Jülicher Forscher: Neue TPC-Solarzelle kann mehr als 26 Prozent Wirkungsgrad erreichen

© Forschungszentrum Jülich

Jülich – Silizium-Solarzellen konnten in den vergangenen Jahrzehnten stetig verbessert und die Kosten für den Solarstrom rasant reduziert werden. Doch noch gibt es weiteres Potenzial zur Steigerung des Wirkungsgrades, wie Jülicher Forschende mit der neu entwickelten TPC-Solarzelle zeigen.

Kristalline Solarzellen erreichen bereits Wirkungsgrade von bis zu 23 Prozent. Mit noch höheren Wirkungsgraden von mehr als 26 Prozent könnten die Kosten weiter sinken. Diesem Ziel ist eine internationale Arbeitsgruppe rund um Solarforschende am Forschungszentrum Jülich nachgegangen und haben ein neues Solar-Design entwickelt.

Höhere Solar-Wirkungsgrade: Rekombinationen stören
Nach der Absorption des Sonnenlichts und der photovoltaischen Erzeugung von elektrischen Ladungsträgern tritt noch immer der störende Effekt der Rekombination auf. Dabei vereinen sich bereits erzeugte negative und positive Ladungsträger und löschen sich gegenseitig aus, bevor sie für den Fluss von Solarstrom genutzt werden konnten. Der Wirkungsgrad der Solarzelle sinkt durch diesen Effekt. Die Lösung: Gegen die Rekombination helfen spezielle Materialien, die eine besondere Eigenschaft – eine Passivierung – aufweisen, teilte das Forschungszentrum Jülich mit.

Passivierung durch nanostrukturierte Schichten
Die Passivierung erreichen die Forschenden mit einem nanostrukturierten, durchsichtigen Material für die Vorderseite von Solarzellen und einem ausgeklügelten Design. „Unsere nanostrukturierten Schichten bieten genau diese gewünschte Passivierung“, sagt der mittlerweile promovierte Doktorand und Erstautor Malte Köhler vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-5). Zusätzlich sind die hauchdünnen Schichten transparent – der Lichteinfall wird also kaum reduziert – und zeigen eine hohe elektrische Leitfähigkeit. „Kein anderer Entwicklungsansatz vereint bisher diese drei Eigenschaften – Passivierung, Transparenz, Leitfähigkeit – so gut wie unser neues Design“, erläutert Dr. Kaining Ding, Leiter der Jülicher Arbeitsgruppe.

Die Herstellung der Schichten erfolgt in mehreren Prozessschritten. Auf einer Lage Siliziumdioxid wird eine Doppelschicht aus pyramiden-förmigem Nanokristallen aus Siliziumkarbid aufgetragen, und zwar bei zwei unterschiedlichen Temperaturen. Zum Abschluss folgte eine durchsichtige Lage aus Indiumzinnoxid. Zur Beschichtung eingesetzt werden nasschemische Verfahren, Ablagerung aus der Dampfphase und ein Sputter-Prozess.

Erster Prototyp der neuen TPC-Solarzelle – mehr als 26 Prozent Wirkungsgrad möglich
Ein erster Prototyp der Jülicher TPC-Solarzelle – die Abkürzung steht für „Transparent Passivating Contact“ – erreichte im Labor einen hohen Wirkungsgrad von 23,99 Prozent (+- 0,29 Prozent). Der Wert wurde vom unabhängigen CalTeC-Prüflabor des Instituts für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) bestätigt. Die Jülicher TPC-Solarzelle rangiert damit noch etwas unter den bisher besten Laborzellen aus kristallinem Silizium. Ding weist jedoch darauf hin, dass nur Verfahren eingesetzt wurden, die sich derzeit auch relativ schnell in die Serienproduktion integrieren lassen. Auf der Basis von durchgeführten Simulationen konnten die Jülicher Forscher zeigen, dass mit der TPC-Technologie Wirkungsgrade von mehr als 26 Prozent möglich sind.

TPC-Solarzelle: Internationale Kooperation
Für ihren Erfolg haben die Jülicher Forscher vom IEK-5 und des Jülicher Ernst-Ruska Zentrums für Elektronenmikroskopie eng mit mehreren Instituten in den Niederlanden, China, Russland und Ecuador zusammengearbeitet. Zu den Partnern zählen Forschende der RWTH Aachen, der Universität Duisburg-Essen, der Technischen Universitäten Delft und Eindhoven, der Universidad San Francisco de Quito, der Universität und des Kutateladze Institute of Thermophysics in Novosibirsk und der Sun Yat-Sen Universität in Guangzhou. In weiteren Schritten will die Arbeitsgruppe um Kaining Ding die Stromausbeute ihrer TPC-Solarzellen weiter optimieren. „Wir rechnen auch mit einem großen Interesse der Solarzell-Hersteller an unserer Technologie“, sagt Ding.