Empa: Neues Verfahren für höheren Wirkungsgrad von bifazialen CIGS-Dünnschichtzellen

Die Forscher des Schweizer Instituts Empa haben einen Tieftemperatur-Produktionsprozess für bifaziale CIGS-Dünnschichtsolarzellen entwickelt, der Rekordwirkungsgrade von 19,8 Prozent für die Vorderseite und 10,9 Prozent für die Rückseite ermöglicht. Bislang waren bifaziale Solarzellen auf die kristalline Technologie beschränkt, da bifaziale CIGS-Dünnschichtzellen einen eher geringen Wirkungsgrad aufwiesen, was auch an ihrem Aufbau liegt. Damit eine bifaziale Solarzelle das reflektierte Sonnenlicht auf ihrer Rückseite aufnehmen und in Strom umwandeln kann, muss der rückseitige elektrische Kontakt optisch transparent sein. Dies wird durch die Verwendung eines transparenten leitfähigen Oxids erreicht, das den normalerweise lichtundurchlässigen Rückseitenkontakt in konventionellen Solarzellen aus Molybdän ersetzt, wie die Schweizer Forscher erklären. Doch genau dies sei problematisch bei CIGS-Solarzellen.

Die Dünnschichtzellen werden normalerweise in Hochtemperatur-Abscheideverfahren hergestellt. Die dabei gebildete Galliumoxid-Grenzschicht blockiert den Fluss des Solarstroms und verringert somit die Energieumwandlungseffizienz der Zelle. Die höchsten bisher in einer einzelnen Zelle erreichten Werte erreichten bei 9,0 Prozent für die Vorderseite und 7,1 Prozent für die Rückseite. Nun hat Empa daher einen neuen Niedertemperatur-Abscheidungsprozess entwickelt. Dabei entstehe deutlich weniger des unerwünschten Galliumoxids – im Idealfall sogar gar keins. Die Schweizer Forscher hätten stattdessen geringe Mengen Silber zum Prozess hinzugefügt, um den Schmelzpunkt der CIGS-Legierung zu senken und Lichtabsorberschichten mit guten elektronischen Eigenschaften bei gerade einmal 350 Grad Abscheidungstemperatur zu erhalten.

In der Tat gelang es, eine Mehrschichtstruktur zu entwickeln, die keinerlei Galliumoxid an der Grenzfläche detektierte. Dies wirkte sich positiv auf die Effizienz aus und die Forscher erreichten somit die Umwandlungswerte von 19,8 Prozent auf der Vorderseite und 10,9 Prozent auf der Rückseite. Das Fraunhofer ISE in Freiburg habe diese Werte unabhängig bestätigt.

Erstmals sei es auch gelungen, eine bifaziale CIGS-Zelle auf einem flexiblen Polymersubstrat herzustellen. Aufgrund des geringen Gewichts und ihrer Flexiblität erhöhe sich das Spektrum möglicher Anwendungen erheblich. Zudem berichten die Empa-Forscher in einem Beitrag für „Nature Energy“ über die erste Perowskit-CIGS-Tandemsolarzelle, die in Zukunft noch eine viel höhere Effizienz verspricht. Wirkungsgrade von mehr als 33 Prozent ließen sich damit erzielen.