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Zweiseitige Dünnschichtsolarzellen vor dem Durchbruch?
Bifaziale Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-(CIGS)-Solarzelle im Schnitt. Solche Zellen bestehen aus extrem dünnen Schichten, insgesamt nur 3 µm für die aktiven Materialien. Die polykristalline CIGS-Schicht wird auf einen transparenten elektrischen Kontakt aufgebracht und absorbiert das Licht von der Vorder- wie von der Rückseite, nutzt also sowohl die direkte Sonneneinstrahlung als auch Albedo.
Bild Empa
Mögliche Anwendungen bifazialer Solarzellen sind zum Beispiel gebäudeintegrierte Fotovoltaik, Agrivoltaik – die gleichzeitige Nutzung von Flächen für die Solarstromerzeugung und die Landwirtschaft – und vertikal installierte Solarmodule auf hochgelegenen Flächen, etwa im Gebirge. Die ‹International Technology Roadmap of Photovoltaics› bescheinigt der Technologie sehr grosse Wachstumschancen: Bifaziale Solarzellen könnten bis 2030 einen Marktanteil von 70% des gesamten Fotovoltaikmarktes erobern.
Hocheffiziente CIGS-Solarzellen werden in der Regel bei Temperaturen über 550 Grad hergestellt. Dabei kommt es jedoch zu einer chemischen Reaktion zwischen dem Gallium in der CIGS-Schicht und dem Sauerstoff des transparenten Rückkontakts. Die entstehende Galliumoxid-Grenzschicht hemmt den Fluss des Solarstroms und verringert so die Energieumwandlungseffizienz der Zelle. Die höchsten bisher in einer einzelnen Zelle erreichten Werte liegen deshalb bei 9,0% für die Vorderseite und 7,1 % für die Rückseite.
Quantensprung bei der Effizienz
Einem Team der Empa ist es nun gelungen, einen Niedertemperaturprozess zu entwickeln, bei dem deutlich weniger Galliumoxid entstehen sollte – im Idealfall gar keines. Die Forscher fügten der CIGS-Legierung eine winzige Menge Silber hinzu, um ihren Schmelzpunkt zu senken und Lichtabsorberschichten mit guten elektronischen Eigenschaften bei nur 353 Grad Abscheidungstemperatur zu erhalten. Tatsächlich entstand bei diesem Verfahren keinerlei Galliumoxid an der Grenzfläche.
Dies schlug sich auch in einer drastisch verbesserten Energieumwandlungseffizienz nieder: Die Zelle zeigte einen Wert von 19,8% für die Vorderseite und 10,9 % für die Rückseite, wie das für eine unabhängige Prüfung beigezogene Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg bestätigt. Darüber hinaus gelang es dem Team erstmals, eine bifaziale CIGS-Solarzelle auf einem flexiblen Polymersubstrat herzustellen, die aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer Flexibilität das Spektrum möglicher Anwendungen erheblich erweitert.
Link www.empa.ch