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Nanostrukturierte Silizium-Solarzellen Schicht für Schicht mehr Solarstrom

Autor / Redakteur: Tobias Schlößer* / Christian Lüttmann

Für bessere Stromausbeuten bei Solarzellen hat ein internationales Team mit Beteiligung des Forschungszentrums Jülich die Grundlage geschaffen. Mit nanostrukturierten Materialschichten haben sie hohe Wirkungsgrade erzielt, die theoretisch sogar die bislang leistungsstärksten Zellen noch übertreffen könnten.

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Schichtfolge der neuen Solarzellen mit durchsichtigen Frontalschichten (TPC, Transparent Passivating Contacts) auf einem Wafer mit zufälliger Pyramidenstruktur.
Schichtfolge der neuen Solarzellen mit durchsichtigen Frontalschichten (TPC, Transparent Passivating Contacts) auf einem Wafer mit zufälliger Pyramidenstruktur.
(Bild: Forschungszentrum Jülich)

Jülich – Günstiger als mit Sonne lässt sich heute kein Strom erzeugen. An sonnigen Standorten entstehen derzeit Kraftwerke, die Solarstrom sogar für weniger als zwei Cent pro Kilowattstunde liefern werden. Auf dem Markt erhältliche Solarzellen auf der Basis von kristallinem Silizium machen dies mit Wirkungsgraden von bis zu 23 Prozent möglich und halten daher einen Weltmarktanteil von etwa 95 Prozent. Mit noch höheren Wirkungsgraden von mehr als 26 Prozent könnten die Kosten weiter sinken. Dieses Ziel hat nun eine internationale Arbeitsgruppe rund um Photovoltaik-Forscher vom Forschungszentrum Jülich mit einem nanostrukturierten, durchsichtigen Material für die Vorderseite von Solarzellen und einem ausgeklügelten Design im Blick.

Was die Leistung von Solarzellen ausbremst

Silizium-Solarzellen haben bereits einen sehr hohen Entwicklungsstand erreicht. Doch es gibt noch immer kleinere Baustellen. So tritt nach der Absorption des Sonnenlichts und der photovoltaischen Erzeugung von elektrischen Ladungsträgern noch immer der störende Effekt der Rekombination auf. Dabei vereinen sich bereits erzeugte negative und positive Ladungsträger und löschen sich gegenseitig aus, bevor sie für den Fluss von Solarstrom genutzt werden konnten. Spezielle Materialien helfen dabei, diese unerwünschte Rekombination von Ladungsträgern zu vermindern. Solche Materialien weisen eine besondere Eigenschaft auf: eine Passivierung.

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Forscher am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-5) haben nun nanostrukturierte Schichten entwickelt, die genau so eine Passivierung aufweisen. Zusätzlich sind die hauchdünnen Schichten gut elektrisch leitend und außerdem transparent – der Lichteinfall wird also kaum reduziert, was für den Einsatz in Solarzellen eine Grundvoraussetzung ist. „Kein anderer Entwicklungsansatz vereint bisher diese drei Eigenschaften – Passivierung, Transparenz, Leitfähigkeit – so gut wie unser neues Design“, sagt Dr. Kaining Ding, Leiter der Jülicher Arbeitsgruppe.

Potenzial für Spitzen-Wirkungsgrad

Ein erster Prototyp der Jülicher TPC-Solarzelle – die Abkürzung steht für „Transparent Passivating Contact“ – erreichte im Labor einen Wirkungsgrad von 23,99 Prozent (±0,29 Prozent). Dieser Wert wurde von dem unabhängigen Caltec-Prüflabor des Instituts für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) bestätigt. Damit rangiert die Jülicher TPC-Solarzelle zwar noch etwas unter den bisher besten Laborzellen aus kristallinem Silizium. Doch parallel durchgeführte Simulationen haben gezeigt, dass mit der TPC-Technologie Wirkungsgrade von mehr als 26 Prozent möglich sind.

„Zudem haben wir bei der Fertigung nur Verfahren angewendet, die sich relativ schnell in eine Serienproduktion integrieren lassen“, betont Gruppenleiter Ding den Vorteil gegenüber anderen Ansätzen. Deshalb gehen die Jülicher Forscher davon aus, dass ihre Entwicklung aus dem Labor ohne großen Aufwand in einer industriellen Solarzellfertigung im großen Maßstab übernommen werden kann.

Nanoschichten aus Siliziumverbindungen

Für die Fertigung der TPC-Schichten waren mehrere Prozessschritte notwendig. Auf einer dünnen Lage aus Siliziumdioxid deponierten die Forscher eine Doppelschicht winziger, Pyramiden-förmiger Nanokristalle aus Siliziumkarbid – aufgetragen bei zwei unterschiedlichen Temperaturen. Zum Abschluss folgte eine durchsichtige Lage aus Indiumzinnoxid. Dabei wendeten Ding und seine Kollegen nasschemische Verfahren an: eine Ablagerung aus der Dampfphase (Chemical Vapour Deposition, CVD) und einen so genannten Sputter-Prozess.

In weiteren Schritten will die Jülicher Arbeitsgruppe die Stromausbeute ihrer TPC-Solarzellen weiter optimieren. „Wir rechnen auch mit einem großen Interesse der Solarzell-Hersteller an unserer Technologie“, sagt Ding.

Originalveröffentlichung: Malte Köhler et al.: A silicon carbide-based highly transparent passivating contact for crystalline silicon solar cells approaching efficiencies of 24%, Nature Energy, 15. April 2021; DOI: 10.1038/s41560-021-00806-9

* T. Schlößer, Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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