Ultraleichte, flexible Substrate
Die Anwendung von Dünnschichtsolarzellen in Raumfahrtsolargeneratoren der nächsten Generation eröffnet völlig neue Perspektiven und Möglichkeiten für zukünftige Raumfahrzeuge. Obwohl ihr Wirkungsgrad deutlich geringer ist als Der heutiger, kristalliner Raumfahrtsolarzellen, besitzen sie eine Reihe einzigartiger Vorteile. Die Möglichkeit, Dünnfilmsolarzellen auf flexiblen Substraten abzuscheiden, ermöglicht den Übergang zu vollständig flexiblen Modulstrukturen mit spezifischen Leistungen (W/kg) und Packungsvolumina (W/m3) weit über denen heutiger Technologien (Faktor 3-7). Des Weiteren zeichnen sich Dünnfilmsolarzellen durch eine extrem hohe Resistenz gegenüber radioaktiver Strahlung aus, was den Einsatz der derzeit üblichen Schutzgläser erübrigt. Darüber hinaus liegen die geschätzten Kosten pro Watt für raumfahrttaugliche Dünnfilmsolarzellen deutlich unter 50 €/W (Zellenniveau).
Seit 2002 arbeitet das HZB im Rahmen verschiedener, öffentlich geförderter Forschungsvorhaben an einer für Anwendungen im Weltraum geeigneten Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellenstruktur. Ein baseline-Prozess für die Präparation von flexiblen Mo/Cu(In,Ga)Se2/CdS/ZnO Solarzellen auf 25 Mikrometer dicker Titan- oder Polyimid-Folie wurde aufgebaut. Insbesondere bei der Versorgung mit dem für eine hohe Qualität der Cu(In,Ga)Se2 Dünnschicht mitverantwortlichen Element Natrium während des Herstellungsprozesses arbeitet das HZB an einem verbesserten materialwissenschaftlichen Verständnis. Mit NaF als Vorläuferschicht wurde im vergangenen Jahr auf Polyimid-Folie ein Wirkungsgrad von 15.9% erreicht.
Ziele der gegenwärtigen Forschungsarbeiten umfassen außerdem
- die weitere Erhöhung des Wirkungsgrades,
- ein verbessertes Verständnis des Cu(In,Ga)Se2 Schichtwachstums bei unterschiedlichen Prozesstemperaturen,
- und die Entwicklung halbtransparenter bzw. invertierter Bauteile.
Die gegenwärtige Forschung konzentriert sich dabei u.a. auf ein besseres Verständnis in Bezug auf die Entstehung und den Einfluss von mikroskopischen und makroskopischen Defekten in der Solarzelle.
Prototyp einer ultraleichten flexiblen Dünnschichtsolarzelle auf Basis von Cu(In,Ga)Se2. Die Gesamtfläche (ohne busbar) beträgt 27.1 cm2. Am HZB hergestellte Solarzellen diesen Typs erreichen Wirkungsgrade von 15.0 % (Referenzsonnenspektrum AM 1.5).
Schematische Darstellung des Schichtaufbaus einer flexiblen Solarzelle auf Basis von Cu(In,Ga)Se2.
