17. Juli 2020

Neuer Rekordwirkungsgrad für CIGS-Tandemsolarzellen

Innerhalb des Forschungsprojekts speedCIGS haben die Projektpartner mit 24,3 Prozent Wirkungsgrad einen neuen Weltrekord erreicht.

Mit dem neuen Wert übertreffen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Universitäten, Forschungsinstitute und Unternehmen ihren Rekord aus September 2019. Hier meldeten sie bereits einen Wirkungsgrad von 23,3 Prozent für ihre optimierten Dünnschicht-Solarzellen aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen – kurz „CIGS“. Die CIGS-Schicht wird dabei mit einer obenauf liegenden Schicht aus Perowskit-Material kombiniert, verschaltet zu einer Perowskit-CIGS-Tandemsolarzelle. Perowskite sind in der Photovoltaik-Forschung erst seit circa zehn Jahren relevant. Seitdem haben sie auch in anderen Bereichen zu stark steigenden Wirkungsgraden geführt.

Das Konzept nutzt das Sonnenlicht besonders effizient: Zunächst absorbiert die obere Perowskit-Schicht das kurzwellige, blau bis grüne Sonnenlicht. Der langwellige, rot bis infrarote Anteil des Sonnenlichts geht durch die obere Schicht hindurch und trifft weiter unten auf die CIGS-Schicht. Beide Schichten erhalten somit den Anteil des Sonnenlichts, den sie in Strom umsetzen können. Bei der hier verwendeten sogenannten monolithischen Anordnung durchfließt der Strom beide Zellen, wodurch sich die Spannungen addieren.

Kontaktschicht der Tandemsolarzelle transparent und leitfähig

Im Projekt speedCIGS haben sich die Projektpartner insbesondere mit der Kontaktschicht beschäftigt, die sich zwischen den zwei Schichten befindet. Diese muss einerseits transparent für Sonnenlicht sein, andererseits aber auch einen guten elektrischen Kontakt der Materialien herstellen. Die Arbeiten an der Kontaktschicht sind Teil der Arbeiten des Projektpartners Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) am Kompetenzzentrum Photovoltaik „PVcomB“. Mit beteiligt ist auch die dort angesiedelte Nachwuchsgruppe von Professor Steve Albrecht, die durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird. „Die Doktoranden und Post-Docs haben hier einen enormen Beitrag zu dem Erfolg der Arbeiten geleistet“, bedankt sich Professor Johannes Windeln, Projektkoordinator an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt, bei den Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern.

Zu sehen ist die Zellstruktur im Mikrometerbereich, die einzelnen Schichten sind gut zu erkennen.

Querschnitsaufnahme der Rekordzelle: Die Kontaktschicht zwischen der CIGS-Schicht und der Perowskitschicht ist transparent und elektrisch leitfähig.

Mit 24,3 Prozent erreicht die CIGS-Technologie Wirkungsgrade, die im Bereich der herkömmlichen Silizium-Technologie liegen. „Da noch weitere gute Ideen zur Weiterentwicklung auf dem Tisch liegen, gehen wir zudem davon aus, dass bis Ende 2020 noch eine erneute Verbesserung der Rekordmarke durch das speedCIGS-Projekt zu erwarten ist“, schätzt Johannes Windeln.

Lücke zwischen Labor und industrieller Fertigung schließen

Das 2016 gestartete Projekt hat das übergeordnete Ziel, die Lücke zwischen den Wirkungsgraden, die im Labor erreicht werden, und den Wirkungsgraden, die später bei industriell produzierten Modulen erreicht werden, zu schließen. Die Schnelligkeit von Fertigungsprozessen ist ein wichtiges Element für die Wirtschaftlichkeit des Produkts – daher auch der Name „speedCIGS“. Ein weiterer Ansatzpunkt für Forschung und Entwicklung sind Fehlstellen innerhalb der Struktur, die reduziert werden sollen. Auch Alkalielemente werden schwerpunktmäßig untersucht. Alkali wird genutzt, um die Solarzellen zu dotieren. Die Halbleiterschicht wird dabei mit einer geringen Zahl an Fremdatomen versetzt, um die elektrische Leitfähigkeit zu beeinflussen. Die richtige Vorgehensweise hierbei hat einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der CIGS-Solarzellen.

Die Arbeiten des Projekts führen auch zu Erfolgen im Bereich der herkömmlichen CIGS-Technologie. Bereits Ende letzten Jahres hat der Projektpartner NICE Solar Energy einen Weltrekord im Bereich industriell hergestellter CIGS-Module  verkünden können, der unter anderem auch mit den Erkenntnissen aus SpeedCIGS ermöglich wurde. Unabhängig von speedCIGS hat das HZB zudem im Bereich der Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen Anfang dieses Jahres einen Wirkungsgradrekord  vermelden können.

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