Das Hemholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat ultradünne CIGSe-Solarzellen mit winzigen Nanoteilchen auf der Rückseite entwickelt, um den Wirkungsgrad zu steigern. Die Dünnschicht-Zellen sind aus Kupfer, Indium, Gallium und Selenid aufgebaut. Die Nanoteilchen mit Durchmessern von einigen huntern Nanometern reagierten auf Licht in besonderer Weise. Martina Schmid mit der Nachwuchsgruppe Nanooptische Konzepte für die Photovoltaik am HZB habe nun an der optimalen Anordnung solcher Nanoteilchen unter anderem in ultradünnen CIGSe-Solarzellen geforscht.
CIGSe-Solarzellen erreichen hohe Wirkungsgrade und sind als Solarmodule mit Schichtdicken von einigen Mikrometern bereits kommerziell erhältlich. Doch Indium zählt zu den seltenen und teuren Elementen, so dass die Absorberschichten deutlich dünner werden sollten, was aber gleichzeitig den Wirkungsgrad verringert, wie es beim HZB. Zudem habe es ein weiteres Problem gegeben, da unterhalb von einem Mikrometer Dicke der Schicht die Ladungsträger häufiger aufeinandertreffen und am Rückkontakt rekombinieren.
„Es dauerte mehr als ein Jahr, bis es mir gelang, ultradünne CIGSe-Schichten von nur 0,46 Mikrometern (460 Nanometer) herzustellen, die noch akzeptable Wirkungsgrade von bis zu 11,1 Prozent erreichen“, sagt Guanchao Yin, der seine Doktorarbeit im Team von Martina Schmid abschloss. Danach seien die Nanoteilchen eingefügt worden, um den Wirkungsgrad der ultradünnen CIGS-Zelle zu steigern. Dafür arbeitete das HZB-Team mit den Wissenschaftlern am Center for Nanooptics in Amsterdam zusammen.
Bei den gemeinsamen Tests zeigte sich dann, dass die Nanoteilchen auf der Vorderseite nur wenig effektiv waren und hinter der Absorberschicht, direkt auf dem Rückkontakt am besten funktionierten. Dort hätte sie den Wirkungsgrad auf 12,3 Prozent steigend können und gleichzeitig habe die Kurzschluss-Stromdichte der ultradünnen Solarzellen weiter zugenommen. Mit zusätzlichen Antireflektions-Nanoteilchen auf der Vorderseite ließ sich der Wirkungsgrad sogar auf bis zu 13,1 Prozent steigern, wie die Berliner Forscher weiter berichten. “Die Nanoteilchen auf der Rückseite fangen das Licht und streuen es effizient zurück in die aktive CIGSe-Schicht, deren Absorption dadurch erhöht wird”, erklärt Yin. Es gebe zudem Hinweise, dass die Rekombination von Ladungsteilchen damit eingeschränkt werde. Insgesamt habe das HZB-Team erstmals experimentell zeigen können, dass sich der Wirkungsgrad von CIGSe-Solarzellen mit Nanoteilchen steigern lasse. (Sandra Enkhardt)
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Darstellung: HZB
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