Forscher erzielen Erfolge für günstigere Dünnschicht-Photovoltaik

Der Forschungsverbund „TCO4CIGS“ arbeitet fieberhaft an der Verbesserung verschiedener Solarzellen-Technologien. Dabei gehe es ihnen um die der sogenannten TCO-Schicht, einer transparenten und zugleich leitfähigen Metalloxidschicht, die ein wesentlicher Bestandteil von CIGS-Dünnschicht-Solarzellen ist. Sie transportiere mit hoher Leitfähigkeit die gesammelten Ladungsträger ab, so dass Strom fließen kann – berge als wesentliche Stromverlustquelle in CIGS-Modulen zugleich ein großes Verbesserungspotenzial, heißt es bei der Initiative „Solarstromforschung“.

Die Wissenschaftler verfolgten nun drei unterschiedliche Wege, um die Wirkungsgrade der Dünnschicht-Photovoltaik weiter zu verbessern und die Kosten zu senken. Es gehe einmal um die Optimierung des industriellen Herstellungsprozesses der TCO-Schicht, zum anderen um kostengünstige Alternativen zu dem aktuellen industriellen Herstellungsprozess sowie neue Materialien. Die vielversprechendsten Verfahren würden dann in der Forschungspilotlinie im Produktionsmaßstab weiter getestet.

Der Industriepartner Avancis habe bei der Weiterentwicklung des Standardherstellungsverfahrens mit Aluminium-dotiertem Zinkoxid (AZO) bereits einige Erfolge erzielt, hieß es weiter. „Wir haben durch ein Absenken der Aluminiumdotierung das Verhältnis zwischen Widerstand und Transparenz in der TCO-Schicht verbessert. So konnten wir den Wirkungsgrad auf Kleinformatmodulen gegenüber dem heutigen Standard um zwei Prozent steigern“, erklärt Avancis-Technikvorstand Jörg Palm.

Parallel dazu liefen Tests, durch den Einsatz von gesputtertem Zinkoxidsulfid den Herstellungsprozess um einen Schritt zu reduzieren. Damit ließen sich die Produktionskosten für CIGS-Dünnschichtmodule ohne Einbußen bei der Leistungsfähigkeit deutlich senken. „Das Verfahren ist ein gelungenes Beispiel für den Technologietransfer aus der Forschung in die Industrie“, ergänzt Marc Heinemann vom Kompetenzzentrum Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik (PVcomB) des Helmholtz-Zentrums Berlin. Die dortigen Forscher hatten die Idee entwickelt.

Die Wissenschaftler des Forschungsverbunds befassten sich zudem mit kostengünstigen Abscheideprozessen für die üblichen TCO-Fensterschichten auf Basis von Aluminium-dotiertem Zinkoxid (ZnO:Al oder AZO). Die Solayer GmbH setze dabei auf metallische Targets, die mindestens 20 Prozent Kostensenkung gegenüber keramischen Targets versprechen, hieß es weiter. Zudem werde am Hochleistungs-Magnetronsputtern, das sogenannte HIPIMS, gearbeitet. Diese Technologie habe das Potenzial, bei einem kostengünstigeren Prozess verbesserte Schichteigenschaften zu erzielen. Erste Erfolge seien auch hierbei erzielt worden, etwa durch das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST und die Firmen Sentech Instruments GmbH  und Magpuls GmbH. Sie hätten gemeinsam einen HIPIMS-Prozess mit Doppelrohrmagnetron und optischer Prozesskontrolle entwickelt und gute Eigenschaften bezüglich der Leitfähigkeit auf Borofloatglas erzielt. Darüber hinaus sei eine Anlage für serielles Co-Sputtern entwickelt worden. Mit dieser Methode sei erstmals die Al-Dotierung als ein Prozessparameter dickenabhängig vorgegeben, was eine gezielte Optimierung der TCO-Eigenschaften ermögliche, wie die Forscher der Technischen Universität Berlin gezeigt hätten.

Bei der Suche nach neuen Materialien für die TCO-Fensterschichten werde derzeit untersucht, ob anstelle der AZO-Fensterschichten amorphes Indium-Zinkoxid (a-IZO) oder mit Wasserstoff dotiertes Indiumoxid (IOH) eine passende Alternative sein könnten. Daran arbeiteten die Forscher des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sowie von PVcomB. Ziel sei es, die erheblich höhere Elektronenbeweglichkeit der Materialien zu nutzen. Die TCO-Schicht könnte damit wesentlich dünner werden, was die Transparenz und in der Folge die Stromausbeute erhöhe. Die prinzipielle Eignung der beiden Materialen in CIGS-Solarzellen sei bereits nachgewiesen worden. Die Abscheideprozesse für IOH und a-IZO sind schon auf industrietaugliche DC-Sputteranlagen übertragen, wie es weiter hieß. Nachteile hätten die neuen Materialen noch, da sie weniger gut als das klassische AZO mit der rauen CIGS-Oberfläche klar kämen.

Die Initiative „F&E für Photovoltaik“ oder „Solarstromforschung“ gehört zum 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung und dem Förderprogramm Photonik Forschung Deutschland. „F&E für Photovoltaik“ wird vom Bundeswirtschafts- und -forschungsministerium über drei Jahre mit rund 50 Millionen Euro gefördert. Dabei erhalten mehr als zehn Forschungsprojekte, die gemeinsam von Wissenschaftlern und Photovoltaik-Herstellern in Deutschland verfolgt werden, eine Unterstützung. Die Projekte laufen bis 2017 oder 2018. Ein Ziel der Initiative ist es, die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Photovoltaik-Branche mittel- und langfristig zu sicher und auszubauen.