Technologie

Verluste von Solarzellen auf der Nanoskala

19.03.2021 - Stromblockaden offenbaren sich unter dem Rasterkraftmikroskop.

Silizium­solarzellen sind inzwischen so günstig und effizient, dass sie Strom­gestehungs­kosten von unter zwei Cent pro Kilowatt­stunde ermöglichen. Die effi­zientesten Silizium­solarzellen werden heutzutage mit selektiven Kontakt­schichten, die für die Trennung der licht­erzeugten Ladungen verantwortlich sind, aus unter zehn Nanometer dicken Schichten aus amorphem Silizium (a-Si:H) hergestellt. Mit solchen Silizium-Hetero­junction-Solarzellen werden Wirkungsgrade von über 24 Prozent erreicht, in einer Tandem­solarzelle sogar 29,15 Prozent. Auch der aktuelle Weltrekord aus Japan für eine Silizium­solarzelle mit 26,6 Prozent Wirkungsgrad basiert auf diesem Hetero­kontakt.

Aber auch diese Schichtstapel erreichen nicht den maximal möglichen Wirkungsgrad. Insbesondere ist bisher nicht im Detail verstanden, wie diese Schichten die Ladungsträger­trennung ermöglichen und was ihre nano­skopischen Verlustmechanismen sind. Die Kontaktschichten sind durch ihre intrin­sische Unordnung geprägt, die zum einen eine hervorragende Vergütung der Silizium­oberfläche ermöglicht und somit die Anzahl von Grenzflächen­defekten minimiert, zum anderen aber auch einen kleinen Nachteil mit sich bringt: Sie kann zu lokalen Kurzschlüssen sowie zu Transport­barrieren führen, welche das Vermögen der Kontakt­schicht verringern, wie eine einseitig durchlässige Membran oder ein Ventil die Ladung zu trennen.

Nun hat erstmals ein Team am Helmholtz Zentrum Berlin HZB und der University of Utah experimentell vermessen, wie und über welche Wege zwischen den Schichten Verlust­ströme laufen, die den Dunkelstrom der Solarzelle und damit das Wirkungs­potential prägen. Klaus Lips konnte mit einem Team um Christoph Boehme an der University of Utah aufwändige und sehr empfindliche Unter­suchungen durchführen und die Prozesse an der Grenzfläche erstmals auf Nanometer­skala aufklären. Dafür nutzten die Forscher die Methode der leitfähigen Rasterkraft­mikroskopie, die an der University of Utah verfeinert wurde. Diese Grenzfläche schließt aber prinzip­bedingt bei der Spannung, bei der der Arbeitspunkt der Solarzelle liegt, nicht perfekt – ein Dunkelstrom, der in Gegenrichtung fließt, reduziert die Ausbeute. Es wäre vorteilhaft, diesen Dunkelstrom auf sein thermo­dynamisches Minimum zu reduzieren.

Unter dem Rasterkraft­mikroskop tasteten die Physiker den Stromfluss durch einen selektiven Kontakt mit einer Platinspitze ab und beobachteten, wie sich bei zunehmender Spannung Dunkelstrom­kanäle mit Durchmessern von einigen Nanometern ausbildeten – diese „undichten Stellen“ im Kontakt­material reduzieren den Wirkungs­grad. „Die Stromkanäle sind der Finger­abdruck von lokalen Defekten im amorphen Silizium, die der Dunkelstrom quasi als Buddelhilfe nutzt, um sich durch die amorphe Kontaktschicht zu graben“, erklärt Lips. „Wir sprechen hier vom Defekt-assistierten quanten­mechanischem Tunneln! Das ist das erste Mal, das solche Zustände und Prozesse in einer real arbeitenden Solarzelle höchster Güte sichtbar gemacht werden konnten“, sagt der Physiker.

Außerdem zeigte sich, dass der Dunkel­strom in solchen Stromkanälen mit der Zeit stochastisch fluktuiert. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass hier eine kurzfristige Strom­blockade zu sehen ist, die durch lokale Ladung entsteht, die in benach­barten Defekten eingefangen wird. Diese Ladung kann auch dafür sorgen, dass die lokale Photo­spannung an einem Stromkanal auf oberhalb von einem Volt steigt, was weit oberhalb dessen liegt, was an einem makro­skopischen Kontakt abgreifbar ist. „An dieser Schnittstelle von der Nano- zu der Makrowelt liegt nicht nur die spannende Physik der Hetero­kontakte sondern auch das Verständnis, wie sich der Wirkungsgrad von Silizium­solarzellen noch gezielter verbessern lässt“, sagt Bernd Stannowski, der für die Entwicklung industrieller Silizium-Hetero­junction Solarzellen am HZB verant­wortlich ist.

HZB / JOL

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