Nanostrukturen erhöhen Wirkungsgrad von Solarzellen

Berlin – Bislang galt in der Photovoltaik der Grundsatz, dass ultradünne Solarzellen zwar Material und Energie bei der Herstellung sparen, aber dafür beim Wirkungsgrad schlechter abschneiden als herkömmliche Solarzellen. Forscher aus Deutschland und den Niederlanden haben nun bewiesen, dass das nicht so sein muss. Nanostrukturen können den Zielkonflikt auflösen.

Ein internationales Forscherteam von Wissenschaftlern des Helmholtz Zentrums Berlin (HZB) und des niederländischen Amolf-Instituts konnte bei ultradünnen Solarzellen auf Basis der Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGSe) einen neuen Rekord erreichen. Die Leistung der Zellen reicht damit beinahe an die Leistung einer normaldicken CIGSe-Solarzelle heran. Neben dem Wirkungsgrad konnte man auch die elektrischen Eigenschaften der Zelle verbessern.

Forschern gelingt Wirkungsgrad-Verbesserung von Solarzellen durch Nanostrukturen
Deutschen und niederländischen Forschern ist es gelungen den Wirkungsgrad ultradünner Solarzellen zu erhöhen. Bislang galten CIGSe-Solarzellen zwar als rohstoff- und energiesparend in der Herstellung, wiesen, im Vergleich zur normalen CIGSe-Dünnschicht-Zellen jedoch auch deutliche Nachteile in Bezug auf den Wirkungsgrad auf. Mit Nanostrukturen auf der Rückseite gelang es den Forschern von HZG und dem niederländischen Amolf-Institut, dies zu verhindern. Sie erzielten bei den ultradünnen CIGSe-Zellen durch die Nanostrukturen einen neuen Rekord bei der soganannten Kurzschlussstromdichte.

Ultradünne Solarzellen: 0,5 statt 2 bis 3 Mikrometer dick
Dünnschicht-CIGSe-Solarzellen können im Labor Wirkungsgrade von bis zu 22,6 Prozent erreichen und besitzen im Vergleich zu den bekannten Silizium-Solarzellen mehrere Vorteile (z.B. geringere Verschattungs-Einbußen). Allerdings erfordert eine Massenproduktion von CIGSe-Zellen große Mengen der seltenen Erde Indium. Daher gibt es neben CIGSe-Dünnschicht-Solarzellen (etwa 2-3 Mikrometer dick) auch die von den Forschern nun optimierten ultradünnen CIGSe-Zellen (weniger als 0,5 Mikrometer dick), die nur eine Bruchteil des Indiums benötigen.

Erfolgsschlüssel sind nanostrukturierte Rückkontakte
Der Helmholtz-Forschungsgruppe Nanooptix ist es gelungen, die Absorptionsverluste der ultradünnen CIGSe-Zellen zu senken. In Zusammenarbeit mit Amolf-Forschern entwickelte sie sogenannte nanostrukturierte Rückkontakte. Die Nanostruktur erhöht die Licht-Absorption der Solarzellen. In Kombination mit einer reflektierenden Schicht erreichte die beste ultradünne CIGSe-Zelle eine Leistung von 34,0 mA/cm2, das sind 50 Prozent mehr als bei Zellen ohne Nanostruktur. Mit diesem Rekordwert für ultradünne CIGSe-Zellen erreichen die Forscher beinahe die Bestleistung von CIGSe-Zelle mit üblicher Dicke.

Neben dem Wirkungsgrad verbessern die Nanostrukturen auch die elektrischen Eigenschaften der Zelle, so die Forscher. Das Projekt habe bewiesen, dass „Nanostrukturen eine interessante Möglichkeit sind, um hohe Wirkungsgrade mit deutlich weniger Materialeinsatz zu erreichen“, sagt Prof. Dr. Martina Schmid von HZG-Forschungsgruppe.

© IWR, 2017