{"id":87563,"date":"2022-12-16T02:58:00","date_gmt":"2022-12-16T01:58:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=87563"},"modified":"2022-12-15T09:15:50","modified_gmt":"2022-12-15T08:15:50","slug":"neues-verfahren-steigert-wirkungsgrad-bifazialer-cigs-duennschichtsolarzellen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/neues-verfahren-steigert-wirkungsgrad-bifazialer-cigs-duennschichtsolarzellen\/","title":{"rendered":"Neues Verfahren steigert Wirkungsgrad „bifazialer“ CIGS-D\u00fcnnschichtsolarzellen"},"content":{"rendered":"\n

Sogenannte bifaziale D\u00fcnnschichtsolarzellen auf der Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) k\u00f6nnen Sonnenenergie sowohl auf der Vorder- als auch auf der R\u00fcckseite einfangen \u2013 und damit potenziell mehr Solarstrom erzeugen als herk\u00f6mmlichen Solarzellen. <\/p>\n\n\n

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\u00a9 Empa.ch | Die Empa-Forscher Shih-Chi Yang (links) und Romain Carron bei der Beschichtungsanlage f\u00fcr die CIGS-Schicht, die das Licht zur Umwandlung in Strom absorbiert.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Bislang hat ihre Herstellung jedoch nur relativ tiefe Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung erlaubt. Ein Empa-Team hat nun einen neuen Tieftemperatur-Produktionsprozess entwickelt, der Rekord-Wirkungsgrade von 19,8% f\u00fcr die Vorderseite und 10,9% f\u00fcr die R\u00fcckseite erm\u00f6glicht. Zudem haben sie die erste bifaziale Perowskit-CIGS-Tandemsolarzelle hergestellt, wie sie k\u00fcrzlich in \u00abNature Energy\u00ab berichteten, was in Zukunft noch weit h\u00f6here Energieertr\u00e4ge erm\u00f6glichen k\u00f6nnte.<\/p>\n\n\n\n

Die Idee klingt simpel: Wenn ich sowohl direktes Sonnenlicht als auch seine Reflexion \u2013 \u00fcber die R\u00fcckseite der Solarzelle \u2013 einfangen k\u00f6nnte, sollte dies die Energieausbeute erh\u00f6hen. M\u00f6gliche Anwendungen sind zum Beispiel geb\u00e4udeintegrierte Photovoltaik, Agrivoltaik \u2013 die gleichzeitige Nutzung von Fl\u00e4chen f\u00fcr die photovoltaische Stromerzeugung und die Landwirtschaft \u2013 und vertikal installierte Solarmodule auf hochgelegenen Fl\u00e4chen, etwa im Gebirge. Hier kommt die bifaziale Solarzelle ins Spiel. Laut \u00abInternational Technology Roadmap of Photovoltaics\u00bb k\u00f6nnten bifaziale Solarzellen bis 2030 einen Marktanteil von 70% des gesamten Photovoltaikmarktes erobern.<\/p>\n\n\n\n

Obwohl bifaziale Solarzellen auf der Basis von Siliziumwafern bereits auf dem Markt sind, hinken D\u00fcnnschichtsolarzellen bisher hinterher. Dies ist zumindest teilweise auf den eher geringen Wirkungsgrad bifazialer CIGS-D\u00fcnnschichtsolarzellen zur\u00fcckzuf\u00fchren, der mit dem Aufbau der Solarzelle zusammenh\u00e4ngt: Damit eine bifaziale Solarzelle das reflektierte Sonnenlicht auf ihrer R\u00fcckseite aufnehmen und in Strom umwandeln kann, muss der r\u00fcckseitige elektrische Kontakt optisch transparent sein. Dies wird durch die Verwendung eines transparenten leitf\u00e4higen Oxids erreicht, das den normalerweise lichtundurchl\u00e4ssigen R\u00fcckseitenkontakt in konventionellen \u2013 d.h. monofazialen \u2013 Solarzellen aus Molybd\u00e4n ersetzt.<\/p>\n\n\n\n

Eine verh\u00e4ngnisvolle Oxidbildung<\/h5>\n\n\n\n

Und genau da beginnen die Probleme: Hocheffiziente CIGS-Solarzellen werden in der Regel in einem Hochtemperatur-Abscheideverfahren hergestellt, d.h. bei Temperaturen \u00fcber 550 Grad. Bei diesen Temperaturen kommt es jedoch zu einer chemischen Reaktion zwischen dem Gallium (in der CIGS-Schicht) und dem Sauerstoff des transparenten R\u00fcckkontakts \u2013 ein Oxid. Die daraus resultierende Galliumoxid-Grenzschicht blockiert den Fluss des Solarstroms und verringert somit die Energieumwandlungseffizienz der Zelle. Die h\u00f6chsten bisher in einer einzelnen Zelle erreichten Werte liegen bei 9.0 % f\u00fcr die Vorderseite und 7.1 % f\u00fcr die R\u00fcckseite. \u00abEs ist wirklich schwierig, eine gute Energieumwandlungseffizienz f\u00fcr Solarzellen mit transparenten leitenden Kontakten sowohl auf der Vorder- wie auch auf der R\u00fcckseite zu erreichen\u00bb, sagt Ayodhya N. Tiwari, Leiter des Empa-Labors f\u00fcr D\u00fcnnschicht und Photovoltaik.<\/p>\n\n\n\n

Deshalb hat der Doktorand Shih-Chi Yang in der Forschungsgruppe von Romain Carron in Tiwaris Labor einen neuen Niedertemperatur-Abscheidungsprozess entwickelt, bei dem deutlich weniger des unerw\u00fcnschten Galliumoxids entstehen sollte \u2013 im Idealfall gar keines. Die Forscher f\u00fcgten eine winzige Menge Silber hinzu, um den Schmelzpunkt der CIGS-Legierung zu senken und Lichtabsorberschichten mit guten elektronischen Eigenschaften bei gerade einmal 353 Grad Abscheidungstemperatur zu erhalten. Und tats\u00e4chlich: Als sie die Mehrschichtstruktur mit Hilfe von Tiwaris ehemaligem Postdoc Tzu-Ying Lin, der zurzeit an der \u00abNational Tsing Hua University\u00bb in Taiwan arbeitet, mit hochaufl\u00f6sender Transmissionselektronenmikroskopie analysierten, konnte das Team keinerlei Galliumoxid an der Grenzfl\u00e4che detektieren.<\/p>\n\n\n\n

Das ehrgeizige Ziel: eine Energieausbeute von mehr als 33%<\/h5>\n\n\n
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\u00a9 Empa.ch | Zum Vergr\u00f6\u00dfern anklicken!<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Dies schlug sich auch in einer drastisch verbesserten Energieumwandlungseffizienz nieder: Die Zelle lieferte Werte von 19.8% f\u00fcr die Vorderseite und 10.9 % f\u00fcr die R\u00fcckseite, die vom Fraunhofer-Institut f\u00fcr Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg unabh\u00e4ngig best\u00e4tigt wurden \u2013 in derselben Zelle auf einem Glassubstrat. Dar\u00fcber hinaus gelang es dem Team erstmals, eine bifaziale CIGS-Solarzelle auf einem flexiblen Polymersubstrat herzustellen, die aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer Flexibilit\u00e4t das Spektrum m\u00f6glicher Anwendungen erheblich erweitert. Und schlie\u00dflich kombinierten die Forscher zwei Photovoltaik-Technologien \u2013 CIGS- und Perowskit-Solarzellen \u2013 zu einer bifazialen \u00abTandemzelle\u00bb. Laut Tiwari hat die bifaziale CIGS-Technologie das Potenzial, Energieumwandlungswirkungsgrade von \u00fcber 33 % zu erzielen, was weitere M\u00f6glichkeiten f\u00fcr D\u00fcnnschichtsolarzellen in der Zukunft er\u00f6ffnet. Tiwari gleist derzeit eine Zusammenarbeit mit wichtigen Labors und Unternehmen in ganz Europa auf, um die Entwicklung der Technologie und ihre industrielle Herstellbarkeit in gr\u00f6\u00dferem Ma\u00dfstab voranzutreiben.<\/p>\n\n\n\n