Photovoltaik-Produktion: Röntgenuntersuchung könnte den Weg für innovative Solarzellen-Fertigung ebnen

Das von dänischen Forschern entwickelte Verfahren ermögliche die verlässliche Produktion effizienter Kunststoff-Solarzellen von vielen Metern Länge, berichtet die Gruppe um Forschungsleiter Jens W. Andreasen von der Dänischen Technischen Universität (DTU, Roskilde) im Fachjournal „Advanced Energy Materials“.

Gestapelte Kunststoff-Solarzellen von der Rolle
Die Forscher benutzten ein Herstellungsverfahren, bei dem die Schichten einer Polymer-Solarzelle aus mehreren Lösungen auf einen flexiblen Trägerfilm aufgetragen werden. Mit diesem Roll-to-roll-Prozess lassen sich Kunststoff-Solarzellen schnell, günstig und nahezu in jeder gewünschten Länge produzieren.
Allerdings ist die Energieausbeute dieser Solarzellen nicht sehr hoch. Um den Wirkungsgrad zu steigern, haben Forscher ein Verfahren entwickelt, um eine zweite Polymer-Solarzelle auf die erste zu schichten, die für einen anderen Bereich des Sonnenspektrums empfindlich ist. Diese Tandem-Solarzelle wandelt einen größeren Anteil des Sonnenlichts in elektrischen Strom um.
Die Multi-Beschichtung birgt allerdings neue Herausforderungen: „Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass fertige Schichten durch das Lösungsmittel der folgenden Schicht wieder angelöst werden können, was zum kompletten Ausfall der Solarzelle führt“, so Andreasen. Um dies zu verhindern, haben die Wissenschaftler eine Schutzschicht zwischen den beiden Solarzellen eingeführt. Sie enthält unter anderem eine nur 40 Nanometer dünne Schicht Zinkoxid.

Röntgen-Ptychographie zeigt mehr Details als herkömmliche Röntgen-Abbildungen
Um die Form und Unversehrtheit der Schutzschicht und der übrigen Schichten der Tandem-Solarzelle zu überprüfen, nutzten die Forscher den außergewöhnlich scharfen Röntgenblick von PETRA III. „Die Solarzellenstruktur ist sehr filigran und besteht aus zwölf einzelnen Schichten. Die gesamte Struktur abzubilden, ist eine Herausforderung“, berichtet Ko-Autorin Juliane Reinhardt.
Dennoch konnten die Forscher mit dem hellen Röntgenlicht in die Probe hineinschauen und dabei die Details der Schichtstruktur auflösen. Die „Röntgen-Ptychographie“ ermögliche eine höhere räumliche Auflösung, als es mit der konventionellen Röntgen-Abbildung physikalisch möglich wäre, betonen die Wissenschaftler. Und anders als etwa ein hochauflösendes Elektronenmikroskop könne die Röntgen-Ptychographie dabei auch tief in die Probe hineinspähen.
„Mit Hilfe der 3D-Ptychographie konnten wir die komplette roll-to-roll- beschichtete Tandem-Solarzelle abbilden und unter anderem die Unversehrtheit der 40 Nanometer dünnen Zinkoxidschicht in der Schutzschicht zeigen, die erfolgreich die tieferen Lagen vor einer Beschädigung durch Lösungsmittel bewahrt hat“, erläutert DESY-Forscher Gerald Falkenberg. „Dies sind die 3D-Ptychographie-Messungen mit der höchsten räumlichen Auflösung, die uns bisher gelungen sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die untere Solarzelle durch eine Zwischenschicht mit der richtigen Zusammensetzung vor der erneuten Lösung geschützt werden kann.“

Industrielle Anwendung der Technik möglich
Dieses Ergebnis könnte den Weg zu einer möglichen industriellen Anwendung der Technik ebnen. „Ein komplexer Multilagen-Aufbau wie eine Polymer-Tandemsolarzelle kann auf verschiedene Weisen versagen“, erläutert Andreasen. „Mit Hilfe der 3D-Ptychographie konnten wir zeigen, dass der Aufbau der Substrat-Elektrode die gute Leitfähigkeit der grob strukturierten Silberelektrode mit den guten filmbildenden Eigenschaften eines leitenden Polymers vereint, das in die Silberelektrode eindringt und eine glatte Oberfläche für die folgenden Schichten bildet.“ Das erlaube das Auftragen sehr dünner Schichten mit sehr hoher Geschwindigkeit.
Der Blick auf die gesamte Struktur könne darüber hinaus Informationen für eine mögliche Optimierung der Solarzelle oder des Produktionsverfahrens liefern. „Im Prinzip stellen wir die Elemente her, ohne die innere Struktur zu kennen. Aber mit Kenntnis der inneren Struktur wissen wir, welche Parameter wir modifizieren können und welche Faktoren wichtig sind für die Architektur des Elements, zum Beispiel die genaue Art der Substrat-Elektrode und die Zusammensetzung der Zwischenschicht“, betont Andreasen.
 
10.09.2014 | Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH