Dünnschicht-Photovoltaik: Empa-Team steigert Wirkungsgrad von flexiblen CdTe-Solarzellen auf 11,5 %

Mit dem aktuell zweitgrößten Marktanteil (hinter Silizium-basierten Solarmodulen) sind CdTe-Solarzellen in der Herstellung bereits heute am günstigsten. Die starren CdTe-Zellen auf Glas, auch „Superstrat“-Solarzellen genannt, haben jedoch einen Nachteil: Sie benötigen ein transparentes Trägermaterial, das Sonnenlicht zur Licht absorbierenden CdTe-Schicht durchlässt – und schränken somit die Auswahl der Trägermaterialien massiv ein.

Substrat-Konfiguration lässt Licht von der „anderen“ Seite in die Solarzelle
Ließe sich der mehrschichtige Aufbau der CdTe-Solarzellen umkehren, könnten auch flexible Folien, etwa aus Metall, als Trägermaterial genutzt werden – dadurch würden die Herstellungskosten weiter senken. In dieser so genannten Substrat-Konfiguration dringt das Licht von der „anderen“ Seite in die Zelle ein, ohne dabei das Trägermaterial durchdringen zu müssen. Das Problem ist jedoch, dass in der Substrat-Konfiguration aufgebaute CdTe-Solarzellen auf Metallfolie bislang nur äußerst bescheidene Wirkungsgrade (weit unter acht Prozent) erreichten.
Zum Vergleich: Eine im Labormaßstab hergestellte starre Superstrat-CdTe-Solarzelle auf Glas erreichte vor kurzem einen Rekord-Wirkungsgrad von 19,6 Prozent. (Handelsübliche CdTe-Module in der Superstrat-Konfiguration erreichen Wirkungsgrade zwischen 11 und 12 Prozent.)

Kupfer-„Doping“ von Solarzellen
Eine Möglichkeit zur Steigerung des niedrigen Wirkungsgrades von CdTe-Solarzellen in der Substrat-Konfiguration ist die p-Dotierung (engl. doping) der Halbleiterschicht mit Metallen wie Kupfer (Cu). Dies würde sowohl die Dichte der „Löcher“ (positive Ladungsträger) als auch deren Lebensdauer erhöhen und somit zu einer Zunahme der photovoltaischen Leistung, der Menge des in elektrische Energie umgewandelten Lichts, führen. Eigentlich die perfekte Lösung, wenn CdTe nicht so schwer zu dotieren wäre.
„Es wurde bisher immer wieder vergeblich versucht, CdTe-Solarzellen in der Substrat-Konfigurationen zu dotieren“, erklärt Ayodhya Nath Tiwari, Leiter des Labors für Dünnfilme und Photovoltaik an der Empa.
Sein Team beschloss trotzdem, es nochmals zu versuchen, indem die Forscher Kupfer durch Hochvakuumbedampfung auf die CdTe-Schicht auftrugen. Anschließend erhitzten sie die Proben, damit die Cu-Atome in das CdTe eindringen konnten. Die Wissenschaftler erkannten bald, dass sie die Kupfermenge genauestens kontrollieren mussten: Verwendeten sie zu wenig Kupfer, ließ sich der Wirkungsgrad nicht steigern; wenn sie die Zellen „überdotierten“, ebenso.
Die elektronischen Eigenschaften verbesserten sich jedoch massiv, als Lukas Kranz, ein Doktorand in Tiwaris Labor, gemeinsam mit Christina Gretener und Julian Perrenoud, die Menge der Cu-Aufdampfung genau so einstellte, dass sich eine monoatomare Schicht auf dem CdTe ergab. „Die Wirkungsgrade stiegen dramatisch von knapp unter einem Prozent auf über 12 Prozent an“, so Kranz. Der Höchstwert lag bei 13,6 Prozent für eine CdTe-Solarzelle auf Glas; auf Metallfolien erreichte das Empa-Team Wirkungsgrade von bis zu 11,5 Prozent.

20 Prozent Wirkungsgrad als Fernziel
Zurzeit sind die höchsten Wirkungsgrade von flexiblen CdTe-Solarzellen auf Metallfolie noch immer niedriger als diejenigen flexibler Superstrat-Zellen auf speziellen (und daher teuren) transparenten Polyimidfolien, die Tiwaris Team 2011 entwickelte.
Aber, so Co-Autor Stephan Bücheler, Gruppenleiter in Tiwaris Labor: „Unsere Ergebnissen deuten darauf hin, dass sich mit der Substrat-Technologie der Wirkungsgrad in Zukunft noch deutlich weiter steigern lässt.“
Ein erstes Ziel wären 15 Prozent. „Ich bin allerdings davon überzeugt, dass das Material das Potenzial für Wirkungsgrade von über 20 Prozent hat.“
Als nächstes werde man sich darauf konzentrieren, die so genannte Fensterschicht über dem CdTe, einschließlich des elektrischen Frontkontakts, dünner zu gestalten. Dadurch würde diese weniger Licht absorbieren und mehr Sonnenlicht in die CdTe-Schicht durchlassen. „Die optischen Verluste reduzieren“, wie Tiwari es nennt.
Die Studie wurde vom Schweizer Nationalfonds (SNF) und dem Kompetenzzentrum Energie und Mobilität des ETH-Bereichs (CCEM-Dursol) unterstützt.

 
16.08.2013 | Quelle: Empa | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH