Patentierte Nanostruktur für Solarzellen: Raue Optik, glatte Oberfläche
Die Nanostruktur zum Lichteinfang wird auf Siliziumoxid (blau) eingeprägt und dann mit Titanoxid (grün) „eingeebnet“. So entsteht eine optisch raue, aber dennoch glatte Schicht, auf der kristallines Silizium aufwachsen kann. © HZB
Kristalline Dünnschichtsolarzellen aus Silizium sind preisgünstig und schaffen Wirkungsgrade von gut 14 Prozent. Sie könnten allerdings noch mehr leisten, wenn ihre glänzenden Oberflächen weniger Licht reflektieren würden. Eine raffinierte, neue Lösung für dieses Problem hat ein Team um Prof. Dr. Christiane Becker vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) nun patentieren lassen.
„Es reicht nicht aus, einfach mehr Licht in die Zelle zu bringen“, weiß Christiane Becker. Denn solche Oberflächenstrukturen können den Wirkungsgrad im Endeffekt sogar verringern, indem sie die elektronischen Eigenschaften des Materials verschlechtern.
Optisch rau - ansonsten glatt
Die Idee, die David Eisenhauer im Rahmen seiner Promotion im Team von Becker ausgearbeitet hatte, klingt einfach, erfordert aber einen ganz neuen Ansatz: Es geht darum, eine Struktur herzustellen, die sich „optisch rau“ verhält und das Licht gut streuen kann, gleichzeitig aber eine „glatte“ Oberfläche besitzt, auf der die Siliziumschicht (die wichtigste Schicht der Solarzelle) nahezu defektfrei aufwachsen kann.
Stempeln, aushärten, aufschleudern, aufwachsen
Das Verfahren besteht aus mehreren Schritten: Zunächst stempeln die Forscher eine optimierte Nanostruktur auf eine noch flüssige Siliziumoxid-Vorläuferschicht, die im Anschluss ausgehärtet wird. Dabei handelt es sich um winzige, regelmäßig angeordnete, zylinderförmige Erhöhungen, die sich Licht "einfangen" und damit in die Solarzelle leiten. Allerdings wirken sich diese Strukturen ungünstig auf die elektronische Materialqualität der Solarzelle aus. Denn auf der rauen Oberfläche kann die absorbierende Schicht aus kristallinem Silizium nicht fehlerfrei aufwachsen. Um diesen Konflikt aufzulösen, wird in einem weiteren Schritt eine sehr dünne Schicht aus Titanoxid aufgeschleudert. Dadurch werden die Vertiefungen zwischen den Zylindern ausgefüllt, so dass eine relativ glatte Oberfläche entsteht, auf der das eigentliche Absorbermaterial gut aufgebracht werden kann.
SMART ist nun patentiert
Die Beschichtung, die nun patentiert ist, besitzt den sprechenden Namen „SMART“ (smooth anti-reflective three-dimensional texture). Damit gelingt es, Reflektionen zu verringern und mehr Licht in die absorbierende Silizium-Schicht zu bringen, ohne deren elektronische Eigenschaften zu beeinträchtigen.
Christiane Becker leitet eine Nachwuchsgruppe am HZB, die vom BMBF im Programm NanoMatFutur gefördert wird. Im Rahmen des BerOSE Joint Lab arbeitet sie eng mit dem Zuse-Institut zusammen, um durch Computersimulationen zu ermitteln, wie sich Nanostrukturierungen auf Materialeigenschaften auswirken.
Zur Publikation in Scientific Reports (2017): Smooth anti-reflective three-dimensional textures for liquid phase crystallized silicon thin-film solar cells on glass; David Eisenhauer, Grit Köppel, Klaus Jäger, Duote Chen, Oleksandra Shargaieva, Paul Sonntag, Daniel Amkreutz, Bernd Rech & Christiane Becker
doi: 10.1038/s41598-017-02874-y
Lesetipp: Christiane Becker im Porträt, Lichtblick 36, Sept. 2018, “Mehr Licht in Solarzellen einfangen”
- Grüner Wasserstoff mit PEC-Elektrolyseuren: Die Transportprozesse im BlickEine Option, um die Energie des Sonnenlichts zu speichern, ist die Erzeugung von Wasserstoff in PEC-Elektrolyseuren. Die Aufskalierung dieser Technologie ist allerdings noch eine Herausforderung. Ein Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat nun mit 2D-Fluoreszenz-Bildgebung und Partikelvelozimetrie beobachtet, wie sich Ionen und gelöste Gase im Elektrolyten während der Elektrolyse bewegen. Die Einblicke sind neu und können bei der Entwicklung von größeren PEC-Elektrolyseuren nützlich sein.
- Neues Kontaktmaterial steigert Wirkungsgrad von Perowskit-SolarzellenEin neu entwickeltes Material für den Elektronenkontakt verbessert die Wirkungsgrade von Perowskit-Einzelsolarzellen und Perowskit/Silizium Tandemsolarzellen. Das neue Material basiert auf einem Carboran-Molekül und bietet gegenüber dem bisher genutzten Standardmaterial aus so genannten Fußballmolekülen eine Reihe von Vorteilen, zeigt die Studie, die federführend von einem Team um Steve Albrecht erarbeitet wurde. Inzwischen ist das Material patentiert und kommerziell erhältlich.
- BESSY II: Neue Probenumgebung erlaubt Einblick in thermokatalytische ProzesseEine neuartige Messzelle ermöglicht erstmals Untersuchungen mit weicher und harter Röntgenstrahlung unter hohen Drücken von bis zu 20 bar und Temperaturen von bis zu 400 °C. Dies liefert neue Erkenntnisse über thermokatalytische Prozesse, wie beispielsweise die Fischer-Tropsch-Synthese zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe. Die Entwicklung der Messzelle gilt als Meilenstein im Rahmen des Care-O-Sene-Projekts.