Neue bifaziale Dünnschichtsolarzelle
Bifaciale Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) können das Sonnenlicht sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite einfangen und damit möglicherweise mehr Solarstrom erzeugen als herkömmliche Solarzellen. Ihre Herstellung ermöglichte jedoch bisher nur relativ geringe Umwandlungswirkungsgrade. Ein Team der Schweizer Forschungsinstitution Empa hat nun einen neuen Tieftemperatur-Produktionsprozess entwickelt und die erste bifaziale Perowskit-CIGS-Tandemsolarzelle geschaffen, die in Zukunft noch höhere Energieerträge ermöglichen könnte.
Während bifaciale Solarzellen auf der Basis von Silizium-Wafern bereits auf dem Markt erhältlich sind, hinken Dünnschichtsolarzellen hinterher. Dies ist zum Teil auf den geringeren Umwandlungswirkungsgrad der bifacialen CIGS-Dünnschichtsolarzellen zurückzuführen, der mit der Zellstruktur zusammenhängt. Um das reflektierte Sonnenlicht auf der Rückseite einfangen und in Strom umwandeln zu können, muss der elektrische Kontakt auf der Rückseite einer bifacialen Solarzelle optisch transparent sein. Dies wird durch die Verwendung eines transparenten leitfähigen Oxids erreicht, das den normalerweise lichtblockierenden Molybdän-Rückseitenkontakt herkömmlicher monofacialer Solarzellen ersetzt.
Zu den möglichen Anwendungen für bifaciale Dünnschicht-Solarzellen gehören die gebäudeintegrierte Photovoltaik, die Agro-Photovoltaik und vertikal installierte Solarmodule auf hochgelegenen Flächen wie Bergen. Laut der International Technology Roadmap of Photovoltaics könnten bifaciale Solarzellen bis 2030 einen Marktanteil von 70 % des gesamten Photovoltaikmarktes erobern.
#Problem der Oxidation der Gallium Schicht gelöst
Die Herstellung von hocheffizienten CIGS-Solarzellen ist mit Schwierigkeiten verbunden, da bei dem Hochtemperatur-Abscheideverfahren, das für ihre Produktion verwendet wird, Temperaturen von über 550 Grad benötigt werden. Dies führt jedoch zu einer chemischen Reaktion zwischen dem Gallium in der CIGS-Schicht und dem Sauerstoff des transparenten Rückkontakts, die zu einer Galliumoxid-Grenzschicht führt, die den Fluss von Solarstrom blockiert und somit die Energieumwandlungseffizienz der Zelle verringert.
Um dieses Problem zu lösen, hat der Doktorand Shih-Chi Yang in der Forschungsgruppe von Romain Carron in Tiwaris Labor einen neuen Niedertemperatur-Abscheidungsprozess entwickelt, bei dem deutlich weniger unerwünschtes Galliumoxid entstehen sollte. Durch die Zugabe von einer kleinen Menge Silber konnten die Forscher die CIGS-Legierung bei einer Abscheidungstemperatur von 353 Grad schmelzen und Lichtabsorberschichten mit guten elektronischen Eigenschaften erhalten. Die Analyse der Mehrschichtstruktur mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie zeigte, dass kein Galliumoxid an der Grenzfläche detektiert werden konnte.
#Effizienz von über 33% angestrebt
Die bifaziale Dünnschichtsolarzelle hat sich als sehr effizient in der Energieumwandlung erwiesen. Laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg lieferte die Solarzelle auf einem Glassubstrat Werte von 19,8% für die Vorderseite und 10,9% für die Rückseite. Das Team hat auch erfolgreich eine bifaziale CIGS-Solarzelle auf einem flexiblen Polymersubstrat hergestellt, die durch ihr geringes Gewicht und ihre Flexibilität eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten bietet. Schließlich haben die Forscher zwei Photovoltaik-Technologien, CIGS- und Perowskit-Solarzellen, zu einer bifazialen Tandemzelle kombiniert. Laut Tiwari hat die bifaziale CIGS-Technologie das Potenzial, Energieumwandlungswirkungsgrade von über 33% zu erreichen, was weitere Möglichkeiten für die zukünftige Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen eröffnet.
Quelle: https://www.empa.ch