Industrielle Dünnschicht-Solarmodule werden effizienter
Forschungsprojekt LIMA ermöglicht erstmals Silizium-Dünnschichtsolarmodule mit einem Wirkungsgrad von über zehn Prozent
Eine nachhaltige Stromversorgung braucht leistungsfähige und kostengünstige Solarmodule. Partner aus Industrie und Wissenschaft haben nun den Weg dahin geebnet, indem sie speziell das Lichtmanagement in Silizium-Dünnschichtsolarzellen verbesserten. Dadurch wurden Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von zehn Prozent bei einer Fläche von über einem Quadratmeter möglich. Gefördert wurde das Projekt LIMA, Lichtmanagement für industriell gefertigte Silizium-Dünnschicht-Solarmodule, mit 4,4 Millionen Euro vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit.
„Rund ein Drittel der Modulleistung kann auf das Lichtmanagement, also die verbesserte Ausnutzung des einfallenden Lichtes, zurückgeführt werden“, erklärt Dr. Jürgen Hüpkes vom Forschungszentrum Jülich, der das Projekt LIMA koordiniert hat. Neben der Siliziumschicht, in der das einfallende Licht in elektrische Energie umgewandelt wird, sind vor allem die elektrischen Kontaktschichten oder Elektroden wichtig für die Funktion einer Solarzelle. Sie führen einerseits den Strom ab und beeinflussen andererseits den Lichtlaufweg im Silizium. Je länger der Weg, desto mehr Energie wird in der Solarzelle umgewandelt.
Der elektrische Frontkontakt liegt flächendeckend auf der Vorderseite des Siliziums und soll möglichst transparent sein, um viel Licht einzulassen. Er besteht aus einem Metalloxid wie etwa Zinkoxid, das die passenden elektrischen und optischen Eigenschaften besitzt. Auf der Rückseite wird das Silizium durch eine zweite Elektrodenschicht und eine vollreflektierende Metallschicht aus Silber abgeschlossen.
Um den Lichtlaufweg in der Zelle möglichst zu verlängern, wird der Übergang zwischen den verschiedenen Schichten aufgeraut und dadurch lichtstreuend gemacht. „Statt auf dem kürzesten Weg, laufen die Lichtstrahlen nun mehr als 16-mal länger durch das Silizium“, erläutert Hüpkes. Zum Aufrauen nutzt man einen oder mehrere Ätzschritte mit Fluss- oder Salzsäure, die auf dem Oxidmaterial eine wohldefinierte Krateroberfläche hinterlassen und dadurch dem Kontakt die gewünschten Lichtstreu-Eigenschaften geben.
Im Projekt LIMA wurden die Verfahren zur Produktion der Elektroden sowie deren Aufrauung entscheidend optimiert. Es ist nun möglich, die weniger als ein tausendstel Millimeter dünnen Schichten auf mehr als fünf Quadratmeter Fläche mit den benötigten Eigenschaften kostengünstig herzustellen. Die ersten von der Industrie mit dem entwickelten Verfahren hergestellten Solarmodule weisen dabei einen Wirkungsgrad von 10,6 Prozent auf, was ein Rekord für Solarzellen auf Basis dieser Dünnschichttechnologie ist.
Dünnschichtsolarzellen basieren auf einer zentralen Schicht, die statt aus einem kristallinen Siliziumwafer mit der Dicke von etwa 0,2 Millimetern aus amorphem und mikrokristallinem Silizium von rund zwei Mikrometern Dicke besteht, also etwa 100 Mal weniger Material enthalten als ein Siliziumwafer. Dadurch werden in der Herstellung sowohl Material als auch Prozess- und Energiekosten gespart. Diese Ersparnis gleicht den etwas geringeren Wirkungsgrad der Dünnschichttechnik im Vergleich zur Wafertechnik bei Weitem aus. In kommenden Projekten sollen die im Labormaßstab bereits erzielten Wirkungsgrade von zwölf Prozent auch auf großformatige Industriemodule übertragen werden.
Weitere entscheidende Vorteile der Dünnschichttechnologie sind, dass von einigen Produzenten auch flexible Trägermaterialen aus Plastik oder Metallfolien verwendet werden und dass sie mit wenigen Arbeitsschritten großformatige Module erzeugt. „Diese Flexibilität erweitert die Einsetzbarkeit. Dünnschichtsolarmodule geben Architekten und Planern neue Gestaltungsmöglichkeiten“, unterstreicht Hüpkes.
Neben dem federführenden Forschungszentrum Jülich waren die Partner im Projekt LIMA die Firmen Applied Materials, Sentech Instruments, Sunfilm, Schott Solar Thin Film, Saint-Gobain Sekurit, Malibu Solar, das Helmholtz-Zentrum Berlin, das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik und die RWTH Aachen. Gefördert wurde das dreieinhalbjährige Projekt vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit mit 4,4 Millionen Euro.
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