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Empa-Forschungsergebnisse in «Nature Materials» publiziert
Die effizientesten, flexiblen Solarzellen der Welt
Die an der Empa entwickelte Technik, mit der flexible Solarzellen mit einer Rekord-Energieeffizienz von 18,7% hergestellt werden können, wurde im renommierten «Nature Materials» veröffentlicht.

Die Schicht, die Sonnenlicht absorbiert und in Elektrizität umwandelt, besteht aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (kurz CIGS). Dem Team gelang es, während der verschiedenen Phasen des Aufdampfprozesses der Halbleiterschicht die Flussrate der Elemente zu kontrollieren, um eine genau definierte, elektronische Bandlücke zu erzeugen.
Legende: An der Empa entwickelte flexible CIGS-Polymersolarzellen, die den neuen Effizienzrekordwert erreicht haben.

Flexible und leichte Hochleistungs-Solarzellen etwa auf Kunststofffolien bergen ein bedeutendes wirtschaftliches Potential: Die Produktionskosten für Solarzellen liessen sich durch das «Rolle-zu-Rolle»-Produktionsverfahren deutlich senken. Wegen des hohen Wirkungsgrades würden zudem auch die Kosten für das Gesamtsystem fallen. Dies wäre ein weiterer Schritt auf dem Weg zu kostengünstig produziertem Solarstrom. Bis jetzt haben jedoch flexible, auf Kunststofffilmen aufgebrachte Solarzellen nicht die gewünschte Effizienz gezeigt; sie lagen weit hinter den Werten zurück, die mit Solarzellen auf Glassubstraten erreicht wurden. Der Grund: Beim Aufdampfen des Halbleitermaterials, das Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt, halten Polymerfilme nur weit geringere Prozesstemperaturen aus als Glasplatten. Dies führte zu geringerer Effizienz der produzierten Zelle.

Rekorde in Teamarbeit

Verbesserung in der Effizienz der Energieumwandlung von flexiblen CIGS-Polymersolarzellen.

| Neue Herstellungsmethode |
«Um solch hohe Effizienzraten zu erreichen, mussten wir die Rekombinationsverluste der durch Lichteinfall generierten Ladungsträger minimieren», sagt Tiwari. Die CIGS-Schichten, die durch gleichzeitiges Aufdampfen der Elemente bei rund 450°C entstehen, haben einen starken Gradienten in der Zusammensetzung: Die Diffusion der Elemente zur Bildung der gewünschten CIGS-Phase ist ungenügend; vor allem diffundiert Gallium (Ga) vorzugsweise zum elektrischen Rückseitenkontakt. Um dieses Problem zu umgehen, entwickelten die Doktoranden Adrian Chirilã und Patrick Bloesch einen neuen Aufdampf-Prozess, bei dem der Auftrag von Gallium und Indium in den verschiedenen Phasen der Fabrikation genau kontrolliert werden konnte. Das Ergebnis war eine optimierte Zusammensetzung der einzelnen Komponenten innerhalb der CIGS-Schicht. So werden die Ladungsträger effizienter eingefangen; die Rekombinationsverluste sind kleiner. CIGS-Solarzellen mit solch hoher Effizienz waren bisher nur auf Glassubstraten möglich, weil nur dort Produktionstemperaturen von mehr als 600°C erreichbar waren Kunststofffolien halten solche Temperaturen nicht aus.
| Auch billige Metallfolien als Träger geeignet |
Tiwaris Forschungsgruppe gelang es nicht nur, einen Effizienzrekord von 18,7% auf Polymer-Folien zu setzen, sie erreichten auch auf einer Stahlfolie eine Effizienz von 17,7% und das ohne eine Nitrid- oder Oxid-Sperrschicht zu benutzen, die gewöhnlich für Hochtemperaturprozesse auf Metallfolien nötig ist. Die Rekordwerte wurden vom unabhängigen Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg i. Br. (Deutschland) zertifiziert. «Wir haben damit gezeigt, dass der von uns entwickelte Tieftemperatur-Herstellungsprozess auch auf preiswerten Metallfolien anwendbar ist, etwa auf Aluminium- oder einfachen Schmiedestahlfolien. Mit unserer Technologie wird es also möglich sein, die Kosten für hocheffiziente Solarzellen gewaltig nach unten zu drücken», sagt Tiwari.
|«Erst das detaillierte Verständnis der Materialeigenschaften von Schichten und Grenzflächen in der Solarzelle hat diesen wissenschaftlichen Erfolg möglich werden lassen», sagt Empa-Direktor Gian-Luca Bona. «Damit die Serienfertigung kostengünstiger Solarmodule möglichst bald Realität wird, müssen wir diese Innovationen nun an Industriepartner transferieren.» Die Projekte wurden vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF), von der Kommission für Technologie und Innovation (KTI), vom Bundesamt für Energie (BFE), von EU-Rahmenförderprogrammen sowie den Schweizer Firmen W. Blösch AG und FLISOM gefördert.|