Solarzellen: Neue Verfahren für besseres Kosten-Leistungs-Verhältnis

Am Berliner Institut für Kristallzüchtung (IKZ) laufen mehrere Projekte mit dem Ziel, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen oder die Zellen günstiger herzustellen. Einer der verantwortlichen Wissenschaftler dafür ist Dr. Helge Riemann, Experte für Silizium. „Silizium-Solarzellen als Massenprodukt haben einen typischen Wirkungsgrad von 14 bis 16 Prozent“, sagt Riemann.  Die meisten Solarzellen aus Silizium sind polykristallin, sie bestehen aus vielen Kristallen. Es wurden aber auch schon Wirkungsgrade von 23 bis 24 Prozent erreicht. „In Japan sogar für Solarzellen aus der Serienfertigung“, betont Riemann. Diese Steigerung um fünfzig Prozent erfordere jedoch eine fast perfekte Kristallstruktur. Solche „Einkristalle“ seien hoch rein und böten mehr Ausbeute. Sie seien allerdings auch deutlich teurer als herkömmliches Solar-Silizium.

Weniger Abfall bei der Waferproduktion

„Wir wollen kostengünstigere Solarzellen ermöglichen“, beschreibt Riemann die Ziele des IKZ. Zum einen arbeiten die Wissenschaftler daran, blockförmiges Silizium herzustellen. Bislang sind die meisten gezüchteten Kristalle rund – ob poly- oder einkristallin. Man spricht von „Stäben“. Der Durchmesser hoch reiner Kristalle beträgt maximal 200 Millimeter; „das ist aber schon Weltrekord“, sagt Riemann. Aus diesen Stäben können runde Scheiben gesägt werden, die so genannten Wafer. Die Wafer müssen große Solar-Module ausfüllen und dafür in eine eckige Form geschnitten werden. Das gibt viel Abfall. Besser wäre es, gleich viereckige Wafer aus Silizium zu erzeugen. Doch geschmolzenes Silizium in eine rechteckige Form zu gießen, ist nicht leicht, da Silizium extrem reaktionsfreudig ist und sich mit nahezu allen bekannten Materialien verbindet. Riemann formuliert es salopp: „Das Zeug klebt an allem fest.“ Will man den gegossenen Block lösen, zerbricht entweder die Form oder der Block. „Meistens beides“, so der Forscher.

Daher wählen die IKZ-Spezialisten einen anderen Weg: Sie versuchen, ohne Gussform Blöcke herzustellen. Eine bekannte, berührungsfreie Methode ist das so genannte Floating-Zone-Verfahren (kurz: FZ-Verfahren) es ist Standard für runde Kristalle. „Wir versuchen herauszufinden, wie man den Querschnitt eines Silizium-Stabes im FZ-Prozess so verformen kann, dass für quadratische Wafer weniger Abfall und Ausschuss anfällt. Das Material besser auszunutzen ist selbst dann noch interessant, wenn es nur polykristallin wächst und der Wirkungsgrad der Zelle sinkt“, erklärt Riemann.

Billigere Kristalle

Ein zweiter Ansatz ist, FZ-Einkristalle billiger als bisher herzustellen. In Zusammenarbeit mit einem dänischen Unternehme arbeitet das IKZ daran, aus minderwertigem Rohmaterial vergleichsweise reine Kristalle zu ziehen. Zugleich untersuchen Riemann und seine Kollegen, ob man den Herstellungsprozess dabei beschleunigen kann. Eine höhere Geschwindigkeit bei der Kristallerzeugung führe zwar meist zu mehr Strukturdefekten, doch gewisse Abstriche seien hinnehmbar. Ziel des Kooperationsprojekts sei, die photovoltaische Qualität zu steigern und das Wachstum zu beschleunigen. „Bisher wurden lediglich Teststrukturen erzeugt, aber in einer groben Abschätzung kann man von Wirkungsgraden über 20 Prozent ausgehen“, fasst der Wissenschaftler zusammen.

06.09.2004   Quelle: idw; Forschungsverbund Berlin e.V.