Photovoltaik-Forschung: Nanostrukturen steigern den Wirkungsgrad ultradünner CIGS-Solarzellen

Die Wissenschaftler erzielten bei den ultradünnen CIGS-Zellen einen neuen Rekord bei der Kurzschlussstromdichte.
Die Solarzellen bestehen aus den Elementen Kupfer, Indium, Gallium und Selen, die in einer Chalkopyrit-Kristallstruktur angeordnet sind. Dünnschicht-CIGS-Solarzellen können im Labor Wirkungsgrade von bis zu 22,6 Prozent erreichen und besitzen im Vergleich zu Produkten aus Silizium einige Vorteile. Unter anderem lassen sie sich mit weniger Energie herstellen und haben geringere Einbußen bei Verschattung.

Indium eingespart

Die Massenproduktion von CIGS-Zellen würde jedoch große Mengen des seltenen Elements Indium erfordern. Ein interessanter Ansatz ist daher, die CIGS-Schichten noch deutlich dünner zu machen. Während eine typische CIGSe-Dünnschicht-Solarzelle 2-3 Mikrometer dick ist, misst eine ultradünne Schicht weniger als 0,5 Mikrometer. Allerdings absorbieren ultradünne Solarzellen auch wesentlich weniger Licht, was den Wirkungsgrad stark verringert.
 
Nanostrukturierte Rückkontakte fangen das Licht ein

Nun hat die Forschungsgruppe Nanooptix am HZB von Prof. Martina Schmid gezeigt, wie sich die Absorptionsverluste in ultradünnen CIGS-Schichten größtenteils verhindern lassen. Gemeinsam mit dem Team von Prof. Albert Polman am Institute for Atomic and Molecular Physics (AMOLF, Niederlande) haben sie nanostrukturierte Rückkontakte entwickelt, die das Licht einfangen: Diese Nanostruktur besteht aus einem regelmäßigen Muster aus Siliziumoxidpartikeln auf einem ITO-Substrat. Beste ultradünne Zelle kämen fast an die Leistung einer normalen CIGS-Dünnschicht heran, betonen die Forscher.

Kombiniert mit einer reflektierenden Schicht erreichte die beste ultradünne CIGS-Zelle eine Kurzschlussstromdichte von 34,0 mA/cm2. Dies ist der bislang höchste Wert, der jemals an einer ultradünnen CIGSe-Zelle gemessen wurde und entspricht 93 Prozent der Kurzschlussstromdichte der Rekord-CIGS-Zelle mit üblicher Dicke.

Nanostrukturen verbessern auch elektrische Eigenschaften

Außerdem verbessern die Nanostrukturen auch die elektrischen Eigenschaften der Zelle und steigern den Wirkungsgrad im Vergleich zu Zellen ohne nanostrukturierte Rückkontakte auf das Anderthalbfache. „Damit haben wir gezeigt, dass Nanostrukturen bei ultradünnen CIGSe-Solarzellen sowohl die optische Absorption verstärken als auch einige elektrische Aspekte günstig beeinflussen“, sagt Guanchao Yin, Erstautor der Publikation.
Die Arbeit ist in Advanced Optical Materials (5, 2017) veröffentlicht.

24.03.2017 | Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH