Photovoltaik-Forschung: Nanoteilchen machen ultradünne CIGSe-Solarzellen effizienter; HZB steigert Wirkungsgrad auf 12,3 %

Ein Ergebnis der Photovoltaik-Forschung am HZB: Die SiO2-Nanoteilchen (schwarz) wurden direkt auf das Molybdän-Substrat (lila) aufgedruckt, das als Rückkontakt dient. Die CIGSe-Schicht (rot) sowie weitere funktionale Schichten wurden auf das Nanomuster aufgewachsen. Weil diese Schichten extrem dünn sind, drückt sich das Muster der Nanoteilchen erkennbar bis zur oberen Schicht durch
Ein Ergebnis der Photovoltaik-Forschung am HZB: Die SiO2-Nanoteilchen (schwarz) wurden direkt auf das Molybdän-Substrat (lila) aufgedruckt, das als Rückkontakt dient. Die CIGSe-Schicht (rot) sowie weitere funktionale Schichten wurden auf das Nanomuster aufgewachsen. Weil diese Schichten extrem dünn sind, drückt sich das Muster der Nanoteilchen erkennbar bis zur oberen Schicht durch

Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat es geschafft, ultradünne CIGSe-Schichten für Solarzellen auf Basis von Kupfer, Indium, Gallium und Selen mit hoher Qualität herzustellen und den Wirkungsgrad mit winzigen Nanoteilchen auf der Rückseite der Zelle zu steigern.

Nanoteilchen mit Durchmessern von einigen hundert Nanometern reagieren auf Licht in besonderer Weise. Wie sich Anordnungen von solchen Nanoteilchen nutzen lassen, um Solarzellen und andere optoelektronische Bauelemente zu optimieren, untersucht Prof. Dr. Martina Schmid mit der Nachwuchsgruppe Nanooptische Konzepte für die Photovoltaik am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). Nun kann sie im Journal of the American Chemical Society ACS Nano über einen beachtlichen Erfolg mit ultradünnen CIGSe-Solarzellen berichten.

 

Unterhalb von einem Mikrometer sinkt die Effizienz noch mehr

CIGSe-Solarzellen erreichen hohe Wirkungsgrade und sind mit Schichtdicken von einigen Mikrometern in Photovoltaik-Modulen bereits kommerziell erhältlich.

Doch Indium zählt zu den seltenen und teuren Elementen, so dass die Absorberschichten in Zukunft deutlich dünner werden sollten. Dies verringert jedoch den Wirkungsgrad, weil dünnere Schichten weniger Licht absorbieren. Doch nicht nur das: unterhalb von einem Mikrometer Dicke tritt ein weiteres Problem auf – die Ladungsträger treffen häufiger aufeinander und rekombinieren am Rückkontakt, so dass sie für die Solarstrom-Erzeugung „verloren“ gehen.

 

Ultradünne CIGSe mit Wirkungsgraden von 11,1 %

„Es dauerte mehr als ein Jahr, bis es mir gelang, ultradünne CIGSe- Schichten von nur 0,46 Mikrometern (460 Nanometer) herzustellen, die noch akzeptable Wirkungsgrade von bis zu 11,1 % erreichen“, sagt Guanchao Yin, der seine Doktorarbeit im Team von Martina Schmid gerade mit Auszeichnung abgeschlossen hat.

Um den Wirkungsgrad der ultradünnen CIGSe-Zellen weiter zu steigern, sollten dann Anordnungen von Nanoteilchen eingefügt werden.

Martina Schmid konnte dafür auf ihre guten Kontakte zur Arbeitsgruppe von Prof. Albert Polman am Center for Nanooptics, Amsterdam zurückgreifen; Diese Gruppe zählt zu den Pionieren auf dem Gebiet der Nanophotonik und ist in der Lage, beliebige Anordnungen von Nanoteilchen mit spezialisierten Nanodruck-Technologien zu produzieren.

 

Nanoteilchen auf der Solarzellen-Vorderseite sind wenig effektiv

Im ersten Schritt brachten die Kollegen aus Amsterdam ein Muster aus dielektrischen TiO2-Nanoteilchen oben auf der ultradünnen Solarzelle auf.

Die Nanoteilchen sollten wie Lichtfallen wirken und das Licht in die CIGSe-Schicht weiterleiten. Dennoch wirkte sich dies weitaus weniger positiv auf den Wirkungsgrad aus als beispielsweise bei siliziumbasierten Solarzellen. Yin stellte daher weitere Versuche an und fand schließlich heraus, was am besten funktionierte: Nanoteilchen hinter der Absorberschicht, direkt auf dem Rückkontakt!

 

Auf der Rückseite wirken Nanoteilchen dagegen umso mehr: Der Wirkungsgrad steigt auf 12,3 %

Die Amsterdamer Kollegen stellten dafür eine Anordnung von dielektrischen SiO2 Nanoteilchen direkt auf dem Rückkontakt der Zelle her, einem Molybdän-Substrat.

Auf dem so strukturierten Substrat wuchsen Yin und die Kollegen am HZB eine ultradünne CIGSe-Schicht, ebenso wie alle weiteren Schichten, die für die Solarzelle nötig sind. Dadurch stieg der Wirkungsgrad von 11,1 %  auf 12,3 %!

Gleichzeitig nahm die Kurzschluss-Stromdichte der ultradünnen CIGSe-Zelle um mehr als 2 mA/cm2 zu. Mit zusätzlichen Antireflektions-Nanoteilchen auf der Vorderseite ließ sich der Wirkungsgrad sogar auf bis zu 13,1 % steigern.

 

Nanoteilchen streuen das Licht in die aktive Schicht und verhindern die Rekombination

„Die Nanoteilchen auf der Rückseite fangen das Licht und streuen es effizient zurück in die aktive CIGSe-Schicht, deren Absorption dadurch erhöht wird”, erklärt Yin.

Weitere Untersuchungen deuten darauf hin, dass die SiO2-Nanoteilchen auf der Rückseite der Zelle außerdem die Rekombination von Ladungsträgern einschränken, was ebenfalls zur Steigerung des Wirkungsgrads beiträgt.

„Diese Arbeit zeigt erstmals experimentell, wie sich durch Nanoteilchen auch bei ultradünnen CIGSe-Solarzellen die Effizienz steigern lässt. Dies hat uns auf weitere Ideen gebracht, wie wir zusätzlich zu den optischen auch die elektrischen Eigenschaften von Nanoteilchen nutzen können, um die Absorption von Licht zu erhöhen und den Verlust von Ladungsträgern zu begrenzen“, sagt Martina Schmid.

 

19.10.2015 | Quelle: HZB; Bild. G. Yin/HZB | solarserver.de © Heindl Server GmbH

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