Die transparente und leitfähige Nanoschicht soll die Rekombination reduzieren. Einen Wirkungsgrad von fast 24 Prozent hat die Solarzelle mit Nanotechnologie im Labor bereits erreicht. Mehr als 26 Prozent sollen mit der Technologie möglich sein.

Die sogenannte Rekombination tritt auf, nachdem Sonnenlicht in der Solarzelle elektrische Ladungsträger mobilisiert hat. Anstatt zu einem Stromfluss zu führen, neutralisieren sich einige positive und negative Ladungsträger gegenseitig. Das mindert die Erzeugung von Solarstrom. Die sogenannte Passivierung mit speziellen Materialien wirkt diesem Effekt entgegen.

„Unsere nanostrukturierten Schichten bieten genau diese gewünschte Passivierung“, sagt der mittlerweile promovierte Doktorand und Erstautor Malte Köhler vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-5). Zusätzlich haben die Schichten eine hohe elektrische Leitfähigkeit und sind transparent – der Lichteinfall wird also kaum reduziert. „Kein anderer Entwicklungsansatz vereint bisher diese drei Eigenschaften – Passivierung, Transparenz, Leitfähigkeit – so gut wie unser neues Design“, sagt Kaining Ding, Leiter der Jülicher Arbeitsgruppe.

Ein erster Prototyp der Solarzelle mit dem Transparent Passivating Contact (TPC) erreichte im Labor einen Wirkungsgrad von 23,99 Prozent. Die Messungenauigkeit liegt bei +/- 0,29 Prozent. Dieser Wert wurde auch von dem unabhängigen CalTeC-Prüflabor des Instituts für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) bestätigt. Damit rangiert die Jülicher TPC-Solarzelle noch etwas unter den bisher besten Laborzellen aus kristallinem Silizium. Doch parallel durchgeführte Simulationen haben gezeigt, dass mit der TPC-Technologie Wirkungsgrade von mehr als 26 Prozent möglich sind. Verschiedene Forschungsgruppen arbeiten daran, den Wirkungsgrad von Siliziumzellen immer näher an das physikalische Maximum zu treiben.

Nur serientaugliche Verfahren genutzt

„Zudem haben wir bei der Fertigung nur Verfahren angewendet, die sich relativ schnell in eine Serienproduktion integrieren lassen“, betont Ding. So will das Jülicher Forschungsteam dafür sorgen, dass die Entwicklung aus dem Labor ohne allzu großen Aufwand in einer industriellen Solarzellfertigung im großen Maßstab übernommen werden kann.

Für die Fertigung der TPC-Schichten waren mehrere Prozessschritte notwendig. Auf einer dünnen Lage aus Siliziumdioxid deponierten die Forscher eine Doppelschicht pyramidenförmiger Nanokristalle aus Siliziumkarbid. Diese wurden bei zwei unterschiedlichen Temperaturen aufgetragen. Zum Abschluss folgte eine durchsichtige Lage aus Indiumzinnoxid. Dabei wendeten Ding und sein Team nasschemische Verfahren, eine Ablagerung aus der Dampfphase (Chemical Vapour Deposition, CVD) und einen sogenannten Sputter-Prozess an.

Details zu der Technologie sind in einem Artikel in Nature Energy veröffentlicht.

Internationale Zusammenarbeit

Um die neue Solarzelle mit Nanotechnologie zu entwickeln, haben die Jülicher Forscher vom IEK-5 und des Jülicher Ernst-Ruska Zentrums für Elektronenmikroskopie eng mit mehreren Instituten in den Niederlanden, China, Russland und Ecuador zusammengearbeitet. Zu den Partnern zählen Forschende der RWTH Aachen, der Universität Duisburg-Essen, der Technischen Universitäten Delft und Eindhoven, der Universidad San Francisco de Quito, der Universität und des Kutateladze Institute of Thermophysics in Novosibirsk und der Sun Yat-Sen Universität in Guangzhou. In weiteren Schritten will die Arbeitsgruppe um Kaining Ding die Stromausbeute ihrer TPC-Solarzellen weiter optimieren. Man rechne mit einem großen Interesse der Solarzellen-Hersteller an der Technologie, sagt Ding.

16.04.2021 | Quelle: FZ Jülich | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH