{"id":69569,"date":"2021-03-23T09:00:40","date_gmt":"2021-03-23T08:00:40","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=69569"},"modified":"2021-03-23T09:00:41","modified_gmt":"2021-03-23T08:00:41","slug":"solarzellen-verluste-auf-der-nanoskala-sichtbar-gemacht","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/solarzellen-verluste-auf-der-nanoskala-sichtbar-gemacht\/","title":{"rendered":"Solarzellen: Verluste auf der Nanoskala sichtbar gemacht"},"content":{"rendered":"\n

Siliziumsolarzellen sind inzwischen so g\u00fcnstig und effizient, dass sie Stromgestehungskosten von unter 2 Cent\/kWh erm\u00f6glichen. Solarzellen aus kristallinem Silizium erreichen Spitzenwirkungsgrade, insbesondere in Verbindung mit selektiven Kontakten aus amorphem Silizium (a-Si:H). Ihre Effizienz wird jedoch durch Verluste in diesen Kontaktschichten begrenzt. Nun hat erstmals ein Team am  Helmholtz-Zentrum Berlin f\u00fcr Materialien und Energie GmbH (HZB)<\/a> und der University of Utah, USA, <\/a>experimentell gezeigt, wie solche Kontaktschichten auf der Nanometerskala Verluststr\u00f6me generieren und was deren physikalischer Ursprung ist.<\/p>\n\n\n\n

Mit einem leitf\u00e4higen Atom-Kraftmikroskop tasteten sie die Solarzellenoberfl\u00e4chen im Ultrahochvakuum ab, und wiesen winzige, nanometergro\u00dfe Kan\u00e4le f\u00fcr die nachteiligen Dunkelstr\u00f6me nach, die auf Unordnung in der a-Si:H Schicht beruhen. Die effizientesten Siliziumsolarzellen werden heutzutage mit selektiven Kontaktschichten, die f\u00fcr die Trennung der lichterzeugten Ladungen verantwortlich sind, aus unter 10 Nanometer dicken Schichten aus amorphem Silizium (a-Si:H) hergestellt. Mit solchen Silizium Heterojunction Solarzellen werden am HZB Wirkungsgrade von \u00fcber 24% erreicht. Die Zelle befindet sich au\u00dferdem in einer sogenannten Tandemsolarzelle (Wirkungsgradrekord 29,15 %<\/a> A. Al-Ashouri, et al. Science 370, (2020)), wie sie unl\u00e4ngst am HZB hergestellt wurde. Auch der aktuelle Weltrekord aus Japan f\u00fcr eine Siliziumsolarzelle basiert auf diesem Heterokontakt (26,6%: K. Yoshikawa, et al. Nature Energy 2, (2017)).<\/p>\n\n\n\n

Verlustmechanismen auf Nanoskala<\/h5>\n\n\n\n

Aber auch diese besonders raffiniert optimierten Schichtstapel erreichen nicht den maximal m\u00f6glichen Wirkungsgrad. Insbesondere ist bisher nicht im Detail verstanden, wie diese Schichten die Ladungstr\u00e4gertrennung erm\u00f6glichen und was ihre nanoskopischen Verlustmechanismen sind. Die a-Si:H Kontaktschichten sind durch ihre intrinsische Unordnung gepr\u00e4gt, die zum einen eine hervorragende Verg\u00fctung der Siliziumoberfl\u00e4che erm\u00f6glicht und somit die Anzahl von Grenzfl\u00e4chendefekten minimiert, zum anderen aber auch einen kleinen Nachteil mit sich bringt: Sie kann zu lokalen Kurzschl\u00fcssen sowie zu Transportbarrieren f\u00fchren, welche das Verm\u00f6gen der Kontaktschicht verringern, wie eine einseitig durchl\u00e4ssige Membran oder ein Ventil die Ladung zu trennen.<\/p>\n\n\n\n

Welche Wege nehmen Verluststr\u00f6me?<\/h5>\n\n\n\n

Nun hat erstmals ein Team am HZB und der University of Utah experimentell vermessen, wie und \u00fcber welche Wege zwischen c-Si und a-Si:H Verluststr\u00f6me laufen, die den Dunkelstrom der Solarzelle und damit das Wirkungspotential pr\u00e4gen. Prof. Klaus Lips konnte an den am PVcomB hergestellten Solarzellen mit einem Team um Prof. Christoph Boehme an der University of Utah aufw\u00e4ndige und sehr empfindliche Untersuchungen durchf\u00fchren und die Prozesse an der Grenzfl\u00e4che erstmals auf Nanometerskala aufkl\u00e4ren. Daf\u00fcr nutzten die Forscher die Methode der leitf\u00e4higen Rasterkraftmikroskopie (cAFM), die an der University of Utah verfeinert wurde. Diese Grenzfl\u00e4che schlie\u00dft aber prinzipbedingt bei der Spannung, bei der der Arbeitspunkt der Solarzelle liegt, nicht perfekt \u2013 ein Dunkelstrom, der in Gegenrichtung flie\u00dft, reduziert die Ausbeute. Es w\u00e4re vorteilhaft, diesen Dunkelstrom auf sein thermodynamisches Minimum zu reduzieren.<\/p>\n\n\n\n

Dunkelstromkan\u00e4le im Rasterkraftmikroskop<\/h5>\n\n\n\n

Unter dem Rasterkraftmikroskop tasteten die Physiker den Stromfluss durch den selektiven a-Si:H Kontakt mit einer Platinspitze ab und beobachteten, wie sich bei zunehmender Spannung Dunkelstromkan\u00e4le mit Durchmessern von einigen Nanometern ausbildeten \u2013 diese \u201eundichten Stellen\u201c im Kontaktmaterial reduzieren den Wirkungsgrad.  \u201eDie Stromkan\u00e4le sind der Fingerabdruck von lokalen Defekten im amorphen Silizium, die der Dunkelstrom quasi als Buddelhilfe nutzt, um sich durch die amorphe Kontaktschicht zu graben\u201c, erkl\u00e4rt Lips. \u201eWir sprechen hier vom Defekt-assistierten quantenmechanischem Tunneln! Das ist das erste Mal, das solche Zust\u00e4nde und Prozesse in einer real arbeitenden Solarzelle h\u00f6chster G\u00fcte sichtbar gemacht werden konnten\u201c, schw\u00e4rmt der Physiker.<\/p>\n\n\n\n

Physik der Heterokontakte<\/h5>\n\n\n\n

Au\u00dferdem zeigte sich, dass der Dunkelstrom in solchen Stromkan\u00e4len mit der Zeit stochastisch fluktuiert. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass hier eine kurzfristige Stromblockade zu sehen ist, die durch lokale Ladung entsteht, die in benachbarten Defekten eingefangen wird. Diese Ladung kann auch daf\u00fcr sorgen, dass die lokale Photospannung an einem Stromkanal auf oberhalb von 1V steigt, was weit oberhalb dessen liegt, was an einem makroskopischen Kontakt abgreifbar ist. \u201eAn dieser Schnittstelle von der Nano- zu der Makrowelt liegt nicht nur die spannende Physik der Heterokontakte sondern auch das Verst\u00e4ndnis, wie sich der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen noch gezielter verbessern l\u00e4sst\u201c, sagt Prof. Bernd Stannowski, der f\u00fcr die Entwicklung industrieller Silizium-Heterojunction Solarzellen am HZB verantwortlich ist.<\/p>\n\n\n\n

Quellen:<\/strong><\/p>\n\n\n\n