Photovoltaik-Forschung: Fraunhofer-Institut führt Simulationen für bessere transparente Oxidschichten auf Solarzellen durch

Transparente, leitfähige Oxidschichten (transparent conducting oxides, TCO) sind wichtige Bestandteile von Solarzellen, denn sie dürfen das Sonnenlicht nicht abschirmen, sondern müssen es ungehindert in die Zellen lassen.

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM (Freiburg) unterstützt Photovoltaik-Hersteller bei der Weiterentwicklung dieser TCO-Schichten, indem sie verschiedene Atomstrukturen am Computer simulieren.

Atomstruktur wird realitätsnah simuliert

„Wir haben eine effektive und anwendungsorientierte Methode entwickelt, um die Eigenschaften von TCO-Schichten zu simulieren“, sagt Dr. Wolfgang Körner vom IWM. Dabei simulieren die Wissenschaftler die Atomstruktur der Schichten besonders realitätsnah und unter Berücksichtigung aller möglichen atomaren Fehler – egal, ob es sich dabei um ungeordnete amorphe oder geordnete kristalline Strukturen handelt. Anhand dieser Simulationen untersuchen sie, wie gut sich die Elektronen in der Schicht bewegen können, also wie gut das Oxid elektrischen Strom leitet.
„Wir können gezielt nachverfolgen, wie sich die elektronische Zustandsdichte verändert, wenn wir die atomare Struktur der Schicht ändern“, erläutert Körner. Die Forscher können ebenfalls sehen, ob das Licht absorbiert wird, oder ob es die Schicht ungehindert passiert und sie durchsichtig erscheinen lässt.

Computersimulation ersetzt Materialversuche
„Wir verlagern die Trial-and-Error-Materialversuche in den Computer und können so viel schneller und kostengünstiger die Eigenschaften abschätzen, die die jeweilige Stoffzusammensetzung des betrachteten TCOs hat“, so Körner. In seinen Projekten wachse das Verständnis dafür, wie die jeweiligen Eigenschaften der Oxidschichten entstehen. Das helfe seinen Industriepartnern, ihre Produktionen zu verbessern oder gewünschte Oxidschicht-Eigenschaften zu erhalten.

Die wesentlichen Defekte, die in solchen Schichten auftreten, wurden bereits gefunden: Die Strukturen sollten zwar nur aus bestimmten Atomen bestehen, jedoch mogelten sich immer wieder auch andere Atome mit hinein und veränderten die Leitfähigkeit und Transparenz der Schicht, so die Forscher. Sie fanden unter anderem heraus, dass es bei bestimmten Oxiden hilft, sie einmal zu geeignet hohen Temperaturen aufzuheizen oder in sauerstoffreicher Umgebung zu erwärmen.

Materialien können am Computer entwickelt werden
In einem zweiten Ansatz drehen die Wissenschaftler den Spieß um: Sie fügen verschiedene Atome gezielt in die Struktur ein und simulieren, welche Auswirkungen das auf deren Eigenschaften hat. Hierbei ist das Ziel, die Leitfähigkeit und die Transparenz mit den passenden Verunreinigungen noch weiter zu erhöhen und im Computer ein Material designen zu können.


05.09.2014 | Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH

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