Mit Chalkopyrit-Solarzellen auf Rekordjagd

  • 29. February 2012

Berliner Wissenschaftler bekommen gleich zwei Wirkungsgrad-Rekorde für cadmiumfreie Dünnfilm-Solarmodule bestätigt.

Der Bedarf an erneuerbaren Energien steigt – Klimawandel und Krise der Atomkraft treiben die Entwicklung an. Im Photovoltaikmarkt spielen CIS-Dünnfilm-Solarmodule eine immer größere Rolle. Das Institut „Heterogene Materialsysteme“ des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat gleich zwei Rekord-Wirkungsgrade für CIS-Dünnfilm-Solarmodule vom unabhängigen Institut für Solarenergieforschung (ISE) in Freiburg bestätigt bekommen. In diesen Zellen werden Halbleiter eingesetzt – meist Kupfer-Verbindungen (Chalkopyrite), um aus Sonnenlicht Strom zu gewinnen. Das Besondere: Die Pufferschicht der Solarzellen ist mit dem umweltfreundlichen, am HZB entwickelten Herstellungsverfahren „Ilgar“ entstanden. Das normalerweise genutzte Schwermetall Cadmium kommt dabei nicht zum Einsatz.

Abb.: Eine Chalcopyrit-Dünnschicht-Solarzelle auf dem Sonnensimulator-Teststand. (Bild: HZB)

Abb.: Eine Chalcopyrit-Dünnschicht-Solarzelle auf dem Sonnensimulator-Teststand. (Bild: HZB)


Für alle Komponenten von Dünnfilm-Solarmodulen existieren technologisch günstige Produktionsprozesse – bis vor kurzem jedoch nicht für die Pufferschicht. Das Standard-Material für diese Komponente ist das giftige Cadmium-Sulfid. Das am HZB entwickelte Ilgar-Verfahren (Ion Layer Gas Reaction) hat hier Abhilfe geschaffen: Mit ihm lassen sich in standardisierten Prozessen Halbleiterschichten höchster Qualität für Dünnschichtsolarzellen herstellen. Die dabei produzierten Pufferschichten aus Indiumsulfid oder Zinksulfid/Indiumsulfid ersetzen in Dünnschichtsolarzellen nicht nur das giftige Cadmium. Ilgar macht auch ein Abscheideverfahren überflüssig: das als „Chemical Bath Deposition“ bezeichnete Verfahren, das als langsam und umweltschädlich gilt.

Für ihre Rekordzellen haben die HZB-Wissenschaftler Absorber – also lichtabsorbierende Schichten – genutzt, die standardmäßig in der Industrie im Einsatz sind. Damit wurden ihnen zwei Rekorde Solarzell-Wirkungsgrade bestätigt. 16,1 Prozent wurden für Zellen erreicht, die mit Ilgar-Indiumsulfid-Pufferschichten (In2S3) auf Bosch-CIS-Tech-Cu(In,Ga)(S,Se)2-Absorbern hergestellt wurden.

Auf Zellen mit Absorbern der Firma Avanics konnten die Wissenschaftler bei eigenen Messungen Zell-Wirkungsgrade von 16.4 Prozent feststellen. Gemeinsam mit dem Maschinenbauer Singulus-Stangl Solar wurde ein industrieller Prototyp eines Ilgar-In-line-Beschichters entwickelt. Hiermit wurden im HZB bereits In2S3-Puffer mit einer Geschwindigkeit von 10 Millimeter pro Sekunde abgeschieden. Die 30 mal 30 Quadratzentimeter großen Solarmodule auf der Basis von Avanics-Absorberschichten zeigten mit 13.7 Prozent eine gleichwertige Effizienz wie die mit Cadmiumsulfid gepufferten Referenzmodule.

Im Juni 2011 ist das Team um Christian-Herbert Fischer auf der Clean Technology Conference & Expo in Boston, USA, bereits für sein patentiertes Ilgar-Verfahren als einer von vier German High Tech Champions im Wettbewerb der Fraunhofer-Gesellschaft ausgezeichnet worden.

HZB / PH

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