Wie Nanonteilchen Solarzellen effizienter machen

Ultradünne CIGSe-Solarzelle mit Nanoteilchen aus Titandioxid

Die SiO2-Nanoteilchen (schwarz) wurden direkt auf das Molybdän-Substrat (lila) aufgedruckt, das als Rückkontakt dient. Die CIGSe-Schicht (rot) sowie weitere funktionale Schichten wurden auf das Nanomuster aufgebracht. Weil diese Schichten extrem dünn sind, drückt sich das Muster der Nanoteilchen erkennbar bis zur oberen Schicht durch.

Wissenschaftler konnten am HZB erstmals experimentell nachweisen, wie auf der Rückseite von ultradünnen CIGSe-Solarzellen angebrachte Nanoteilchen aus Titandioxid die Effizienz der Solarzellen beeinflussen. Sie könnten dadurch noch dünner und kostengünstiger hergestellt werden.

CIGSe-Solarzellen sind aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen aufgebaut und können hohe Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom erreichen. Um wertvolles und teures Indium einzusparen, soll die CIGSe-Schicht jedoch so dünn wie möglich sein. Dadurch sinkt allerdings der Wirkungsgrad sehr stark. Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin hat es geschafft, ultradünne CIGSe-Schichten von hoher Qualität herzustellen und mit winzigen Nanoteilchen auf der Rückseite der Zelle den Wirkungsgrad zu steigern. Nanoteilchen mit Durchmessern von einigen hundert Nanometern reagieren auf Licht in besonderer Weise. Wie sich Anordnungen von solchen Nanoteilchen nutzen lassen, um Solarzellen und andere optoelektronische Bauelemente zu optimieren, untersucht Prof. Dr. Martina Schmid mit der Nachwuchsgruppe Nanooptische Konzepte für die Photovoltaik am HZB. CIGSe-Solarzellen sind als Solarmodule mit Schichtdicken von einigen Mikrometern bereits kommerziell erhältlich. Ihre Dicke und damit ihr Preis lassen sich jedoch nicht beliebig minimieren, denn unterhalb von einem Mikrometer Dicke tritt ein strukturelles Problem auf: Die Ladungsträger treffen häufiger aufeinander und rekombinieren am Rückkontakt, so dass sie für die Stromerzeugung „verloren“ gehen. „Es dauerte mehr als ein Jahr, bis es mir gelang, ultradünne CIGSe-Schichten von nur 0,46 Mikrometern (460 Nanometern) herzustellen, die noch akzeptable Wirkungsgrade von bis zu 11,1 Prozent erreichen“, sagt Guanchao Yin, der seine Doktorarbeit im Team von Martina Schmid mit Auszeichnung abgeschlossen hat. Um den Wirkungsgrad der ultradünnen CIGSe-Zellen weiter zu steigern, sollten dann Anordnungen von Nanoteilchen eingefügt werden. Martina Schmid konnte dafür auf ihre guten Kontakte zur Arbeitsgruppe von Prof. Albert Polman am Center for Nanooptics in Amsterdam zurückgreifen. Diese Gruppe zählt zu den Pionieren auf dem Gebiet der Nanophotonik und ist in der Lage, beliebige Anordnungen von Nanoteilchen mit spezialisierten Nanodruck-Technologien zu produzieren.

Leistungsfähigkeit von CIGSe-Solarzellen mit Nanoteilchen optimieren

Die Leistungsfähigkeit von CIGSe-Solarzellen kann mit zusätzlichen Antireflektions-Nanoteilchen auf der Vorderund Rückseite der Zelle deutlich erhöht werden. Außerdem kann die Schichtdicke weiter reduziert werden, sodass die Solarzellen günstiger hergestellt werden können.

Nanoteilchen auf der Vorderseite sind wenig effektiv

Im ersten Schritt brachten die Kollegen aus Amsterdam ein Muster aus dielektrischen Titandioxid-Nanoteilchen (TiO2) oben auf der ultradünnen Solarzelle auf. Die Nanoteilchen sollten wie Lichtfallen wirken und das Licht in die CIGSe-Schicht weiterleiten. Dennoch wirkte sich dies weitaus weniger positiv auf den Wirkungsgrad aus als beispielsweise bei Silizium-basierten Solarzellen. Yin stellte daher weitere Versuche an und fand schließlich heraus, was am besten funktionierte: Nanoteilchen hinter der Absorberschicht, direkt auf dem Rückkontakt. Die Amsterdamer Kollegen stellten dafür eine Anordnung von dielektrischen SiO2-Nanoteilchen direkt auf dem Rückkontakt der Zelle her, einem Molybdän-Substrat. Auf dem derart strukturierten Substrat trugen Yin und die Kollegen am HZB eine ultradünne CIGSe-Schicht sowie alle weiteren Schichten auf, die für die Solarzelle nötig sind. Dadurch stieg der Wirkungsgrad von 11,1 auf 12,3 Prozent. Gleichzeitig nahm die Kurzschluss-Stromdichte der ultradünnen CIGSe-Zelle um mehr als zwei Milliampere je Quadratzentimeter zu. Mit zusätzlichen Antireflektions-Nanoteilchen auf der Vorderseite ließ sich der Wirkungsgrad der Solarzelle sogar auf bis zu 13,1 Prozent steigern. Nanoteilchen verhindern die Rekombination „Die Nanoteilchen auf der Rückseite fangen das Licht und streuen es effizient zurück in die aktive CIGSe-Schicht, deren Absorption dadurch erhöht wird“, erklärt Yin. Weitere Untersuchungen deuten darauf hin, dass die SiO2-Nanoteilchen auf der Rückseite der Zelle außerdem die Rekombination von Ladungsträgern einschränken, was ebenfalls zur Steigerung des Wirkungsgrads beiträgt. „Diese Doktorarbeit zeigt erstmals experimentell, wie sich durch Nanoteilchen auch bei ultradünnen CIGSe-Solarzellen die Effizienz steigern lässt. Dies hat uns auf weitere Ideen gebracht, wie wir zusätzlich zu den optischen auch die elektrischen Eigenschaften von Nanoteilchen nutzen können, um die Absorption von Licht zu erhöhen und den Verlust von Ladungsträgern zu begrenzen“, sagt Martina Schmid.


ACS Nano, 2015, 9 (10), pp 9603–9613 (DOI: 10.1021/acsnano. 5b04091): Light coupling and trapping in ultra-thin Cu(In,Ga)Se2 solar cells using dielectric scattering patterns; M.-C. van Lare, G. Yin, A. Polman and M. Schmid