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Forschungszentrum Jülich

Durchsichtige Nanoschichten für bessere Solarzellen

19. April 2021, 16:38 Uhr   |  Ralf Higgelke

Durchsichtige Nanoschichten für bessere Solarzellen
© Forschungszentrum Jülich

Prototyp der fertigen TPC-Solarzellen (Transparent Passivating Contact). Auf dem Siliziumwafer sind vier jeweils vier Quadratzentimeter große Solarzellen zu sehen, die jeweils mit siebgedruckten Silberkontakten kontaktiert und eingerahmt sind.

Bei Solarzellen endet der Wirkungsgrad wegen der Rekombination von Ladungsträgern derzeit bei etwa 23 Prozent. Mitarbeiter:innen des Forschungszentrums Jülich haben ein nanostrukturiertes Material und ein neues Zelldesign entworfen, mit dem mehr als 26 Prozent möglich sein könnte.

Über die Jahrzehnte haben Forschende Silizium-Solarzellen stetig verbessert, sodass sie bereits einen sehr hohen Entwicklungsstand erreicht haben. Doch noch immer tritt nach der Absorption des Sonnenlichts und der photovoltaischen Erzeugung von elektrischen Ladungsträgern der störende Effekt der Rekombination auf. Dabei vereinen sich bereits erzeugte negative und positive Ladungsträger und löschen sich gegenseitig aus, bevor sie für den Fluss von Solarstrom genutzt werden konnten. Dagegen helfen spezielle Materialien, die eine besondere Eigenschaft – eine Passivierung – aufweisen.

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

Ein erster Prototyp der Jülicher TPC-Solarzelle (Transparent Passivating Contact) erreichte im Labor einen Wirkungsgrad von 23,99 Prozent (±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 zwar 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.

Forschungszentrum Jülich, Solarzelle, Transparent Passivating Contact
© Forschungszentrum Jülich

Schichtfolge der neuen Solarzellen mit durchsichtigen Frontalschichten (TPC, Transparent Passivating Contacts) auf einem Wafer mit zufälliger Pyramidenstruktur. Der graue Bereich entspricht dem n-dotierten kristallinem Siliziumwafer, die hellblaue Schicht ist das nasschemisch gewachsene Siliziumdioxid, die rote Schicht entspricht dem passivierenden Siliziumkarbid, gefolgt von dem leitendem Siliziumkarbid in Orange. Die grüne, abschließende Schicht entspricht dem Indiumzinnoxid.

Leichte Überführung in die Massenfertigung

»Zudem haben wir bei der Fertigung nur Verfahren angewendet, die sich relativ schnell in eine Serienproduktion integrieren lassen«, betont Ding den Vorteil gegenüber anderen Forschungsansätzen. Mit dieser Strategie lassen sich diese neuen Solarzellen aus dem Labor ohne allzu großen Aufwand in einer industriellen Solarzellfertigung im großen Maßstab übernehmen.

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

Originalveröffentlichung

Malte Köhler et al., A silicon carbide-based highly transparent passivating contact for crystalline silicon solar cells approaching efficiencies of 24%, Nature Energy, 15. April 2021, DOI: 10.1038/s41560-021-00806-9

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