Solarzellenforschung in Freiburg: Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) arbeitet an besseren und billigeren Zellen
Solarstromtechnik ist gefragt, weltweit und ganz besonders in Deutschland. International wächst die Photovoltaik Jahr für Jahr um rund 30%. In Deutschland sorgt das
Photovoltaik-Vorschaltgesetz zum Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) für eine kräftige Nachfrage. Seit zum Jahresanfang ein "Solarstrom-Boom" eingesetzt hat, zeichnen sich erste
Lieferengpässe ab. Damit Solarstromanlagen mittelfristig ohne staatliche Unterstützung wettbewerbsfähig werden, müssen sie billiger und besser werden. Daran arbeiten Unternehmen
und Forschungseinrichtungen, beispielsweise das Freiburger Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Seine Forschungsschwerpunkte sind unter anderem Siliciumzellen auf
extrem dünnen Wafern, Konzentratorsolarzellen, sowie Farbstoffzellen und Organische Solarzellen.
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Eingefärbte Photoelektrode eines Farbstoffsolarzellen-Moduls; ISE-Domizil in Freiburg. Fotos: Fraunhofer ISE.
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Das Fraunhofer ISE beteiligt sich im Juni an der Konferenz "EuroSun2004" und präsentiert anschließend seine Forschungsergebnisse auf der Freiburger Intersolar 2004, Europas
größter Industrieschau für Solartechnik. Für Dr. Volker Wittwer, stellvertretender Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme, steht neben den wissenschaftlichen
Erkenntnissen vor allem deren praktische Umsetzung im Vordergrund der Veranstaltungen. "Nur so tragen wir dazu bei, dass die Solartechnologie in der Gesellschaft die wichtige
Rolle spielt, die sie für unsere gemeinsame Zukunft spielen muss," so Wittwer. Der Solar-Report wirft einen Blick in die Forschungslabors und zeigt aktuelle Entwicklungen.
I. Hocheffiziente Silicium-Solarzellen auf dünnen Wafern
Im Bereich der Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von kristallinem Silicium forscht das ISE verstärkt am Konzept des Waferäquivalents (Ersatz der Siliziumscheiben durch
beschichtete Trägermaterialien). Dabei wird aus siliciumhaltigem Gas eine hochwertige Dünnschicht auf kostengünstige Trägermaterialien (Substrate) abgeschieden. Das Ergebnis sieht
aus wie ein Wafer (dünne Siliziumscheibe) und lässt sich in einer herkömmlichen Fertigungsstraße entsprechend zu Solarzellen verarbeiten. Das siliciumhaltige Gas sei praktisch
unbegrenzt verfügbar; die experimentellen Ergebnisse seien vielversprechend, betont das ISE.
Über 90% der gegenwärtig produzierten Solarzellen sind aus kristallinem Silizium. Ihr Preis- / Leistungsverhältnis, die Langzeitstabilität und die Möglichkeit, die Kosten weiter
zu senken, sprechen dafür, dass dieser Solarzellentyp in den nächsten zehn Jahren marktbeherrschend bleiben wird. Um den Einsatz des teuren Ausgangsmaterials zu verringern, werden
die Siliciumscheiben immer dünner. Durch angepasste Zellstrukturen erreichen die ISE-Forscher dennoch konstant hohe Wirkungsgrade. Das Freiburger Institut ist Vorreiter bei
Hochleistungs-Solarzellen aus ultradünnen flexiblen Wafern.
Forscher des ISE haben eine 37 Mikrometer (µm) dünne, kristalline Silicium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 20.2% hergestellt, die auf einer Pilotlinie komplett prozessiert
wird. Im Vergleich zu den neuen Solarzellen sind heutige Industriezellen mit 300 µm (= 0,3 mm) noch vergleichsweise dick und mit etwa 16% Wirkungsgrad deutlich weniger
leistungsfähig. Mit ihrer Entwicklung zeigen die ISE-Forscher, dass Materialeinsparung und höhere Wirkungsgrade gleichzeitig möglich sind.
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Hocheffiziente Solarzellen auf einem ultradünnen und flexiblen Wafer (40 µm). Die Zellen wurden mit der LFC Technik (Laser-Fired Contacts) gefertigt, die bei kostengünstiger
Herstellung sehr hohe Wirkungsgrade auch auf dünnen Wafern zulässt (in diesem Beispiel 20%). Die Abbildung rechts zeigt die zugrundeliegende Zellstruktur. Charakteristisch ist dabei
die lokale Kontaktierung auf der Rückseite. Nur 1% der Fläche sind dabei mit Metall kontaktiert, während der Rest mit einer Schicht aus Siliciumdioxid bzw. Siliciumnitrid bedeckt
ist. Mit der LFCTechnik wird diese sonst aufwändige Kontaktierung elegant gelöst. Wir dampfen die Aluminiumschicht direkt auf die Passivierungsschicht und feuern dann mit einem
Laser durch die Passivierungsschicht in das darunter liegende Silicium. Bilder: ISE.
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Normalerweise bringen einfache Zellstrukturen mit abnehmender Zelldicke einen starken Einbruch im Wirkungsgrad mit sich. In der Laborentwicklung gibt es aber schon seit einiger
Zeit Zellstrukturen, die sowohl auf dicken wie auf dünnen Wafern hohe Wirkungsgrade zeigen. Sie zeichnen sich durch eine perfekte Reduzierung der schädlichen
Ladungsträgerrekombination an den Zelloberflächen aus, die mit dielektrischen Schichten wie Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid erreicht wird.
Die Herstellung dieser Zellstrukturen war bisher jedoch sehr aufwändig und teuer, sie wurde deshalb nicht in der industriellen Fertigung praktiziert. Die neu entwickelte LFC-Zelle
(Laser Fired Contacts) verbindet ein hohes Wirkungsgradpotenzial mit niedrigen Herstellungskosten. Bei der Herstellung wird zuerst die dielektrische Passivierungsschicht auf die
Rückseite der Zelle aufgebracht. In den herkömmlichen Laborprozessen mussten nun aufwändig kleine Löcher in dieser isolierenden Schicht geöffnet werden, um danach die
Rückseitenelektrode aus Aluminium aufzudampfen. Bei der LFC-Prozessierung wird die Aluminiumschicht direkt auf die Passivierungsschicht aufgedampft und dann mit einem Laser durch
die Passivierungsschicht in das darunter liegende Silicium gefeuert, um so die lokalen Kontakte zu bilden. Der patentierte Prozess ist extrem schnell (1 sec/Zelle) und
kostengünstig. Trotzdem haben die ISE-Forscher auf normal dotiertem Silicium die gleichen Wirkungsgrade erreicht wie mit der klassischen Laborprozessierung. Auch auf ultradünnen
und flexiblen Wafern konnten sehr hohe Wirkungsgrade von über 20% erreicht werden.
II. Konzentratorsolarzellen für zweistufige optische Konzentratorsysteme
Als zweites Materialsegment neben der Silizium-Solarzelle bearbeitet das ISE so genannte III-V Halbleiter wie Galliumarsenid (GaAs). Die möglichen Anwendungen finden sich in einem
Spezialmarkt, der mit den Stichworten Weltraum, optische Konzentration und Sonderanwendungen umschrieben werden kann. Für die Anwendung im Weltraum entwickeln die Forscher
strahlungsresistente Tandem- und Tripelzellen. Für den Einsatz auf der Erde arbeiten sie an Konzentratorzellen für höchste optische Konzentrationsfaktoren.
Photovoltaische Konzentratorsysteme bieten die Möglichkeit, die Fläche der eigentlichen Solarzelle stark zu verringern und durch eine vorgeschaltete, konzentrierende Optik wie
Linsen oder Parabolspiegel "zu ersetzen ". Eine elegante Variante sind zweistufige Systeme, die trotz einachsiger Nachführung relativ hohe Konzentrationen von über 300 erreichen.
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Das Fraunhofer ISE entwickelt derzeit ein solches System inklusive der zugehörigen hocheffizienten Silicium-Konzentratorzellen. In dem ISE-System erreicht ein rinnenförmiger
Parabolspiegel eine Konzentration von ungefähr 40. Das konzentrierte Licht trifft auf eine zweite Konzentratorstufe, einen parabolisch zulaufenden massiven Kunststoffkörper, auch
CPC (Compound Parabolic Concentrator) genannt, der die Konzentration durch interne Totalreflexion abermals um einen Faktor 7,7 erhöht. So können Konzentrationen von über 300
erreicht werden.
Zweistufiges photovoltaisches Konzentratorsystem. Trotz einachsiger Nachführung wird eine geometrische Konzentration von über 300 erreicht. Grafik: ISE
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Dieser Bereich ist sehr gut für Siliciumsolarzellen geeignet. Die Zellen müssen jedoch auf diese hohe Konzentration optimiert sein, was eine Erhöhung der Herstellungskosten im
Vergleich zu Standardzellen zur Folge hat. Die Mehrkosten werden jedoch deutlich ausgeglichen, da nur noch eine extrem geringe Zellfläche benötigt wird. Da die Solarzellen direkt an
die Rückseite des CPCs montiert werden sollen, bietet es sich an, sowohl den n- als auch den p-Kontakt auf die Rückseite der Zelle zu legen. Dies hat zudem den Vorteil, dass keine
Abschattung durch die Kontakte erzeugt wird.
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Die zweite Konzentratorstufe (CPC) wird direkt auf die speziell hierfür entwickelten Silicium- Konzentratorzellen aufgeklebt. Die nur 4,5 x 4,5 mm2 großen Zellen weisen einen
Wirkungsgrad von 24% bei hundert Sonnen auf. Bild: ISE.
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Dieses Ziel verfolgen die ISE-Forscher mit der so genannten Rückseitenlinienkontaktzelle, kurz RLCCt. Diese nur 4,5 x 4,5 mm2 großen Zellen weisen derzeit bei "hundert Sonnen"
(hundertfache Solareinstrahlung) einen Wirkungsgrad von 24 % auf. Die Zellen werden mittels einer speziell angepassten Technik elektrisch kontaktiert. Da die durch hohe
Konzentration erzeugte Erwärmung gut an einen rückseitigen Kühlkörper abgeführt wird, weisen die Zellen selbst bei einer einfachen passiven Luftkühlung ausgezeichnete Eigenschaften
im Konzentratorsystem auf.
III: Farbstoffzellen und Organische Solarzellen
Farbstoff- und Organische Solarzellen basieren auf neuen Technologien mit dem Potenzial einer besonders kostengünstigen Herstellung. Sie sind seit Anfang 2001ein dritter,
wichtiger Arbeitsbereich des Fraunhofer ISE. Im Vordergrund stehen Arbeiten zur Fertigungstechnologie und industriellen Produzierbarkeit von Farbstoffsolarzellen sowie die
Effizienzsteigerung organischer Solarzellen mittels nanostrukturierter Elektroden.
Besonders die Technologie der Farbstoffsolarzellen hat sich in den letzten Jahren deutlich über den Labormaßstab hinaus entwickelt. Neben der Langzeitstabilität muss aber auch
noch gezeigt werden, dass diese Technologie auf Modulflächen größer als 0,5 Quadratmeter übertragen werden kann. Die organische Solarzellen befinden sich derzeit im Stadium der
anwendungsorientierten Grundlagenforschung.
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Photo eines 30 cm x 30 cm großen Moduls aus Farbstoffsolarzellen in Durchsicht gegen die Sonne. Das Modul ist mit einem am Fraunhofer ISE entwickelten thermischen Verfahren
versiegelt, bei dem im Siebdruck Glaslote aufgebracht werden. Foto: Fraunhofer ISE
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In der nanokristallinen Farbstoffsolarzelle wird Sonnenlicht mit Hilfe eines Farbstoffes in Energie umgewandelt, ähnlich der Photosynthese bei Pflanzen. Fortschritte der
Nanotechnologie ermöglichten eine vielfach vergrößerte Lichtabsorption und führten so zu einer Effizienzsteigerung der Farbstoffsolarzellen auf etwa 8%. Die Freiburger Forscher
halten in der Zukunft Wirkungsgrade bis 12% für möglich. "Ein wesentlicher Vorteil der Farbstoffsolarzelle sind die im Prinzip preisgünstigen Ausgangsmaterialien sowie einfachste
Herstellungsschritte", so Dr. Andreas Hinsch, Leiter der Arbeitsgruppe Farbstoff- und Organische Solarzellen am Fraunhofer ISE. "Wenn es gelingt, die Farbstoffsolarzelle bis zur
Serienreife zu entwickeln, wäre eine zusätzliche kostengünstige Möglichkeit der solaren Stromerzeugung gefunden."
Das Fraunhofer ISE besitzt im Bereich der Farbstoffsolarzellen vertieftes Wissen über Schlüsseltechnologien wie eine Versiegelungsmethode mittels Glasloten und die Synthese von
nanokristallinen Oxiden. Sämtliche zur Herstellung von Testzellen (Masterplates) und kompletten Modulen (30 cm x 30 cm) erforderlichen Siebdruckpasten werden am Institut
entwickelt. Bei Testzellen hat das ISE reproduzierbar einen solaren Wirkungsgrad von 7% für Farbstoffsolarzellen erreicht. Ein erfolgreicher Schritt in der Modulfertigung ist mit
der hermetischen Versiegelung der Zellen mit Hilfe eines thermischen Verfahrens gelungen.
Flexible organische Solarzellen
Die mechanische Flexibilität von Organischen Solarzellen eröffnet neue Einsatzgebiete. Sie eignen sich aufgrund ihrer Umweltverträglichkeit und der prinzipiell niedrigen
Herstellungskosten insbesondere auch als Spannungsquelle für kurzlebige Produkte. In Kombination mit gedruckter organischer Elektronik eröffnen sich interessante
Integrationsmöglichkeiten in Verpackungsmaterialien und Textilien. Das Fraunhofer ISE erarbeitet neue Zellkonzepte, welche die Verwendung kostengünstiger Trägermaterialien
ermöglichen.
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Am Fraunhofer ISE auf transparentem Substrat (Mikrogrid) hergestellte flexible Organische Solarzelle; Rechts: Querschnitt durch eine Organische Solarzelle, aufgebaut auf einer
nanostrukturierten Substratfolie (REM-Aufnahme). Die Seitenflanken der senkrechten Strukturen sind selektiv mit einem Metall bedampft und stellen den Frontkontakt dar. Die
Zwischenräume sind mit organischem photovoltaisch aktivem Material gefüllt. Abschließend ist oben eine flächige Rückelektrode aufgedampft. Fotos: Fraunhofer ISE.
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Gegenwärtig beträgt der Wirkungsgrad von Organischen Solarzellen 3%. Mit der Entwicklung und Optimierung von Zellstrukturen haben sich die Forscher am Fraunhofer ISE eine
Effizienzsteigerung zum Ziel gesetzt. "Wir versuchen, den Lichteinfang durch Aufprägen von Nanostrukturen zu erhöhen. Dabei können wir auf die langjährige Erfahrung des Instituts
bei der großflächigen Nanostrukturierung von polymeren Materialien zurückgreifen", sagt Andreas Hinsch. Mit Hilfe holographischer Belichtungsverfahren stellen die Wissenschaftler
am Fraunhofer ISE großflächige periodische Oberflächenstrukturen her, welche dann in einem kostengünstigen Prägeverfahren in die Polymerschicht der Solarzellen übertragen werden
und zu einer verbesserten Absorption von Sonnenlicht führen.
Bei Organischen Solarzellen liegen die Kompetenzen des Instituts vor allem in der Herstellung von Testzellen unter Schutzgasatmosphäre sowie in der Fertigung von mikro- und
nanostrukturierten Substraten. Die Strukturierung dient einer verbesserten Lichteinkopplung und einem optimalen Ladungstransport in der dünnen organischen Absorberschicht. Im
Rahmen der Substratentwicklung hat das ISE erste Versuche mit am Institut großflächig gesputterten, transparenten Silberschichtsystemen auf Glas- und Foliensubstraten
durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen die Möglichkeit, einen kostengünstigen Ersatz für die gegenwärtig verwendeten teuren, mit Indium-Zinnoxid beschichteten Substrate zu finden.
Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Kommerzialisierung von Organischen Solarzellen.
Material und Bilder. Fraunhofer ISE, Redaktion Solarserver: Rolf Hug
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