HZB steigert Wirkungsgrad ultradünner CIGSe-Zellen

Rekord in der Kurzschlussstromdichte

Ultradünne CIGSe-Solarzellen brauchen zwar weniger Material und Energie bei der Herstellung – allerdings sinkt auch ihr Wirkungsgrad, je dünner sie sind. Mit Nanostrukturen auf der Rückseite lässt sich das verhindern, belegte jetzt einer Medienmitteilung zufolge eine Forschungsgruppe vom Helmholtz-Zentrum Berlin zusammen mit einem Team aus den Niederlanden (AMOLF). Die Forscher erzielten einen neuen Rekord in der Kurzschlussstromdichte bei den ultradünnen CIGSe-Zellen.

[note Dünnschicht-CIGSe-Solarzellen aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen, die in einer Chalkopyrit-Kristallstruktur angeordnet sind, besitzen im Vergleich zu den marktführenden Solarmodulen aus Silizium einige Vorteile und können im Labor Wirkungsgrade von bis zu 22,6 Prozent erreichen. Unter anderem lassen sie sich mit weniger Energie herstellen und haben geringere Einbußen bei Verschattung.]

Indium eingespart

Die Massenproduktion von CIGSe-Zellen würde jedoch große Mengen Indium erfordern. Indium zählt aber zu den seltenen Elementen. Ein interessanter Ansatz ist daher, CIGSe-Dünnschichten noch deutlich dünner zu machen. Während eine typische CIGSe-Dünnschicht-Solarzelle 2-3 Mikrometer dick ist, misst eine „ultradünne“ Schicht weniger als 0,5 Mikrometer und kommt für die gleiche Modulfläche mit einem Bruchteil an Indium aus. Allerdings absorbieren ultradünne Solarzellen auch wesentlich weniger Licht, was den Wirkungsgrad stark verringert.

Nanostrukturierte Rückkontakte fangen das Licht ein

Nun hat die Forschungsgruppe Nanooptix am HZB von Prof. Martina Schmid gezeigt, wie sich die Absorptionsverluste in ultradünnen CIGSe-Schichten größtenteils verhindern lassen. Gemeinsam mit dem Team von Prof. Albert Polman am Institute for Atomic and Molecular Physics (AMOLF), Niederlande, haben sie nanostrukturierte Rückkontakte entwickelt, die das Licht einfangen: Diese Nanostruktur besteht aus einem regelmäßigen Muster aus Siliziumoxidpartikeln auf einem ITO-Substrat.

Beste ultradünne Zelle kommt fast an Leistung einer “normalen” CIGSe-Dünnschicht heran

Kombiniert mit einer reflektierenden Schicht erreichte die beste ultradünne CIGSe-Zelle eine Kurzschlussstromdichte von 34,0 mA/cm2. Dies ist der bislang höchste Wert, der jemals an einer ultradünnen CIGSe-Zelle gemessen wurde. Mehr noch: Dies entspricht bereits 93 Prozent der Kurzschlussstromdichte der Rekord-CIGSe-Zelle mit üblicher Dicke.

Außerdem verbessern die Nanostrukturen auch die elektrischen Eigenschaften der Zelle und steigern den Wirkungsgrad im Vergleich zu Zellen ohne nanostrukturierte Rückkontakte auf das Anderthalbfache.

„Damit haben wir gezeigt, dass Nanostrukturen bei ultradünnen CIGSe-Solarzellen sowohl die optische Absorption verstärken als auch einige elektrische Aspekte günstig beeinflussen“, sagt Guanchao Yin, Erstautor der Publikation. „Diese Ergebnisse belegen, dass optoelektronische Nanostrukturen eine interessante Möglichkeit sind, um hohe Wirkungsgrade mit deutlich weniger Materialeinsatz zu erreichen“, sagt Schmid, die nun als Professorin für „Experimentelle Physik“ an die Universität Duisburg wechselt.

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