Auf dem Weg zur dritten Solarzellen-Generation
Quantenpunkt-Tandemzellen: Martin Green ist Forschungsleiter des Centre of Excellence for Advanced Silicon Photovoltaics and Photonics der University of New South Wales in Sydney und einer der führenden Solarforscher, der immer noch den Weltrekord für die effizenteste monokristalline Zelle hält.
Auf der PVSEC 2008 erklärte Martin Green in einem Interview mit der Zeitschrift "photovoltaik", wie es mit den Wirkungsgraden weiter bergauf gehen wird.
Mit freundlicher Erlaubnis des Alfons W. Gentner Verlags und der Solarpraxis AG veröffentlicht der Solarserver das Gespräch als Solar-Interview. Foto: Solarpraxis AG"photovoltaik": Sie arbeiten an der Photovoltaik der dritten Generation. Was steckt dahinter?
Martin Green: Wir schauen dahin, wohin sich die Photovoltaik langfristig entwickeln muss. Als erste Generation bezeichnen wir die Siliziumwafer- basierte Technologie. Sie steckt in 90 Prozent der heute verkauften Produkte. Zweite Generation sind die Dünnschichttechnologien, die es vermeiden, einen Wafer nutzen zu müssen. Aber die Effizienz der zweiten Generation ist niedriger als die der ersten Generation. Die dritte Generation nutzt im Wesentlichen die Technologie der zweiten Generation und dazu einige Effizienz steigernde Methoden, deren Konzept sich von dem der Standard-Solarzellen unterscheidet.
"photovoltaik": Was von der zweiten Generation Solarzellen wollen Sie denn für die dritte Generation beibehalten?
Martin Green: Wir wollen darum herum kommen, Wafer zu nutzen. Wir wollen in der Lage sein, das Material als dünne Schicht auf eine Art unterstützende Struktur abzuscheiden. Und wenn wir auf die existierende Dünnschichttechnologie aufbauen können, ist das umso besser, denn die Produktionsmethoden dafür sind bereits etabliert.
"photovoltaik": Welche Dünnschichttechnologie ist da der beste Startpunkt?
Martin Green: Eine Technologie, die nach dem Marktvolumen viertstärkste, nutzt eine polykristalline Siliziumschicht auf Glas. CSG Solar in Deutschland produziert mit dieser Technologie Zellen, und es sieht so aus, dass sie alle Kriterien für langfristige Nachhaltigkeit erfüllt. Sie nutzt nur Silizium, das in ausreichenden Mengen vorhanden und nicht toxisch ist. Andere Dünnschicht-Technologien wie etwa Cadmium-Tellurid, die zur Zeit am stärksten wächst und das größte Marktvolumen hat, werfen dagegen Fragen auf. Zum Beispiel nach der Toxizität von Cadmium und der Verfügbarkeit von Tellur. Ich denke, wir werden in den nächsten fünf bis zehn Jahren sehen, dass die Frage nach der Verfügbarkeit von Tellur in den Vordergrund rücken wird – in dem Maße, wie die Verfügbarkeit abnimmt. Die Kristalline-Siliziumauf- Glas-Technologie, wie sie bei CSG Solar produziert wird, nutzt zurzeit zwar Abscheidetechnologien, die denen zur Herstellung amorpher Silizumschichten ähneln und die auf einer sehr langsamen Plasmaabscheidung beruhen. Aber es gibt kein fundamentales Prinzip, dass man so langsam abscheiden muss, wenn man polykristallines Material herstellt.
"photovoltaik": Was muss man tun, um schneller abzuscheiden?
Martin Green: Es ist nur die Frage, welche Abscheidemaschinen man benutzt. Bei einigen Technologien, wie bei mikrokristallinen und amorphen Solarzellen, kann man die Qualität der abgeschiedenen Schichten nicht im Nachhinein verbessern. Deshalb muss man sehr vorsichtig abscheiden, um während der Produktion eine ausreichende Qualität zu erhalten. Aber bei anderen Dünnschichttechnologien wie bei Cadmium-Tellurid und bei Kristallinem- Silizium-auf-Glas kann man die Schicht in einigen Prozessschritten nach der Abscheidung aufwärmen und die Qualität nachträglich verbessern. Das reduziert die Schwierigkeiten bei der Abscheidung.
| Effizienzlimit | |
Wenn ein Photon auf einen Halbleiter trifft, gibt es seine Energie an Elektronen im Halbleiter ab. Allerdings ist eine bestimmte Mindestenergie nötig, damit das Elektron sie aufnehmen und sich – energetisch angeregt – bewegen kann. Ob ein Lichtteilchen diese Mindestenergie aufbringen kann, hängt von seiner Farbe ab. Bei Silizium reicht bereits die Energie infraroter Photonen. Das bedeutet aber gleichzeitig, dass die Energie der energiereicheren blauen Lichtteilchen nicht ganz genützt werden kann, da auch sie nur ein Elektron in Bewegung setzen und die überschüssige Energie wieder abgeben. Andere Materialien können zwar das Licht blauer Photonen effektiver nutzen, sind aber nicht empfindlich auf infrarote Photonen. Dadurch existiert ein grundsätzliches Limit von 33 Prozent für Solarzellen aus nur einem einzigen Halbleitermaterial, das nur Stapelzellen überschreiten können. Theoretisch sind damit – bei unendlich vielen Schichten – 68 Prozent möglich. | |
| Quantenpunktzellen | |
Eine Quantenpunkt-Tandemzelle entsteht, indem man Schichten zum Beispiel aus Siliziumdioxid auf eine Siliziumzelle aufträgt und in jede zweite Schicht einen Überschuss von Silizium gibt. Heizt man die Schichten auf, entstehen im Siliziumdioxid kleine Siliziumkugeln – die Quantenpunkte. Deren Größe bestimmt, in welchem Spektralbereich sie empfindlich sind. In einer Tandemzelle soll die obere Zelle eine Quantenpunktzelle sein, die untere eine kristalline Siliziumzelle oder zum Beispiel eine CSG-Zelle (siehe folgender Kasten). Zwischen den Zellen und an den Rändern oben und unten müssen noch – wie in jeder konventionellen Zelle – dotierte Schichten aufgebracht werden. Physiker erwarten, dass sie die Größe der Quantenpunkte und damit den Spektralbereich, in dem die Zelle effektiv arbeitet, in einer Stapelzelle anpassen können, so dass der Spektralbereich sich mit dem der unteren Zelle optimal ergänzt. Eine Tandemzelle mit kristallinem Silizium als Material der untersten Zelle könnte so theoretisch 42,5 Prozent, eine Tripelzelle mit einer weiteren Quantenpunktzelle sogar 47,5 Prozent Wirkungsgrad erreichen. In der Praxis dürfte nur die Hälfte bis ein Drittel möglich sein, da an anderen Stellen Verluste auftreten. | |
"photovoltaik": Heißt das, dass es zur Zeit keinen Markt für diese Maschien gibt und es für Unternehmen deswegen schwierig ist, sie zu kaufen?
Martin Green: Ja, genau. CSG Solar nutzt das Plasmaabscheidungs-Equipment, weil man eine Maschine quasi von der Stange kaufen kann, die bereits im Produktionsprozess getestet wurde. Das scheint der einfachste Weg zu sein, ein Produkt in die Herstellung zu bringen. Aber insbesondere der Erfolg von First Solar mit den Cadmium- Telluridzellen hat gezeigt, wie wichtig sehr hohe Abscheideraten und ein geringer Kapitaleinsatz für die Abscheidung sind. Das ist zur Zeit der große Vorteil von First Solar gegenüber anderen Dünnschichtfirmen.
"photovoltaik": Wie billig kann die Produktion von Kristallinen Silizium- auf-Glas-Zellen denn werden?
Martin Green: Ich denke, sie kann ähnlich wirtschaftlich werden, wie es die Cadmium-Tellurid-Technologie zurzeit ist. Dabei muss man aber berücksichtigen, dass Tellur momentan nicht teuer ist und die Tellurkosten bei der Cadmium-Tellurid- Zelle im Moment keine Rolle spielen.
"photovoltaik": Wenn Sie darauf eine zweite Zelle aufsetzen, die aus Quantenpunkten besteht, und so eine Tandemzelle bauen, was können Sie dadurch erreichen?
Martin Green: Wir denken, dass das Kristalline-Silizium-auf-Glas-Material am Ende rund zwölf Prozent Wirkungsgrad erreichen kann, wenn die Technologie weiter entwickelt wird. Man kann mit zirka 40 Prozent Effizienzgewinn durch Tandemstrukturen rechnen.
„Tandemstrukturen bringen 40 Prozent mehr Effizienz.“
"photovoltaik": Martin Green: Wenn man also 12 Prozent von dem Grundmaterial erwarten kann und man 40 Prozent gewinnt, ergibt das 16 oder 17 Prozent Effizienz für einen Zwei-Zellen-Stapel.
"photovoltaik": Was haben sie bisher erreicht?
Martin Green: Wir haben zwei wichtige Nachweise erbracht, dass das Konzept funktionieren kann. Der erste zeigt, dass wir die optischen Eigenschaften des Materials steuern können, indem wir die Größe der Quantenpunkte variieren. Auf der PVSEC präsentieren wir den Nachweis, dass sich auch die elektronischen Eigenschaften entsprechend verhalten. Jetzt arbeiten wir daran, voll funktionsfähige Bauteile herzustellen.
Was steckt auf lange Sicht in der Technologie, wenn man mehr und mehr Quantenpunktschichten stapelt?
"photovoltaik": Martin Green: Es zeigt sich, dass – wenn man unendlich viel Zellen aus unterschiedlichem Material aufeinander stapeln würde – die limitierende Effizienz im Prinzip bei 68 Prozent liegt. Aber ich denke, dass sich in etwa 20 Jahren in realen Zellen vielleicht so etwas wie 30 Prozent Wirkungsgrad erreichen lassen, indem man Stapel aus Quantenpunktzellen nutzt.
| Kristallines Silizium auf Glas |
Quantenpunktzellen sind wie geschaffen, mit einer Dünnschichttechnologie kombiniert zu werden, die auch Martin Green an der University of New South Wales entwickelt hat und die nach ihrer englischen Schreibweise „ crystalline Silicon on Glass“ CSG abgekürzt wird. Dabei werden wie bei amorpher Dünnschichttechnik dünne Schichten auf Glas mit den richtigen Dotierungen (p+,p,n) abgeschieden. Die Winkel zwischen den vier Bindungen der Siliziumatome sind in der amorphen Form unregelmäßig und Wasserstoff lagert ein. Werden sie jedoch auf 600 Grad erhitzt, kristallisieren die Atome, wodurch sie zumindest in kleinen Bereichen eine regelmäßige Struktur annehmen und einen polykristallinen Film bilden. Damit lassen sich Wirkungsgrade bis 10,4 Prozent erreichen. Die Qualität der ursprünglich abgeschiedenen Schicht ist nicht so entscheidend wie bei amorphen Zellen, so dass im Prinzip höhere Abscheideraten möglich sind. Dazu muss man wissen, dass langsame Abscheideraten ein erheblicher Kostenfaktor sind, da sie die Produktion bremsen. 1995 gründeten die University of New South Wales und der Elektrizitätsversorger Pacific Power, die Firma Pacific Solar zur Weiterentwicklung der Technologie. 2004 verkaufte sie die Rechte daran an CSG Solar, an der Q-Cells beteiligt ist und die im sachen-anhaltinischen Thalheim sitzt. Die Firma baut an einer Produktionslinie mit nominell 25 Megawatt Jahreskapazität. Ende des Jahres will sie umgerechnet 13 Megawatt Jahreskapazität erreicht haben. Martin Green ist immer noch beteiligt. Er sitzt im Aufsichtsrat. |
"photovoltaik": Wird es nicht zu teuer sein, Quantenpunktzellen herzustellen?
Martin Green: Nein, wir können Quantenpunktzellen mit Technologien herstellen, die denen ähnlich sind, mit denen wir heute Dünnschichtzellen machen. Wir scheiden dabei einen Stapel Schichten ab, in dem die Schichten alternieren. Eine Schicht ist ein reines dielektrisches Siliziummaterial wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid. Wir scheiden diese Schicht sehr dünn, nur einige Nanometer dick, ab und darauf dann eine ä hnliche Schicht, nur dass diese im Überschuss Silizium enthält. Dann wieder eine Schicht aus reinem dielektrisches Siliziummaterial, dann eine mit Silizium im Überschuss, und so weiter. Wenn wir Schichten danach aufheizen, bleibt das überschüssige Silizium zwar in den Schichten, in die wir es gegeben haben, bildet aber Quantenpunkte, deren Größe von der Dicke der Schicht bestimmt wird.
"photovoltaik": Wie lange wird es dauern, bis es eine Quantenpunkt- Tandemzelle gibt?
Martin Green: Es dauert lange, um eine Technologie vom Labor in die Produktion zu bekommen. Es ist also noch ein weiter Weg. Und wir ringen immer noch mit dem Nachweis der Machbarkeit, haben also noch keinen Entwurf einer Zelle, die wir für die Produktion empfehlen könnten. Wir vermuten, dass wir noch fünf Jahre forschen müssen, bis wir beginnen wollen, mit Unternehmen zusammen zu arbeiten, die diese Idee kommerziell verwenden wollen. Und die Unternehmen werden dann wohl auch noch fünf Jahre benötigen, um ein Produkt zu entwickeln. Wir sagen deshalb oft, dass wir an Technologien für 2020 arbeiten.
Das Gespräch für die "photovoltaik" führte Michael Fuhs. Der Solarserver bedankt sich bei der Verlagsgemeinschaft Alfons W. Gentner Verlag und Solarpraxis AG für das Recht zur Publikation im Internet.
