir an ersten Labormustern Vergleichsmessungen durchgeführt. Auf unserem Substrat wurde bei einem Projektpartner eine Solarzelle hergestellt. Als Vergleich wurden im selben Prozess auch Solarzellen auf Glas und auf unbeschichteter Stahlfolie erzeugt. Das Muster auf Glas zeigte einen Wirkungsgrad von 11,1%, die Solarzelle auf der unbeschichteten Stahlfolie lag bei 7,4%. Die CIGS-Solarzelle, die auf dem vom INM beschichteten Substrat hergestellt wurde, hatte einen Wirkungsgrad von 13,7%. Allerdings möchte ich darauf hinweisen, dass der Wirkungsgrad nicht alles ist. Unser Verfahren erlaubt es, ganze Solarpanels in einem Druckverfahren per Sol-Gel-Technik zu beschichten. Diese sorgt dafür, dass die Schichteigenschaften – insbesondere die Natriumkonzentration – sehr einheitlich sind, was Panels mit großer Einheitlichkeit der Effizienz der einzelnen Zellen ergibt. Denn das Panel ist stets nur so gut wie die schlechteste Zelle.

LP: Welche Vorteile bietet das Verfahren außerdem noch?

Dr. de Oliviera: Prinzipiell lässt sich diese Barriereschicht nicht nur auf Stahl auftragen, sondern auch auf andere Materialien. Sofern diese die Prozesstemperaturen der CIGS-Solarzellenherstellung aushalten, eignen sie sich dann auch als Substrat für CIGS-Solarzellen. Denn für die Solarzelle ist ja die Glasschicht die eigentliche Substratoberfläche, die sie „wahrnimmt“. Unsere Lösung erlaubt es, flexible Solarzellen mit einer relativ gegenüber Stahl um die Hälfte erhöhten Effizienz herzustellen.

LP: Wo sehen Sie die Anwendungsbereiche für die verbesserten metallbasierten CIGS-Solarzellen?

Dr. de Oliviera: Einsatzmöglichkeiten solcher flexibler Solarzellen sind z.B. Anwendungen auf gekrümmten Flächen wie Autodächer, Rumpf- oder Flügeloberflächen von Flugzeugen. Ein anderer Bereich ist die mobile Anwendung. Wenn fernab der Stromnetze hohe elektrische Leistungen notwendig sind, können die Solarzellen ähnlich einer Projektionsleinwand aufgerollt transportiert und vor Ort ausgerollt werden. So lassen sich auf kleinem Raum große Flächen – mit entsprechend großen Leistungen – transportieren.

Vielen Dank für das Gespräch Herr Dr. de Oliviera.

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