Wettrennen für bessere und günstigere Dünnschicht-Photovoltaik
Die Forscher arbeiten dabei an der sogenannten TCO-Schicht, einer transparenten und zugleich leitfähigen Metalloxidschicht.
Die TCO-Schicht ist als Frontkontakt ein wesentlicher Baustein von Dünnschichtsolarzellen auf Basis von Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel und Selen (CIGS). Die TCO-Schicht transportiert mit hoher Leitfähigkeit die gesammelten Ladungsträger ab, so dass Strom fließen kann – birgt aber als wesentliche Stromverlustquelle in CIGS-Modulen ein großes Verbesserungspotenzial. Das Projekt verfolgt drei unterschiedliche Wege, um die Dünnschicht-Photovoltaik weiter zu verbessern und die Kosten zu senken: Die Forscher arbeiten an der Optimierung des industriellen Herstellungsprozesses der TCO-Schicht, an einer kostengünstigen Alternative zu dem aktuellen industriellen Herstellungsprozess sowie auch an neuen Materialien. Die Verfahren, die sich in dem Wettbewerb der Technologien durchsetzen, werden in der Forschungspilotlinie im Produktionsmaßstab weiter getestet.
Bei der Weiterentwicklung des als weitgehend ausgereift geltenden Standardherstellungsverfahrens mit Aluminium-dotiertem Zinkoxid (AZO) hat das Teilprojekt um den Industriepartner AVANCIS bereits erstaunliche Erfolge erzielt. Die Herausforderung war, eine verbesserte Kombination zu finden zwischen möglichst geringem Kontaktwiderstand – was mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und hoher Dotierung der TCO-Schichten möglich ist – und einer hohen Lichtdurchlässigkeit für eine hohe Stromausbeute – erreichbar durch niedrige Dotierung. „Wir haben durch ein Absenken der Aluminiumdotierung das Verhältnis zwischen Widerstand und Transparenz in der TCO-Schicht verbessert. So konnten wir den Wirkungsgrad auf Kleinformatmodulen gegenüber dem heutigen Standard um zwei Prozent steigern“, erklärt Jörg Palm, CTO des Dünnschichtmodulherstellers AVANCIS GmbH. Geforscht wird in der Gruppe außerdem daran, durch den Einsatz von gesputtertem Zinkoxidsulfid den Herstellungsprozess um einen Schritt zu reduzieren und so die Produktionskosten ohne Abstriche in der Leistungsfähigkeit der Solarmodule deutlich zu senken. „Das Verfahren ist ein gelungenes Beispiel für den Technologietransfer aus der Forschung in die Industrie“, erläutert Dr. Marc Heinemann vom Kompetenzzentrum Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik (PVcomB) des Helmholtz-Zentrums Berlin, wo die Idee entwickelt wurde.
Gegenstand der Forschung sind zudem kostengünstige Abscheideprozesse für die heutzutage üblichen TCO-Fensterschichten auf Basis von Aluminium-dotiertem Zinkoxid (ZnO:Al oder AZO). Die Forscher der Firma Solayer GmbH setzen hier auf metallische Targets, die mindestens 20 Prozent Kostensenkung gegenüber keramischen Targets versprechen. Im Weiteren wird das Hochleistungs-Magnetronsputtern, das sogenannte HIPIMS entwickelt. Die HIPIMS-Technologie hat das Potenzial, bei einem kostengünstigeren Prozess verbesserte Schichteigenschaften zu erzielen. Bei den alternativen Abscheideprozessen konnten bereits erste Erfolge erzielt werden. Beispielsweise durch das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST und die Firmen Sentech Instruments GmbH und Magpuls GmbH, die gemeinsam einen HIPIMS Prozess mit Doppelrohrmagnetron und optischer Prozesskontrolle entwickelt haben. Damit konnten bei Tests mit kostengünstigen Zn:Al-Targets gute Eigenschaften bezüglich der Leitfähigkeit auf Borofloatglas erzielt werden. Zudem wurde eine Anlage für serielles Co-Sputtern entwickelt. Mit dieser Methode wurde erstmals die Al-Dotierung als ein Prozessparameter dickenabhängig vorgegeben. Dies ermöglicht eine gezielte Optimierung der TCO-Eigenschaften, wie an der TU Berlin gezeigt wurde.
Dritter Forschungsansatz ist die Verwendung von neuen Materialien für die TCO-Fensterschichten. So wird untersucht, ob anstelle der AZO-Fensterschichten amorphes Indium-Zinkoxid (a-IZO), entwickelt am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), oder mit Wasserstoff dotiertes Indiumoxid (IOH), entwickelt am PVcomB, in Frage kommen. Das Ziel ist, die erheblich höhere Elektronenbeweglichkeit der Materialien zu nutzen. Dadurch könnte die TCO-Schicht wesentlich dünner werden, wodurch die Transparenz und mithin die Stromausbeute erhöht werden könnte. Die prinzipielle Eignung in CIGS-Solarzellen wurde für beide Materialien (mit > 21 % Wirkungsgrad für a-IZO) schon nachgewiesen. Beide Abscheideprozesse für IOH und a-IZO wurden schon auf industrietaugliche DC-Sputteranlagen übertragen. Eine Schwäche haben die alternativen TCOs noch: Das klassische AZO kommt bisher noch besser mit der rauen CIGS-Oberfläche klar. Der Wettbewerb der Technologien ist also weiterhin offen.
