Photovoltaik-Grundlagenforschung: Rückwärtsstrom wirft neues Licht auf Solarzellen

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Der elektrische Durchbruch von Solarzellen ist nicht auf die Oberflächenpräparation zurückzuführen. Das zeigten jetzt Physiker der Universität Leipzig und des Photovoltaik-Herstellers Q-Cells SE aus Bitterfeld-Wolfen. Mit einer neuartigen Methode sei die Abbildung der Phänomene mit bisher unerreichter Ortsauflösung gelungen, berichtet die Universität Leipzig in einer Pressemitteilung. Die Ergebnisse sind in „physica status solidi“ in einem so genannten Rapid Research Letter veröffentlicht. Was Licht absorbiert, kann auch leuchten. Dieses Prinzip nutzt die Photovoltaik, indem Solarzellen Sonnenlicht absorbieren und in elektrische Energie umwandeln. An den Solarzellen entsteht eine Photospannung, so dass der fließende Solarstrom Arbeit leisten kann. Diese Betriebsart heißt „Vorwärtsrichtung“. Wird nun von außen in Vorwärtsrichtung eine Spannung an die Solarzelle angelegt, leuchtet die Solarzelle (im unsichtbaren infraroten Spektralbereich) entsprechend dem Prinzip einer Leuchtdiode. Defekte im Material werden als dunkle Bereiche direkt sichtbar, da die Lichtausbeute dort geringer ist als in den defektfreien Gebieten.
In diesen Bereichen kann die Solarzelle unter Beleuchtung auch keinen Photostrom und damit keine elektrische Leistung erzeugen.

Scharfes Bild von Defekten an Korngrenzen im multi-kristallinen Silizium
Mit der Rückwärtsrichtung in der Solarzelle setzte sich Dominik Lausch von der Abteilung Halbleiterphysik des Instituts für Experimentelle Physik II auseinander. Er beschäftigte sich in seiner Diplomarbeit mit Solarzellen, an die er eine Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen anlegte, also in der so genannten Rückwärtsrichtung. Auch hier zeigte die Solarzelle charakteristische Leuchterscheinungen, nun aber ausschließlich an den Defekten, insbesondere an den im untersuchten multi-kristallinen Silizium enthaltenen Korngrenzen. Es entsteht ein sehr scharfes Bild der Lumineszenz, eine optische Strahlung durch den Übergang von Elektronen zu einem niederenergetischem Ausgangszustand. „Das ermöglicht die Lokalisierung und Identifizierung von Defekten mit vorher nicht bekannter und erreichter räumlicher Auflösung“, sagt Prof. Marius Grundmann, Direktor des Institutes und Leiter der Abteilung Halbleiterphysik, der zugleich gemeinsam mit Dr. Kai Petter von Q-Cells SE Betreuer der Arbeit ist.
Die von den Forschern etablierte Methode heißt ReBEL und steht für „Reverse Bias Electroluminescence“ (Elektrolumineszenz unter Rückwärtsspannung). „Die Forschungsergebnisse befördern die Photovoltaik als nachhaltige und umweltgerechte Technologie“, freut sich Dr. Petter. „Unsere Firma, deren Kerngeschäft die Entwicklung, Herstellung und Vermarktung von leistungsfähigen Solarzellen aus mono- und multikristallinem Silizium ist, wird davon profitieren.“

Wo Licht ist, ist auch Schatten
Neben dieser neuen Analysemethode für komplette Solarzellen sei die Analyse des Rückwärtsbereichs von Solarzellen auch technologisch von herausragender Bedeutung, heißt es in der Pressemitteilung. Im Normalbetrieb arbeitet die Solarzelle im Vorwärtsbetrieb. Falle jedoch auf ein Solarmodul Schatten, z. B. durch herabgefallenes Laub oder Verschattung durch einen Baum, sind die im Schatten befindlichen Solarzellen auf einmal unter Rückwärtsspannung. Halten sie dies nicht aus, fließt ein großer Strom durch den Effekt des elektrischen „Durchbruchs“. Hier werden typischer Weise Ladungsträger in einem starken elektrischen Feld beschleunigt, das in der Diode innerhalb der Solarzelle entsteht. Das erzeugt neue Ladungsträgerpaare und kann so zu einem hohen, schlimmstenfalls unkontrollierbaren Strom führen, der die Solarzelle und das gesamte Modul zerstören kann (Hot-Spot-Effekt). Die Forscher haben nun herausgefunden, dass dieser Durchbruchstrom nur an bestimmten Defekten und lokal begrenzt auftritt. Zudem hänge sein prinzipielles Auftreten nicht von der Oberflächenpräparation der Solarzelle mit saurer oder alkalischer Behandlung ab, mit der die Lichteinkopplung in die Solarzelle verbessert wird (Antireflektionsschicht).
Die Ergebnisse sind in physica status solidi in einem Rapid Research Letter veröffentlicht (Dominik Lausch, Kai Petter, Holger von Wenckstern, Marius Grundmann, Correlation of pre-breakdown sites and bulk defects in multicrystalline silicon solar cells, Phys. Status Solidi RRL 3, pp. 70-72 (2009))

11.02.2009 | Quelle: Universität Leipzig | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH

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