Empa erreicht Rekordwirkungsgrade von 19.8 % für die Frontbeleuchtung und 10.9 % für die Rückbeleuchtung in einer bifazialen CIGS-Solarzelle

Neuauflage von Plato

Verfolger: 0

16 Dezember 2022

Bifaziale Dünnschicht-Solarzellen auf Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) können sowohl auf ihrer Vorder- als auch auf ihrer Rückseite Sonnenenergie sammeln – und damit potenziell mehr Solarstrom liefern als ihre konventionellen Pendants. Bisher hat ihre Herstellung jedoch nur zu bescheidenen Energieumwandlungswirkungsgraden geführt. Ein Team der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) hat nun ein neues Niedertemperatur-Produktionsverfahren entwickelt, das zu Rekordwirkungsgraden von 19.8 % für die Frontbeleuchtung und 10.9 % für die Rückbeleuchtung führt. Darüber hinaus produzierten sie auch die erste bifaziale Perowskit-CIGS-Tandemsolarzelle, was die Möglichkeit für noch höhere Energieerträge in der Zukunft eröffnet (SC Yang et al, 'Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 Dünnschichtsolarzellen für flexible und Tandemanwendungen mit silberunterstütztem Niedertemperaturprozess“, Nature Energy (2022); 21. November).

Wenn sowohl direktes Sonnenlicht als auch dessen Reflektion (über die Rückseite einer Solarzelle) eingefangen werden kann, soll dies die Energieausbeute der Zelle erhöhen. Mögliche Anwendungen sind zum Beispiel die gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV), die Agrivoltaik – die gleichzeitige Nutzung von Landflächen sowohl für die photovoltaische Stromerzeugung als auch für die Landwirtschaft – und vertikal oder schräg installierte Solarmodule auf Höhenlagen. Laut der International Technology Roadmap of Photovoltaics könnten bifaziale Solarzellen bis 70 einen Marktanteil von 2030 % des gesamten Photovoltaikmarktes erobern.

Obwohl bifaziale Solarzellen auf Basis von Siliziumwafern bereits auf dem Markt sind, hinken Dünnschichtsolarzellen bisher hinterher. Dies liegt zumindest teilweise an der eher geringen Effizienz bifazialer CIGS-Dünnschichtsolarzellen, die durch ein kritisches Flaschenhalsproblem verursacht wird: Damit jede bifaziale Solarzelle reflektiertes Sonnenlicht auf der Rückseite sammeln kann, ist eine optisch transparente Elektrischer Kontakt ist Voraussetzung. Dies wird durch die Verwendung eines transparenten leitfähigen Oxids (TCO) erreicht, das den undurchsichtigen Rückseitenkontakt in konventionellen – also monofazialen – Solarzellen aus Molybdän ersetzt.

Schädliche Oxidbildung

Hocheffiziente CIGS-Solarzellen werden im Allgemeinen durch einen Hochtemperatur-Abscheidungsprozess hergestellt, dh über 550 °C. Bei diesen Temperaturen findet jedoch eine chemische Reaktion zwischen dem Gallium (der CIGS-Schicht) und dem Sauerstoff des transparenten leitfähigen Oxid-Rückkontakts statt. Die resultierende Galliumoxid-Zwischenschicht blockiert den Fluss des durch Sonnenlicht erzeugten Stroms und verringert somit die Energieumwandlungseffizienz der Zelle. Die höchsten bisher erreichten Werte in einer Einzelzelle sind 9.0 % für die Vorderseite und 7.1 % für die Rückseite. „Es ist wirklich schwierig, eine gute Energieumwandlungseffizienz für Solarzellen mit transparenten leitenden Kontakten auf der Vorder- und Rückseite zu erreichen“, sagt Ayodhya N. Tiwari, Leiterin des Empa-Labors für Dünnschicht und Photovoltaik.

Bifaziale CIGS-Solarzellen bestehen aus sehr dünnen Schichten, insgesamt nur 3 µm für die aktiven Materialien. Auf einem transparenten elektrischen Kontakt abgeschieden, absorbiert die polykristalline CIGS-Schicht das Licht sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite. (Mit freundlicher Genehmigung der EMPA.)

Bild: Bifaziale CIGS-Solarzellen bestehen aus sehr dünnen Schichten, insgesamt nur 3 µm für die aktiven Materialien. Auf einem transparenten elektrischen Kontakt abgeschieden, absorbiert die polykristalline CIGS-Schicht das Licht sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite. (Mit freundlicher Genehmigung der EMPA.)

Daher entwickelte der Doktorand Shih-Chi Yang in der Gruppe von Romain Carron in Tiwaris Labor einen neuen Niedertemperatur-Abscheidungsprozess, der viel weniger des schädlichen Galliumoxids produzieren sollte – im Idealfall gar keins. Sie verwendeten eine winzige Menge Silber, um den Schmelzpunkt der CIGS-Legierung zu senken und Absorberschichten mit guten elektronischen Eigenschaften bei nur 350 °C Abscheidetemperatur zu erhalten. Als sie die Mehrschichtstruktur mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit Hilfe von Tiwaris ehemaligem Postdoc Tzu-Ying Lin (derzeit an der National Tsing Hua University in Taiwan) analysierten, konnte das Team kein Galliumoxid nachweisen die Schnittstelle überhaupt.

Angestrebter Energieertrag von mehr als 33 %

Dies spiegelte sich auch in einer drastisch verbesserten Energieumwandlungseffizienz wider: Die Zelle lieferte Werte von 19.8 % für die Frontbeleuchtung und 10.9 % für die Rückbeleuchtung, die vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg, Deutschland, unabhängig zertifiziert wurden – in dieselbe Zelle auf einem Glassubstrat.

Dem Team gelang es außerdem, erstmals eine bifaziale CIGS-Solarzelle auf einem flexiblen Polymersubstrat herzustellen, die – aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer Flexibilität – das Spektrum möglicher Anwendungen erweitert.

Schließlich kombinierten die Forscher zwei Photovoltaik-Technologien – CIGS und Perowskit-Solarzellen – um eine bifaziale Tandemzelle herzustellen.

Laut Tiwari hat die bifaziale CIGS-Technologie das Potenzial, eine Energieumwandlungseffizienz von über 33 % zu erreichen, was in Zukunft weitere Möglichkeiten für Dünnschicht-Solarzellen eröffnet. Tiwari versucht nun, eine Zusammenarbeit mit wichtigen Labors und Unternehmen in ganz Europa aufzubauen, um die Technologieentwicklung und ihre industrielle Herstellbarkeit in größerem Maßstab zu beschleunigen.

Stichworte: Empa Flexible CIGS

Besuchen Sie: www.nature.com/articles/

Besuchen Sie: www.empa.ch