Strom von oben und unten: Bifaziale Solarzelle mit Rekordwirkungsgrad

Bifaziale Solarzellen erzeugen gleich doppelt Strom. Zum einen wandeln sie das direkt einfallende Sonnenlicht um, zum anderen auch das, was von der Umgebung oder dem Boden reflektiert wird, und zwar mit der Unterseite. Bisher kamen derartige Zellen allerdings über einen Wirkungsgrad von 16 Prozent nicht hinaus, lagen also weit hinter Siliziumzellen zurück, die nur an ihrer Oberseite Strom erzeugen.

Wissenschaftler am interdisziplinären Forschungsinstitut für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (Empa) haben jetzt Abhilfe geschaffen. Mit insgesamt gut 30 Prozent übertreffen sie die besten Siliziumzellen deutlich. Das ist einem neuen Herstellungsverfahren zu verdanken.

Hohe Temperaturen mindern den Ertrag

Bisher werden die aktiven Schichten von bifazialen Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) bei einer Temperatur von mehr als 550 Grad Celsius auf der Unterlage abgeschieden. Bei diesen Temperaturen reagieren das Gallium in der CIGS-Schicht und der Sauerstoff des transparenten Rückkontakts miteinander. Die daraus resultierende Galliumoxid-Grenzschicht blockiert den Fluss des Solarstroms und verringert somit die Energieumwandlungseffizienz der Zelle.

Galliumoxid wirkt als Strombremse

„Es ist wirklich schwierig, eine hohe Effizienz bei Solarzellen mit transparenten leitenden Kontakten sowohl auf der Vorder- wie auch auf der Rückseite zu erreichen“, sagt Ayodhya N. Tiwari, Leiter des Empa-Labors für Dünnschicht und Photovoltaik. In seinem Labor entwickelte er deshalb gemeinsam mit seinem Doktoranden Shih-Chi Yang einen Niedertemperatur-Abscheidungsprozess, der die Bildung von Galliumoxid behindern oder gar völlig vereiteln sollte. Dazu reicherten die Forscher den CIGS-Rohstoff mit einer kleinen Prise Silber an. Derart veredelt ließen sich die aktiven Schichten bereits bei einer Temperatur von 353 Grad abscheiden.

Alle Hindernisse waren verschwunden

Der Effekt übertraf noch die Erwartungen. Als sie die Mehrschichtstruktur mit Hilfe von Tiwaris ehemaligem Postdoc Tzu-Ying Lin, der zur Zeit an der „National Tsing Hua University“ in Taiwan arbeitet, mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie analysierten, entdeckten sie keinerlei Galliumoxid an der Grenzfläche mehr. Die Zelle wandelte auf der Vorderseite 19,8 Prozent des Sonnenlichts in elektrische Energie um und 10,9 Prozent auf der Rückseite. Die Werte bestätigte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg.

via EMPA