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Abb. 16: Schritt für Schritt von der Glasscheibe zur Solarzelle: Poly-Silizium-Solarzellen auf Glas entstehen durch epitaktische Verdickung von Saatschichten.
© HZB

Abb. 17: Energienutzung verschiedener Materialien im Sonnenspektrum.
© HZB

Abb. 18: Schematische Darstellung einer Tandemzelle; die Kombination von zwei unterschiedlichen photovoltaisch aktiven Schichten ermöglicht eine bessere Ausnutzung des Sonnenlichts.
© HZB

Abb. 19: Rolle zu Rolle Technologie zur Herstellung von CIGS-Solarzellen.
© Solarion

Abb. 20a: In der Vakuum-Clusteranlage können ohne Unterbrechung des Vakuums alle Oberflächentechnologien zur Herstellung materialsparender Dünnschichtzellen in beliebiger Reihenfolge miteinander kombiniert werden.
© Fraunhofer FEP

Abb. 20b: In der Vakuum-Clusteranlage können ohne Unterbrechung des Vakuums alle Oberflächentechnologien zur Herstellung materialsparender Dünnschichtzellen in beliebiger Reihenfolge miteinander kombiniert werden.
© Fraunhofer FEP

Abb. 21: Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silizium.
© HZB
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Dünnschicht-Solarzellen

In Dünnschichttechnologie gefertigte Solarmodule basieren auf Halbleitern, die großflächig und zumeist kostengünstig auf preiswerte Substrate wie Glas, Metall- oder Plastikfolien aufgebracht werden. Der Vorteil liegt in dem geringen Materialeinsatz und der vergleichsweise einfachen Produktionstechnik für große Flächen. Neben amorphem und mikrokristallinem Silizium kommen unterschiedliche Verbindungshalbleiter zum Einsatz, die spezifische Vor- und Nachteile aufweisen. Noch liegen die Wirkungsgrade deutlich unter denen der kristallinen Si-Zellen.

Material und Bauelement

Die Siliziumatome sind bei amorphem Silizium nicht regelmäßig sondern in einem ungeordneten Netzwerk angeordnet, welches ca. 10% Wasserstoffatome enthält. Der Bandabstand des Materials ist größer als der von kristallinem Silizium, daher liefern die Solarzellen hohe Zellspannungen. Unter Beleuchtung nimmt der Wirkungsgrad der Solarzellen zunächst ab, bleibt aber dann stabil. Mikrokristallines Silizium ist eine Mischphase aus sehr kleinen Siliziumkristallen und amorphem Silizium. Auch hier enthält dasMaterialWasserstoff, der wie beim amorphen Silizium zu einer inhärenten Passivierung von elektronischen Defekten führt. Mikrokristallines Silizium zeigt keine oder nur eine sehr geringe Lichtalterung und absorbiert im Gegensatz zum amorphen Silizium auch Sonnenlicht aus dem nahen lnfrarot.

Technologien zur Herstellung der Bauelemente

Sowohl amorphes (a-Si:H) als auch mikrokristallines (μc-Si:H) Silizium wird mittels PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) durch Zerlegung von Silan (SiH4) und Wasserstoff hergestellt. Da der Prozess bei niedrigen Temperaturen von ca. 200 °C läuft, können kostengünstige Substratmaterialien wie Glas aber auch Metall- und Kunststofffolien eingesetzt werden. Die relativ geringe Depositionsgeschwindigkeit von 0,5 bis 2 nm/s beschränkt den Durchsatz der derzeitigen industriellen Produktion.

Für höchste Wirkungsgrade ist neben der Silizium-Schicht der transparente und leitfähige Frontkontakt, meistens ein dotiertes Metalloxyd wie Zinn- oder Zinkoxyd, von entscheidender Bedeutung.

Am Forschungszentrum Jülich (FZJ) wurde für a-Si/μc-Si Tandemzellen ein Frontkontakt aus nanotexturierten Zinkoxidschichten entwickelt. Sie streuen zusammen mit dem reflektierenden Rückkontakt das Licht in der Zelle nahezu vollständig, das ermöglicht hohe Wirkungsgrade. Wie durch Lichtmanagement erreicht werden kann, dass das einfallende Licht in der Solarzelle längere Wege zurücklegt und mehr Solarstrom produziert wird, erforscht das Projekt LIMA (Lichtmanagement für industriell gefertigte Silizium-Dünnschicht-Module).

Dünne Poly-Silizium-Zellen auf Glas

Für höhere Wirkungsgrade werden als Alternative zum a-Si/μc-Si-Tandemkonzept auch mikrometerdicke polykristalline Silizium-Schichten auf Glas untersucht. Dieses polykristalline Material besitzt auf Grund seiner wesentlich größeren Kristallite (μm statt nm) große Ähnlichkeit zu kristallinem Silizium. Es hat also eine höhere elektronische Qualität und eine geringere Absorption. Das Helmholtz-Zentrum Berlin arbeitet an einem Zellkonzept für Poly-Silizium-Zellen auf Glas, bei dem die Silizium-Schicht mit Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden wird; bisher sind Wirkungsgrade von 7% erreicht worden.

Die Industrialisierung der Dünnschicht-Silizium-Technologie

In den letzten Jahren ist eine große Produktionskapazität aufgebaut worden. Module mit einem Wirkungsgrad von 9–10% sind am Markt erhältlich. Größter Produzent ist derzeit die japanische Firma Sharp, die ihre Kapazität in Japan und Italien auf 1 GWp ausbaut.

Aktuell arbeiten Forscher daran, den Modulwirkungsgrad auf 12% zu erhöhen, die Abscheiderate zu steigern sowie die Frontkontakte zu verbessern.

CIS-/ CIGSe-Zellen

Die höchsten Wirkungsgrade auf dem Gebiet der Dünnschicht- PV liefern derzeit Solarzellen mit einem hochabsorbierenden Verbindungshalbleiter aus dem Materialsystem Cu(In,Ga,Al)(S,Se)2. Diese Verbindungen werden aufgrund ihrer Kristallstruktur zu den Chalkopyriten gezählt. Mehrere Universitäten und Forschungsinstitute arbeiten an der Herstellung und Charakterisierung von Chalcopyrit-basierten Solarzellen. Mit einem Wirkungsgrad von 20,1% holte das Stuttgarter ZSW2010 den langjährig vom National Renewable Energy Labs (USA) gehaltenen Weltrekord zur Effizienz von CIGSe-Labor-Solarzellen nach Deutschland.

Material und Bauelement

Auf einem Trägermaterial, in der Regel Glas, wird eine etwa 1,8 – 2 μm dicke, p-leitende Cu(In,Ga,Al)(S,Se)2 Absorberschicht abgeschieden. Eine darüberliegende CdS-Pufferschicht stellt die hohe Qualität der Grenzfläche zwischen der p- und n-Komponente des Halbleiter-HeteroÜbergangs in CIGSe-Dünnschichtsolarzellen sicher. Der darauf ca. 300 nm dick aufgesputterte n-leitende, transparente ZnO-Frontkontakt dient der Stromsammlung. Die gefertigten Zellen werden strukturiert und zu Modulen serienverschaltet. Um eine 25-jährige Lebensdauer auf Dach oder im Feld gewährleisten zu können, müssen die Solarmodule gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Sie werden deshalb mit einer Polymerfolie und einem Deckglas verkapselt.

Die Industrialisierung der CIGSe-Technologie

Viele junge Firmen haben erfolgreich eine Pilotfertigung aufgebaut, einige haben bereits mit der Aufskalierung in industriellem Umfang angefangen. In Deutschland sind diesWürth Solar, Solibro, Avancis, Sulfurcell, Global Solar Deutschland. Auch weltweit werden große Anstrengungen unternommen. So hat die japanische Firma Solar Frontier 2010 angekündigt, die derzeit größte Produktion von rund einem Gigawatt aufzubauen.

In den vergangenen Jahren haben sich einige Firmen in Deutschland und den USA auf flexible CIGSe-Dünnschichttechnologien spezialisiert: Global Solar Energy, Solarion, Odersun, CIS Solartechnik, Solopower, Miasole und Nanosolar. Alle genannten Firmen setzen auf ein Rolle-zu-Rolle Herstellungsverfahren.

Indium-freie Zellen

Insbesondere Indium gehört zu den Rohstoffen, die aufgrund ihrer vielfältigen technischen Verwendungsmöglichkeiten in Zukunft knapp und teuer werden könnten. Die neuere Forschung zeigt, dass auch die Halbleiterverbindungen Cu2ZnSnS4 (CZTS) sowie Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) eingesetzt werden können. Diese sogenannten Kesterite stellen ein Absorbermaterial dar, das aus reichlich vorhandenen und ungiftigen Komponenten besteht. Erste Versuche, photovoltaische Bauelemente mit CZTS-Absorbern herzustellen, resultierten in Wirkungsgraden von 7–10%.

Flexible CIGSe-Zellen

Die Herstellung der CIGS-Zellen auf flexiblen Folien hat in letzter Zeit große Fortschritte gemacht. Für die Massenproduktion werden von verschiedenen Firmen Stahlfolien oder temperaturbeständige Kunststoffe (Polyimid) verwendet. Der momentane Rekordwirkungsgrad für CIGSe-Dünnschichtsolarzellen auf Polyimidfolie liegt bei 17,6% (2010, EMPA, CH).

Bisher erreicht der Wirkungsgrad der CIGS-Zellen etwa 20%, während im Prinzip Wirkungsgrade von über 30% möglich sind. Mit einer Computersimulation zum sog. Indium-Gallium-Rätsel ist Wissenschaftlern der Universität Mainz ein wichtiger Durchbruch bei der Suche nach effizienteren Dünnfilm-Solarzellen gelungen. Die Erkenntnisse aus dem comCIGS-Projekt weisen einen neuen Weg zur Effizienzsteigerung.

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