Nanostrukturen steigern Wirkungsgrad

Eine interessante Klasse von Solarzellen besteht aus den Elementen Kupfer, Indium, Gallium und Selen, die in einer Chalkopyrit-Kristallstruktur angeordnet sind. Dünnschicht-CIGSe-Solarzellen können im Labor Wirkungsgrade von bis zu 22,6% erreichen und besitzen im Vergleich zu den marktführenden Solarmodulen aus Silizium einige Vorteile. Unter anderem lassen sie sich mit weniger Energie herstellen und haben geringere Einbussen bei Verschattung.

Die Massenproduktion von CIGSe-Zellen würde jedoch grosse Mengen Indium erfordern. Indium zählt aber zu den seltenen Elementen, deren Vorkommen weltweit begrenzt sind. Ein interessanter Ansatz ist daher, CIGSe-Dünnschichten noch deutlich dünner zu machen. Während eine typische CIGSe-Dünnschicht-Solarzelle 2-3 µm dick ist, misst eine «ultradünne» Schicht weniger als 0,5 µm und kommt für die gleiche Modulfläche mit einem Bruchteil an Indium aus. Allerdings absorbieren ultradünne Solarzellen auch wesentlich weniger Licht, was den Wirkungsgrad stark verringert.

Nun hat die Forschungsgruppe Nanooptix am HZB gezeigt, wie sich die Absorptionsverluste in ultradünnen CIGSe-Schichten grösstenteils verhindern lassen. Gemeinsam mit Forschern des Institute for Atomic and Molecular Physics (Amolph), Niederlande, haben sie nanostrukturierte Rückkontakte entwickelt, die das Licht einfangen: Diese Nanostruktur besteht aus einem regelmässigen Muster aus Siliziumoxidpartikeln auf einem ITO-Substrat.

Kombiniert mit einer reflektierenden Schicht erreichte die beste ultradünne CIGSe-Zelle eine Kurzschlussstromdichte von 34,0 mA/cm². Dies ist der bislang höchste Wert, der jemals an einer ultradünnen CIGSe-Zelle gemessen wurde. Mehr noch: Dies entspricht bereits 93% der Kurzschlussstromdichte der Rekord-CIGSe-Zelle mit üblicher Dicke.