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Forscher sehen Potenzial von 33 Prozent Wirkungsgrad für CIGS-Solarzellen – pv magazine Deutschland

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In den vergangenen Jahren haben Forscher die Effizienz der Dünnschicht-Technologie sukzessive verbessern können. Die erreichten gut 23 Prozent Wirkungsgrad sind nach der Veröffentlichung von Wissenschaftlern des ZSW, MLU Und HZB jedoch noch nicht das Ende der Fahnenstange.

Der Wirkungsgrad von Dünnschicht-Solarzellen auf Basis der Halbleiter Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS) hat sich in den vergangenen Jahren durch kontinuierliche Forschungsarbeit auf mehr als 23 Prozent verbessert. Ein Forscherteam des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) sieht jedoch noch weit mehr Potenzial, um die Effizienz zu erhöhen, wie aus ihrer jüngsten Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „Nature Communications“  hervorgeht. Sie sehen das noch nicht ausgereizte Potenzial bei rund zehn Prozent. Die Erkenntnisse basieren auf Forschungen Verbundprojektes „EFFCIS“, das in diesem Jahr nach rund dreieinhalbjähriger Laufzeit endete und vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert wurde.

Das Forscherteam hat Ansätze gefunden, wonach ein theoretischer Wirkungsgrad von rund 33 Prozent für CIGS-Dünnschichtsolarzellen möglich wäre. Die Diskrepanz entstehe durch Verlustmechanismen in der CIGS-Solarzelle, die in den funktionalen Schichten, aber auch an den unterschiedlichsten Grenzflächen auftreten können, heißt es am Donnerstag von den Forschern. Bislang wurde dies nur vermutet und kontrovers diskutiert, wo und warum diese Einbußen auftreten. Das Forscherteam von ZSW, MLU und HZB hat es nun lokalisieren können. „Ein Teil der Verluste erfolgt an den Grenzen zwischen den einzelnen CIGS-Kristallen der Solarzelle. An diesen sogenannten Korngrenzen, von denen ein bestimmter Anteil auch elektrisch aktiv ist, können sich positive und negative elektrische Ladungen gegenseitig neutralisieren“, sagt Projektleiter Wolfram Witte vom ZSW. Dies reduzierte die Leistung der CIGS-Solarzellen.

Zur Identifizierung des Verlustmechanismus hätten die Forscher ein experimentelles Messverfahren mit Computersimulationen kombiniert. Das HZB habe dafür eine hocheffiziente CIGS-Solarzelle mit verschiedensten Elektronen-Mikroskopieverfahren und optoelektronischen Messmethoden analysiert, um den Forschern in Halle möglichst realistische Werte für ihre entwickelte zweidimensionale Bauelementesimulation zu liefern. Das ZSW hatte die CIGS-Solarzelle mit dem Verfahren der Koverdampfung hergestellt, bei dem die Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen zur selben Zeit im Vakuum aufgebracht werden. Ohne zusätzliche Antireflexschicht habe diese Zelle einen Wirkungsgrad von 21 Prozent erreicht. Die reale Mikrostruktur dieser Zelle wurde mit den experimentell erhaltenen Werten der verschiedenen Analyseverfahren als Eingabeparameter für die zweidimensionale Simulation genutzt, wie es von den Forschern weiter hieß.

Die Analysen zeigten dann, dass eine verstärkte Rekombination an elektrisch aktiven Korngrenzen innerhalb der CIGS-Schicht einen signifikanten Verlustmechanismus darstellt, der vor allem die Leerlaufspannung und den Füllfaktor verschlechtert und somit den Wirkungsgrad der Solarzelle nach unten drückt. „Um den Wirkungsgrad von CIGS-Dünnschichtsolarzellen und -modulen in Zukunft weiter zu verbessern, sollte die Dichte der elektrisch aktiven Korngrenzen reduziert und CIGS-Schichten mit größeren Körnern hergestellt werden“, erklärte Witte. Technisch sei dies etwa durch zusätzliche Additive in der CIGS-Schicht, eine Anpassung des Substratmaterials oder einen optimierten Temperaturhaushalt während der Beschichtung möglich.

Stephan Rothe

Geschäftsführer / CEO, EEHD Erneuerbare Energien Handel und Distribution GmbH

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