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.

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”

arö


Das könnte Sie auch interessieren

  • Best Innovator Award 2023 für Artem Musiienko
    Nachricht
    22.03.2024
    Best Innovator Award 2023 für Artem Musiienko
    Dr. Artem Musiienko ist für seine bahnbrechende neue Methode zur Charakterisierung von Halbleitern mit einem besonderen Preis ausgezeichnet worden. Auf der Jahreskonferenz der Marie Curie Alumni Association (MCAA) in Mailand, Italien, wurde ihm der MCAA Award für die beste Innovation verliehen. Seit 2023 forscht Musiienko mit einem Postdoc-Stipendium der Marie-Sklodowska-Curie-Actions in der Abteilung von Antonio Abate, Novel Materials and Interfaces for Photovoltaic Solar Cells (SE-AMIP) am HZB.
  • Die Zukunft von BESSY
    Nachricht
    07.03.2024
    Die Zukunft von BESSY
    Ende Februar 2024 hat ein Team am HZB einen Artikel in Synchrotron Radiation News (SRN) veröffentlicht. Darin beschreibt es die nächsten Entwicklungsziele für die Röntgenquelle sowie das Upgrade Programm BESSY II+ und die Nachfolgequelle BESSY III.

  • 14 Parameter auf einen Streich: Neues Instrument für die Optoelektronik
    Science Highlight
    21.02.2024
    14 Parameter auf einen Streich: Neues Instrument für die Optoelektronik
    Ein HZB-Physiker hat eine neue Methode entwickelt, um Halbleiter durch einen einzigen Messprozess umfassend zu charakterisieren. Der „Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)“ basiert auf dem Hall-Effekt und ermöglicht es, 14 verschiedene Parameter von negativen wie positiven Ladungsträgern zu erfassen. An zwölf unterschiedlichen Halbleitermaterialien demonstrierte nun ein großes Team die Tauglichkeit dieser neuen Methode, die sehr viel Arbeit spart.