In der Photovoltaik sind höhere Wirkungsgrade bei CIGS-Zellen möglich. Das zeigen Forschungen verschiedener Institute. Wie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) mitteilte, weisen Dünnschichtsolarzellen mit einem Halbleiter aus Kupfer, Indium,Gallium und Selen (CIGS) mittlerweile einen Wirkungsgrad von mehr als 23 Prozent auf. Ein Forscherteam des ZSW, der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) hat jüngst aber eine wichtige Stelle identifiziert, an der sich die Leistung von Dünnschichtsolarzellen noch steigern lasse. Die Ergebnisse haben die Forscher in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Sie geben Herstellern von CIGS-Dünnschichtsolarzellen damit Hinweise, wie sie noch höhere Wirkungsgrade erzielen können.

So sei immer noch ein nicht ausgereiztes Potential von etwa zehn Prozentpunkten vorhanden, um den maximalen theoretischen Wirkungsgrad von rund 33 Prozent zu erreichen. Die Diskrepanz komme dabei durch Verlustmechanismen in der CIGS-Solarzelle zustande. Diese könnten in den funktionalen Schichten, aber auch an den unterschiedlichsten Grenzflächen auftreten. Wo genau und warum, sei bisher Gegenstand kontroverser Diskussionen gewesen.

Verluste an Grenzen der Kristalle

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des ZSW, der MLU und des HZB hätten nun den Ort des Geschehens ausfindig machen 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“. Das sagt Projektleiter Wolfram Witte vom ZSW. „Das reduziert die Leistung der Zelle.“

Identifizieren konnten die Forscher solch einen Verlustmechanismus, indem sie experimentelle Messverfahren mit Computersimulationen kombinierten. Um möglichst realistische Werte in die zweidimensionale Bauelementsimulation einzugeben, analysierte das HZB eine hocheffiziente CIGS-Solarzelle mit ver-schiedensten Elektronen-Mikroskopieverfahren und optoelektronischen Messmethoden wie der Photolumineszenz. Die Herstellung der CIGS-Zelle erfolgte ferner am ZSW mit dem Verfahren der Koverdampfung. Die Forscher hätten dabei die Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen zur selben Zeit im Vakuum aufgebracht. Der Zellwirkungsgrad betrug ohne zusätzliche Antireflexschicht 21 Prozent.

Die Computersimulationen hätten dann gezeigt, dass eine verstärkte Rekombination an elektrisch aktiven Korngrenzen innerhalb der CIGS-Schicht einen signifikanten Verlustmechanismus darstelle. „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“, so Witte. Dies könnte technisch durch zusätzliche Additive in der CIGS-Schicht geschehen. Weitere Optionen seien eine Anpassung des Substratmaterials oder ein optimierter Temperaturhaushalt während der Beschichtung. Für die Photovoltaikindustrie wären dies vielversprechende Ansatzpunkte, um die Wirkungsgrade von CIGS-Modulen weiter zu erhöhen.

Die Erkenntnisse seien ferner eines von mehreren Teilergebnissen des vom BMWi geförderten Verbundprojektes „EFFCIS“, das im Jahr 2020 nach rund dreieinhalbjähriger Laufzeit endete.

8.10.2020 | Quelle: Solarwatt | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH