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.
- Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.
- Samira Aden ist Mitglied der ETIP PV - The European Technology & Innovation Platform for Photovoltaics ESG Arbeitsgruppe.Samira Jama Aden, Architektin in der Beratungstelle für bauwerkintegrierte Photovoltaik (BAIP), ist der Arbeitsgruppe “Environmental, Social and Governance (ESG)” der ETIP PV - The European Technology & Innovation Platform for Photovoltaics beigetreten.