Nanophotonisches Lichtmanagement für Dünnschicht-Solarzellen
Dünnschicht-Solarzellen aus flüssigphasen-kristallisiertem Silizium (liquid-phase crystallized, LPC-Si) sind ein erfolgversprechender Ansatz mit einem aktuellen Wirkungsgrad von maximal 14,2% [1]. Der LPC Prozess wird auf nanokristallinem Silizium durchgeführt, welches auf einem Glassubstrat mit Zwischenschichten abgeschieden wurde. Die hohe Brechzahl von Silizium macht antireflektive Maßnahmen erforderlich, um die Einkopplung des einfallenden Lichts van Glas nach Silizium zu maximieren. Idealerweise streuen die hierfür genutzten Nanotexturen auch das einfallende Licht und helfen damit, mehr Licht im Absorber einzufangen. Lichteinfang ist bei diesen Solarzellen sehr wichtig, da LPC-Si Absorber nur etwa 5-20 µm dick sind. Nanotexturen für Lichteinfang an der Glas-Silizium Grenzfläche können nur vor dem LPC Prozess angebracht werden. Für LPC-Si mit hoher elektronischer Qualität müssen diese nanotexturierten Grenzflächen deswegen glatt sein.
In letzter Zeit hat unsere Gruppe vor allem zwei Typen von Nanotexturen zwischen Glas und LPC-Si untersucht: sinusoidale Nanotexturen [2,3] und glatte anti-reflektive dreidimensionale Texturen (SMART) [4]. Beide Texturen werden mit Nanoimprint-Lithographie hergestellt und erhöhen die Absorption in der Absorberschicht. LPC-Si Solarzellen auf diesen Texturen zeigen exzellente Material- und folglich elektrische Eigenschaften; für sinusoidale und SMART Texturen konnten Leerlaufspannungen von 615 mV, respektive 640 mV überschritten werden. Numerische Ergebnisse, die mit der finite Element Methode (FEM) berechnet wurden, zeigen hohe Übereinstimmung mit experimentellen Daten [5]. Wir konnten dies durch eine numerische Korrektur erreichen, welche auf die FEM Ergebnisse a posteriori angewandt wird, und welche es erlaubt, das dicke Glassuperstrat bei vernachlässigbarem Rechenaufwand adäquat zu berücksichtigen.
(a) Externe Quantenausbeute (EQE, durchgezogene Linien) und 1-Reflexion (1-R, gestrichelte Linien) Daten von LPC-Si Dünnschicht-Solarzellen mit SMART- (grün), sinusoidalen (rot) und Säulentexturen und für eine flache Referenz (schwarz) [2,4]. (b) Die ensprechenden besten Solarzell-Parameter gemessen durch EQE (jsc ) und Suns-Voc (Voc).
Literatur
- [1] C. T. Trinh, N. Preissler, P. Sonntag, M. Muske, K. Jäger, M. Trahms, R. Schlatmann, B. Rech and D. Amkreutz, "Potential of interdigitated back-contact silicon heterojunction solar cells for liquid phase crystallized silicon on glass with efficiency above 14%," Sol. Energ. Mat. Sol. C. 174, 187 - 195 (2018).
- [2] G. Köppel, B. Rech and C. Becker, "Sinusoidal nanotextures for light management in silicon thin-film solar cells," Nanoscale 8, 8722-8728 (The Royal Society of Chemistry, 2016).
- [3] G. Köppel, D. Eisenhauer, B. Rech and C. Becker, "Combining tailor-made textures for light in-coupling and light trapping in liquid phase crystallized silicon thin-film solar cells," Opt. Express 25, A467-A472 (OSA, 2017).
- [4] D. Eisenhauer, G. Köppel, K. Jäger, D. Chen, O. Shargaieva, P. Sonntag, D. Amkreutz, B. Rech and C. Becker, "Smooth anti-reflective three-dimensional textures for liquid phase crystallized silicon thin-film solar cells on glass," Sci. Rep. 7, 2658 (2017).
- [5] K. Jäger, G. Köppel, D. Eisenhauer, D. Chen, M. Hammerschmidt, S. Burger and C. Becker, "Optical simulations of advanced light management for liquid-phase crystallized silicon thin-film solar cells," Proc. SPIE 10356, 103560F (2017).