Um Solarstrom zu weitherum erschwinglichen Preisen zur
Verfügung stellen zu können, arbeiten Ingenieure und
Wissenschaftler weltweit an der Entwicklung kostengünstiger
Herstellungsverfahren. Flexible Dünn-schichtsolarzellen haben
ein enormes Potenzial, da sie deutlich weniger Material
benötigen und durch Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren in
grossen Mengen produziert werden können. Eine dieser
Technologien beruht auf Cadmiumtellurid (CdTe), das Sonnenlicht in
Elektrizität umwandelt. Mit dem aktuell zweitgrössten
Marktanteil (hinter Silizium-basierten Solarmodulen) sind
CdTe-Solarzellen in der Herstellung bereits heute am
günstigsten. Die starren CdTe-Zellen auf Glas, auch
«Superstrat»-Solarzellen genannt, haben jedoch einen
Nachteil: Sie benötigen ein transparentes Trägermaterial,
das Sonnenlicht zur Licht absorbierenden CdTe-Schicht
durchlässt – und schränken somit die Auswahl der
Trägermaterialien massiv ein.
Liesse sich der mehrschichtige Aufbau der CdTe-Solarzellen
umkehren, könnte man auch flexible Folien, etwa aus Metall,
als Trägermaterial nutzen – und dadurch die
Herstellungskosten noch weiter senken. In dieser so genannten
Substrat-Konfiguration dringt das Licht von der
«anderen» Seite in die Zelle ein, ohne dabei das
Trägermaterial durchdringen zu müssen. Das Problem ist
jedoch, dass in der Substrat-Konfiguration aufgebaute
CdTe-Solarzellen auf Metallfolie bislang nur äusserst
bescheidene Wirkungsgrade, weit unter acht Prozent, aufweisen. Zum
Vergleich: Eine im Labormassstab hergestellte starre
Superstrat-CdTe-Solarzelle auf Glas erreichte vor kurzem eine
Rekordeffizienz von 19,6 Prozent. (Handelsübliche CdTe-Module
in der Superstrat-Konfiguration erreichen Wirkungsgrade zwischen 11
und 12 Prozent.)
Kupfer-«Doping» von Solarzellen
Eine Möglichkeit zur Steigerung des niedrigen Wirkungsgrades
von CdTe-Solarzellen in der Substrat-Konfiguration ist die
p-Dotierung (engl. doping) der Halbleiterschicht mit Metallen wie
Kupfer (Cu). Dies würde sowohl die Dichte der
«Löcher» (positive Ladungsträger) als auch
deren Lebensdauer erhöhen und somit zu einer Zunahme der
photovoltaischen Leistung, der Menge des in elektrische Energie
umgewandelten Lichts, führen. Eigentlich die perfekte
Lösung, wenn CdTe nicht so schwer zu dotieren wäre.
«Es wurde bisher immer wieder vergeblich versucht,
CdTe-Solarzellen in der Substrat-Konfigurationen zu
dotieren», erklärt Ayodhya Nath Tiwari, Leiter des
Labors für Dünnfilme und Photovoltaik an der Empa.
Sein Team beschloss trotzdem, es nochmals zu versuchen, indem die
Forscher Kupfer durch Hochvakuum-bedampfung auf die CdTe-Schicht
auftrugen. Anschliessend erhitzten sie die Proben, damit die
Cu-Atome in das CdTe eindringen konnten. Die Wissenschaftler
erkannten bald, dass sie die Kupfermenge genauestens kontrollieren
mussten: Verwendeten sie zu wenig Kupfer, liess sich die Effizienz
nicht steigern; wenn sie die Zellen
«überdotierten», ebenso.
Die elektronischen Eigenschaften verbesserten sich jedoch massiv,
als Lukas Kranz, ein Doktorand in Tiwaris Labor, gemeinsam mit
Christina Gretener und Julian Perrenoud, die Menge der
Cu-Aufdampfung genau so einstellte, dass sich eine monoatomare
Schicht auf dem CdTe ergab. «Die Wirkungsgrade stiegen
dramatisch von knapp unter einem Prozent auf über 12 Prozent
an,» so Kranz. Der Höchstwert lag bei 13,6 Prozent
für eine CdTe-Solarzelle auf Glas; auf Metallfolien erreichte
das Empa-Team Wirkungsgrade von bis zu 11,5 Prozent.
Die 20-Prozent-Grenze als Fernziel
Zurzeit sind die höchsten Wirkungsgrade von flexiblen
CdTe-Solarzellen auf Metallfolie noch immer tiefer als diejenigen
flexibler Superstrat-Zellen auf speziellen (und daher teuren)
transparenten Polyimidfolien, die Tiwaris Team 2011 entwickelte.
Aber, so Co-Autor Stephan Bücheler, Gruppenleiter in Tiwaris
Labor: «Unsere Ergebnissen deuten darauf hin, dass sich mit
der Substrat-Technologie der Wirkungsgrad in Zukunft noch deutlich
weiter steigern lässt.» Ein erstes Ziel wären 15
Prozent. «Ich bin allerdings davon überzeugt, dass das
Material das Potenzial für Wirkungsgrade von über 20
Prozent hat.» Als nächstes werde man sich darauf
konzentrieren, die so genannte Fensterschicht über dem CdTe,
einschliesslich des elektrischen Frontkontakts, dünner zu
gestalten. Dadurch würde diese weniger Licht absorbieren und
mehr Sonnenlicht in die CdTe-Schicht durchlassen. «Die
optischen Verluste reduzieren», wie Tiwari es nennt.
Die Studie wurde vom Schweizer Nationalfonds (SNF) und dem
Kompetenzzentrum Energie und Mobilität des ETH-Bereichs
(CCEM-Dursol) unterstützt.
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