ISE: Ultradünne Solarzellen erreichen fast 20% Effizienz

Nature Energy veröffentlicht Paper von Fraunhofer ISE und Centre de Nano-Sciences et de Nanotechnologies

Forschern des französischen Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) ist es in Zusammenarbeit mit Forschern des Fraunhofer ISE und anderen gelungen, Sonnenenergie in einer Solarzelle äußerst effizient einzufangen, dank einer ultradünnen Absorptionsschicht aus 205 Nanometer dickem Galliumarsenid (GaAs) und einem nanostrukturierten Spiegel. Mit diesem neuen Herstellungsverfahren wurde ein Wirkungsgrad von fast 20% erreicht – so das am 06.08.2019 in Nature Energy publizierte Ergebnis.

Bisher benötigten die hochmodernen, 20%-effizienten Solarzellen aus GaAs mindestens 1 Mikrometer dicke Schichten aus Halbleitermaterial, beim Silizium sogar 40 µm oder mehr. Die Verdünnung des Absorbers reduziert automatisch die Absorption von Sonnenlicht und die Umwandlungseffizienz. Ein flacher Spiegel auf der Rückseite der Zelle kann helfen und zu einer Doppelpass-Absorption führen, aber nicht mehr. Eine stärkere Dickenreduzierung würde jedoch Materialeinsparungen bei knappen Materialien und Verbesserungen des industriellen Durchsatzes durch kürzere Depositionszeiten ermöglichen. Aber frühere Versuche der Lichtabsorptionstechnik wurden durch die optischen und elektrischen Verluste in der Leistung stark eingeschränkt.

Ultradünne Solarzelle aus GaAs – (links) Skizze einer ultradünnen Solarzelle aus GaAs mit einem nanostrukturierten Rückspiegel. (rechts) Foto einer Probe, die die Beugungswirkung eines nanostrukturierten Spiegels in der Luft (farbiger Glanz) und die Absorptionsverbesserung bei ultradünnen Solarzellen (quadratische schwarze Flächen) zeigt – © C2N / H-L Chen & al.

 

Forscher des Teams um Stéphane Collin am Centre for Nanoscience and Nanotechnology – C2N (CNRS/Université Paris-Saclay) haben gemeinsam mit dem Fraunhofer ISE eine neue Strategie entwickelt, um Licht in ultradünnen Schichten aus nur 205 nm dickem Galliumarsenid, einem Halbleiter der III-V-Familie, einzufangen. Die Leitidee war es, einen nanostrukturierten Rückseitenspiegel zu konzipieren, um mehrere überlappende Resonanzen in der Solarzelle zu erzeugen, die als Fabry-Perot- und Guided-Mode-Resonanzen bezeichnet werden. Sie begrenzen das Licht, um länger im Absorber zu bleiben, was trotz der geringen Materialmenge zu einer effizienten optischen Absorption führt. Dank zahlreicher Resonanzen wird die Absorption über einen großen Spektralbereich verbessert, der das Sonnenspektrum vom Sichtbaren bis zum Infrarot abdeckt. Die Kontrolle der Herstellung von strukturierten Spiegeln im Nanometerbereich war ein wichtiger Bestandteil des Projekts. Mit Hilfe der Nanoimprint-Lithographie druckte das Team einen Sol-Gel-basierten Film aus Titandioxid direkt, eine kostengünstige, schnelle und skalierbare Technik.

“Gemeinsam mit unseren französischen Partnern freuen wir uns sehr über dieses Ergebnis und seine Veröffentlichung in der renommierten Zeitschrift “Nature Energy”, sagt Frank Dimroth, Leiter der Abteilung “III-V Photovoltaik und Konzentratortechnik” am Fraunhofer ISE. Und er fügt hinzu: “Wir gehen davon aus, den Wirkungsgrad von ultradünnen Solarzellen noch weiter verbessern zu können”. Die in Nature Energy veröffentlichte Arbeit zeigt, dass diese Architektur kurzfristig eine Effizienz von 25% ermöglichen könnte. Auch wenn die Grenzen noch unbekannt sind, sind die Forscher überzeugt, dass die Stärke ohne Effizienzverlust weiter reduziert werden könnte, zumindest um den Faktor zwei. GaAs-Solarzellen sind aus Kostengründen immer noch kommerziell auf Raumanwendungen beschränkt. Allerdings arbeiten die Forscher bereits daran, dieses Konzept für die großflächige Photovoltaik aus z.B. CdTe, CIGS oder Siliziummaterialien zu erweitern.

Abstract des Artikels in Nature Energy (2019)

“Herkömmliche photovoltaische Bauelemente werden derzeit aus relativ dicken Halbleiterschichten hergestellt, ~150 µm für Silizium und 2-4 µm für Cu(In,Ga)(S,Se)2, CdTe oder III-V direkte Bandlückenhalbleiter. Ultradünne Solarzellen mit 10mal dünneren Absorbern können zu erheblichen Material- und Verarbeitungszeiteinsparungen führen. Theoretische Modelle deuten darauf hin, dass die Lichtabsorptionstechnik die reduzierte Single-Pass-Absorption kompensieren kann, aber optische und elektrische Verluste haben die Leistungen früherer Versuche stark eingeschränkt. Hier schlagen wir eine Strategie vor, die auf multi-resonanter Absorption in planaren aktiven Schichten basiert, und berichten über eine 205 nm dicke GaAs-Solarzelle mit einem zertifizierten Wirkungsgrad von 19,9%. Sie verwendet einen nanostrukturierten Silberspiegel, der mittels weicher Nanodruck-Lithographie hergestellt wird. Die breitbandige Lichtabsorptionstechnik wird mit mehreren überlappenden Resonanzen erreicht, die durch das Gitter induziert und als Fabry-Perot- und Guided-Mode-Resonanzen identifiziert werden. Eine umfassende optische und elektrische Analyse der gesamten Solarzellenarchitektur bietet einen Weg für weitere Verbesserungen und zeigt, dass ein Wirkungsgrad von 25% ein realistisches kurzfristiges Ziel ist.”

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