Dünnschichtsolarzellen aus CIGSe: EU-Projekt Sharc25 steigert Wirkungsgrade
Die Arbeiten am EU Projekt Sharc25 fanden auch im EMIL-Labor statt, wo Dünnschichten und Materialien mit Röntgenstrahlung von BESSY II analysiert werden können. © Ingo Kniest/HZB
Dünnschichtsolarzellen aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGSe) sind kostengünstig in der Herstellung und erreichen nun Wirkungsgrade von deutlich mehr als 20 Prozent. Dies wurde durch Nachbehandlungen mit Alkali-Elementen erreicht, die auch für eine industrielle Produktion geeignet sind. Ergebnisse zur Wirkungsweise dieser Alkali-Nachbehandlungen aus dem EU-Projekt Sharc25 sind nun in Advanced Energy Materials publiziert.
Dünnschichtsolarmodule benötigen sehr viel weniger Energie für ihre Herstellung als herkömmliche Si-Wafer–basierte PV Module. Deshalb ist ihre Energy-Payback-Time viel kürzer. Die Energy-Payback-Time ist die Zeit, bis ein PV-Modul so viel Energie produziert hat wie für seine Herstellung nötig war. Eine wichtige Materialklasse für die Dünnschicht-PV sind Chalkopyrit-Verbindungen aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGSe). Diese Elemente werden durch Ko-Verdampfung auf einem Substrat aufgewachsen – und da CIGSe das Licht sehr viel besser absorbiert als Silizium, reicht schon eine sehr dünne Schicht aus, um Licht effizient in elektrische Energie umzuwandeln.
Steigerung auf 22,6 Prozent
Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts Sharc 25 gelang es nun, den Wirkungsgrad von CIGSe-Solarzellen von 21.7 Prozent auf 22.6 Prozent zu steigern.
Ein Fokus des Projektes war es, insbesondere die positiven Effekte der Nachbehandlungen mit Alkali-Elementen wie Kalium, Rubidium, oder Cäsium zu verstehen. Während der Nachbehandlung werden die chemischen und elektronischen Oberflächeneigenschaften des CIGSe Absorbers verändert. Zusätzlich wandern die Alkali-Atome von der Oberfläche in die Korngrenzen zwischen den CIGSe Kristallen und optimieren so offenbar die elektronischen Eigenschaften der Dünnschicht, u.a. wird die Rekombination von Ladungsträgern im CIGSe Volumen verringert. Das funktioniert für CIGSe-Schichten, die bei verschiedenen Temperaturen und auf unterschiedlichen Substraten präpariert werden.
Vorsprung für die Industrie der EU
Am EU-Projekt Sharc25 haben elf Forschungseinrichtungen aus acht Ländern zusammengearbeitet, darunter auch ein HZB-Team um Prof. Marcus Bär. Ein wichtiges Ziel war es dabei, die europäische Vorreiterrolle auf dem Gebiet der Dünnschicht-PV zu sichern. „Dabei gewinnt man in solchen großen EU Projekten speziell Erfahrung darin, mit Werkzeugen der grundlagenorientierten Forschung auch Fragen der industrienahen Material– und Bauteiloptimierung effizient zu bearbeiten. Das ist ein echter Wettbewerbsvorteil und wahrt den Erkenntnis – und Know-how Vorsprung“, meint Bär.
Die Ergebnisse sind in Adv. Energy Materials (2020) publiziert: "Heavy alkali treatment of Cu(In,Ga)Se2 solar cells: Surface versus bulk effects"
DOI: 10.1002/aenm.201903752
Mehr zum Projekt: http://sharc25.eu/
Das Projekt wurde durch das EU-Programm Horizon 2020 unter der Nr. 64100 gefördert.
- 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.
- Präzise Grenzflächenchemie steigert Wirkungsgrad von Perowskit-SolarzellenIm Rahmen einer internationalen Forschungskooperation wurde eine neue molekulare Strategie entwickelt, um eine der Grenzflächen in Perowskit-Solarzellen zu verbessern. Die daraus resultierenden Solarzellen erreichten in der n-i-p-Architektur einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 26,19 % bei gleichzeitig hoher Betriebsstabilität unter längerer Bestrahlung und erhöhten Temperaturen. Die Ergebnisse wurden im „Journal of the American Chemical Society“ veröffentlicht.
- Perowskit-Dreifachsolarzellen: Noch effizienter mit GO/SAM DoppelschichtPerowskit-Halbleiter wandeln Sonnenlicht effizient in elektrische Energie um, darüber hinaus sind sie günstig und superleicht. Ein Team am HZB hat eine Dreifachsolarzelle aus drei unterschiedlichen Perowskit-Halbleitern mit einer neuartigen Doppelschicht aus Graphenoxid und SAM als Lochleiter entwickelt. Sie konnten zeigen, dass diese Doppelschicht sowohl den Wirkungsgrad als auch die Langzeitstabilität deutlich steigert. Der Wirkungsgrad der neuartigen Perowskit-Dreifachsolarzelle beträgt 27,3% und fällt auch nach mehr als 770 Stunden in Betrieb kaum ab. Die Studie ist in der renommierten Fachzeitschrift Joule erschienen.