Effiziente Dünnfilm-Solarzellen

Forscher am MIT haben neuartige Silizium-Solarzellen in Dünnfilmtechnik gezeigt, die deutlich effizienter und billiger als aktuelle Typen sind. Lionel Kimerling, Professor für Material- und Ingenieurwissenschaften und seine Kollegen präsentierten die ersten Prototypen jetzt auf einem Treffen der Materials Research Society in Boston.

Das Design der Forscher kombiniert Reflektoren mit hohem Wirkungsgrad auf der Rückseite der Zellen mit einer Antireflexionsbeschichtung auf der Vorderseite. Das hilft, zusätzliches rotes und nahinfrarotes Licht im Silizium einzufangen, das dann zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Das Forscherteam lizenziert eine ähnliche Technologie an das Start-up StarSolar aus Cambridge.

Die Forscher brachten ihre neuartige Lichteinfangtechnik auf Dünnfilm-Solarzellen auf, die rund fünf Mikrometer dick sind. Ihr Prototyp wird dadurch 15 Prozent effizienter bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität als kommerzielle Dünnfilm-Solarzellen. Projektleiter Peter Bermel, der StarSolar-Technologiechef, meint, dass detaillierte Computersimulationen noch wesentlich höhere Wirkungsgradschübe versprechen.

Dünnfilm-Solarzellen aus Silizium könnten billiger als konventionelle Komponenten ausfallen, weil sie deutlich weniger Material benötigen. Herkömmliche Zellen verwenden Silizium-Wafer mit einer Dicke von über 100 Mikrometern, während Dünnfilm-Versionen nur wenige Mikrometer benötigen. Das Problem: Die Dünnfilm-Technik sorgt für eine reduzierte Stromumwandlungsleistung. Der Grund: Rote und nahinfrarote Photonen bleiben nicht lange genug im Material, um absorbiert werden zu können.

Heutige Solarzellen sind deshalb mit einem Metallrücken versehen, der typischerweise aus Aluminium besteht und Licht reflektiert. Diese Technik arbeitet allerdings nicht besonders wirkungsstark: Von dem Licht innerhalb der Solarzelle gehen 30 Prozent jedes Mal verloren, wenn es vom Metall reflektiert wird.

Statt Metall zu verwenden, entwickelten die MIT-Forscher deshalb eine neue Beschichtung, die effizienter im Reflektieren und Einfangen von Licht ist. Als erstes ätzten sie eine Anzahl von Bergen und Tälern hinein, das so genannte Grating. Darauf wurde wiederum ein photonischer Kristall aufgebracht – eine periodische Struktur, die aus verschiedenen alternierenden Schichten aus Silizium und Siliziumdioxid besteht.

Dieser photonische Kristall reflektiert Licht, während das Grating es zurück in das Silizium schickt – in einem geringen Winkel. Das sorgt dafür, dass das Licht im Material hin und her geworfen wird und nicht so leicht entkommen kann. Je länger das Licht hier verbleibt, desto wahrscheinlicher ist die Absorption und Umwandlung in Strom.

"Die Arbeit zeigt die große Wichtigkeit der Steigerung der Leistungsfähigkeit der Dünnfilmtechnologie ", sagt Stephen Saylor, CEO von SiOnyx im amerikanischen Beverly, die ebenfalls in dem Sektor arbeitet. Die Firma nutzt einen anderen Ansatz zur Erhöhung des Absorptionsvermögens von rotem und nahinfrarotem Licht bei Silizium-Komponenten. Das schwarze Silizium-Material des Unternehmens hat eine Oberfläche mit einer Rauheit im Nanobereich, die dabei hilft, alles sichtbare und infrarote Licht zu absorbieren. Das Potenzial des Materials für Solarzellen wurde allerdings bislang noch nicht öffentlich demonstriert.

Am Ames Laboratory in Iowa untersuchen der Physiker Rana Biswas und seine Kollegen unterdessen die Verwendung photonischer Kristalle zur Herstellung amorpher Silizium-Solar-Zellen mit besserem Wirkungsgrad. Ihr Kristallmaterial besteht aus einem Gitter kleiner Silizium-Zylinder innerhalb einer Indium-Zinn-Oxid-Schicht. Es könnte die Effizienz von Solarzellen mit einem Maximum von 15 Prozent steigern. Der Vorteil: Die amorphen Zellen sind nur 0,5 Mikrometer dick, ein Zehntel der Größe der MIT-Technik. "Amorphe Silizium-Film-Solarzellen benötigen grundsätzlich wesentlich weniger Material, was die Kosten senkt", sagt Biswas. Sie könnten außerdem auf Kunststoff aufgebracht werden. "Das ist ein großes Plus."

Die MIT-Forscher zielen darauf ab, Dünnfilm-Solarzellen herzustellen, die gut genug sind, um mit konventionellen Zellen mithalten zu können. Durch die Optimierung der photonischen Kristalle und die Grating-Struktur könnte der maximale Wirkungsgrad auf 13 Prozent erhöht werden. Das wäre vergleichbar mit den 13 bis 15 Prozent herkömmlicher Zellen.

Noch ist die Technik allerdings nicht praktisch einsetzbar. Die Forscher nutzen eine teure Technik namens Interferenz-Lithographie, um das Grating herzustellen. Außerdem werden die alternierenden Schichten im Reflektor einzeln aufgebracht, was sehr lange dauert. Die Forscher müssen deshalb zunächst eine konkurrenzfähige Herstellungstechnik für die Massenproduktion finden. "Die ultimative Frage liegt stets in der Skalierbarkeit", sagt Saylor. Nur solche Lösungen könnten sich am Markt durchsetzen.

StarSolar-Mann Bermel meint, dass sein Team bereits nach neuen Produktionsmethoden sucht. Eine davon ist die so genannte "Nanoimprint"-Lithographie. "Eine Erhöhung des Wirkungsgrades um 35 Prozent lässt sich damit aus den Simulationen klar herauslesen", sagt er. Die Herausforderung sei nun, dies auch praktisch umzusetzen. "Daran arbeiten wir." (bsc)