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Um Solarstrom zu weitherum erschwinglichen Preisen zur Verfügung stellen zu können, arbeiten Ingenieure und Wissenschaftler weltweit an der Entwicklung kostengünstiger Herstellungsverfahren. Flexible Dünnschichtsolarzellen haben ein enormes Potenzial, da sie deutlich weniger Material benötigen und durch Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren in grossen Mengen produziert werden können. Eine dieser Technologien beruht auf Cadmiumtellurid (CdTe), das Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt. Mit dem aktuell zweitgrössten Marktanteil (hinter Silizium-basierten Solarmodulen) sind CdTe-Solarzellen in der Herstellung bereits heute am günstigsten.
Die starren CdTe-Zellen auf Glas, auch «Superstrat»-Solarzellen genannt, haben jedoch einen Nachteil: Sie benötigen ein transparentes Trägermaterial, das Sonnenlicht zur Licht absorbierenden CdTe-Schicht durchlässt – und schränken somit die Auswahl der Trägermaterialien massiv ein. Liesse sich der mehrschichtige Aufbau der CdTe-Solarzellen umkehren, könnte man auch flexible Folien, etwa aus Metall, als Trägermaterial nutzen – und dadurch die Herstellungskosten noch weiter senken. Doch bis jetzt weisen solche CdTe-Solarzellen auf Metallfolie äusserst bescheidene Wirkungsgrade, weit unter acht Prozent, auf. Eine vergleichbare starre Superstrat-CdTe-Solarzelle auf Glas erreichte vor kurzem eine Rekordeffizienz von 19,6 Prozent, handelsübliche CdTe-Module immerhin zwischen elf und zwölf Prozent.
Wissenschaftler der Empa erzielten nun einen Durchbruch auf dem Weg zur Industrialisierung von Cadmiumtellurid-Solarzellen (CdTe) auf Metallfolie: Dem Team gelang es, den Wirkungsgrad von unter acht auf 11,5 Prozent zu steigern, indem sie die Zellen mit Kupfer dotierten, wie sie in der aktuellen Ausgabe von „Nature Communications“ berichten. Dies würde sowohl die Dichte der «Löcher» (positive Ladungsträger) als auch deren Lebensdauer erhöhen und somit zu einer Zunahme der photovoltaischen Leistung, der Menge des in elektrische Energie umgewandelten Lichts, führen.
„Es wurde bisher immer wieder vergeblich versucht, CdTe-Solarzellen in der Substrat-Konfigurationen zu dotieren“, erklärt Ayodhya Nath Tiwari, Leiter des Labors für Dünnfilme und Photovoltaik an der Empa. Sein Team beschloss trotzdem, es nochmals zu versuchen. Die Wissenschaftler erkannten bald, dass sie die Kupfermenge genauestens kontrollieren mussten: Verwendeten sie zu wenig Kupfer, liess sich die Effizienz nicht steigern; wenn sie die Zellen „überdotierten“, ebenso. Die elektronischen Eigenschaften verbesserten sich jedoch massiv, als es gelang genau eine monoatomare Schicht auf dem CdTe aufzutragen.
Die Wirkungsgrade stiegen dramatisch von knapp unter einem Prozent auf über 12 Prozent an. „Unsere Ergebnissen deuten darauf hin, dass sich mit der Substrat-Technologie der Wirkungsgrad in Zukunft noch deutlich weiter steigern lässt“, so Co-Autor Stephan Bücheler, Gruppenleiter in Tiwaris Labor. Ein erstes Ziel wären 15 Prozent. „Ich bin allerdings davon überzeugt, dass das Material das Potenzial für Wirkungsgrade von über 20 Prozent hat.“
Bild: Fernando Tomás [CC-BY-2.0], via Wikimedia Commons