Energietechnik/-Anwendungen
|
Elektrotechnik
Dünnschicht-Solarzellen starten Aufholjagd (2)
ep7/2007, 2 Seiten
3.3 Kupfer-Indium-Diselenid-Solarzellen (CIS) Bei diesem Solarzellentyp dient eine Legierung aus Kupfer, Indium und Diselenid als Halbleitermaterial (CuInSe2), dem oft zusätzlich Gallium und/oder Schwefel zugegeben wird (Cu(In,Ga)Se2; CuInS2). Diese Halbleiter sind durch Eigendotierung p-leitend und werden mit einem n-leitenden Fenstermaterial aus Cadmiumsulfid (CdS) und Zinkoxid (Zn0) zu einer großflächigen Solarzelle verarbeitet (Bild ). Als Rückkontakt dient eine dünne Schicht aus Molybdän, die im „Sputterverfahren“ (Kathodenzerstäubung) auf Fensterglas oder Folie aufgebracht wird. Mögliche Verluste durch Fehlanpassungen der Kristallgitter von CIS- und ZnO-Schichten lassen sich mit Hilfe einer n-leitenden CdS-Pufferschicht (Cadmiumsulfid) verringern. Der zurzeit laufende Aufbau einer Massenfertigung, die fast alle namhaften Hersteller anstreben, wird zu deutlich günstigeren Produktionskosten im Vergleich zu denen der Silizium-Wafer-Fertigung führen. CIS-Solarzellen in bereits laufenden Pilotproduktionen haben einen Wirkungsgrad von 11 bis 13 %. In dieser Hinsicht übertreffen sie alle anderen Dünnschicht-Solarzellen. In Laboranwendungen konnten sie bereits Werte von über 19 % erreichen. Bei Verwendung von unterschiedlichen Halbleitern des CIS-Materialsystems und deren Stapelung zu Multi-Tandem-Solarzellen ist ein theoretischer Wert von 30 % denkbar. Forscher suchen derzeit vor allem nach Änderungsmöglichkeiten an der Grenzfläche zwischen dem CIS-Halbleiter und dem Frontkontakt, die die Leistungsfähigkeit und Stabilität der CIS-Solarzelle entscheidend beeinflusst. Dabei könnte eine Indiumsulfiddie bisher verwendete Cadmiumsulfidschicht ersetzen. Intensiv gearbeitet wird außerdem an der Optimierung der integrierten Verschaltung der Zellen. Neuerdings kommen Halbleiter zum Einsatz, die neben Kupfer, Indium und Sulfid oder Selen (CIS) zusätzlich Gallium und Selen (CIGS) oder Gallium, Sulfid und Selen (CIGS-Se) enthalten. Als Beispiel soll hier der Aufbau einer CIGSSe-Solarzelle (Bild ) beschrieben werden: Die photovoltaischen Schichten sind auf einem mit Molybdän besputterten Glas-Substrat, das als Rückkontakt dient, aufgebracht. Da CIGSSe ein Halbleiter mit hohem Absorptionsvermögen ist, genügen bereits Schichtdicken von 2 m zur Lichtabsorption. Die p-CIGGSe-Absorberschicht wird in zwei Prozessschritten hergestellt. Zuerst werden Kupfer, Indium und Gallium auf das mit Molybdän beschichtete Glas aufgesputtert. Im zweiten Schritt wird diese Vorläuferschicht in einem Diffussionsofen unter Schwefel- und Selenatmosphäre aufgeheizt, wobei die CIGGSe-Schicht entsteht. Den n/n+-dotierten Partner bildet das ZnO (Zinkoxid). Zuerst wird eine intrinsische ZnO-Schicht (i-ZnO) aufgebracht und darauf eine mit Aluminium dotierte ZnO-Schicht (ZnO:Al) abgeschieden. Die i-ZnO-Schicht dient sowohl als Diffusionsbarriere für Aluminium als auch zur Verringerung von Parallelwiderstandsverlusten. Eine CdS-Schicht (Kadmiumsulfid), sorgt für eine optimale Anpassung des pn-Heteroübergangs und bewirkt eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Solarzellen. 3.4 Cadmium-Tellurid-Solarzellen (CdTe) Cadmium-Tellurid ist ein p-leitender Halbleiter und wegen seiner physikalisch-chemischen Eigenschaften für Dünnschicht-Solarzellen gut geeignet. Das hohe Absorptionsvermögen erlaubt sehr dünne Schichten von wenigen Mikrometern. Die Herstellung von CdTe-Solarzellen beginnt damit, dass auf ein Trägerglas eine transparente TCO-Leitschicht, meistens aus Indium-Zinnoxid (ITO), als Vorderseitenkontakt aufgebracht wird. Hierauf folgt eine möglichst dünne n-leitende CdS-Fensterschicht, dann die p-leitende CdTe-Absorberschicht und zum Schluss die Kontaktschicht (Bild ). Die wichtigen Halbleiterschichten CdS und CdTe werden mit einem einfachen Aufdampfverfahren hergestellt, wobei eine etwa 600 °C heiße Dampfquelle den Halbleiter auf das mit 500 °C etwas kühlere Trägerglas aufdampft (das Trägerglas „beschlägt“ mit dem Halbleitermaterial). Ein spezieller thermischer Prozess nach der Abscheidung optimiert die CdS-und CdTe-Schichten in ihren elektronischen Eigenschaften. Der metallische Rückkontakt wird über einen Sputterprozess aufgebracht. Er ist übrigens eine Schwachstelle von CdTe-Solarzellen, da er eine frühzeitige Alterung verursachen könnte. Cadmium-Tellurid wird häufig irrtümlicherweise als giftig bezeichnet. Zwar ist Cadmium als solches ein toxisches Element, in Verbindung mit Tellur ist es jedoch ungiftig und zudem sehr stabil (es zerfällt erst bei Temperaturen über 1000 °C). Die Hersteller nehmen ausgediente Module zurück, um sie einem umweltgerechten Recycling zuzuführen. Die Cadmium-Tellurid-Technologie ermöglicht Herstellungskosten, die niedriger sind als bei allen anderen Dünnschicht-Verfahren. Eine Massenproduktion in großen Maßstäben kann zukünftig weitere hohe Kostensenkungspotentiale erschließen. Der Modulwirkungsgrad liegt bei 10 %. Im Labor wurden Werte von 16,5 % erreicht. Moderne hochwertige Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 7 596 FÜR DIE PRAXIS Energieversorgung Dünnschicht-Solarzellen starten Aufholjagd (2) H. Buers, Berlin Der erste Teil des Beitrags [1] beschrieb die typischen Merkmale von Dünnschicht-Solarzellen sowie den Aufbau von Modulen aus kristallinem und amorphem Silizium. Nachfolgend werden weitere Dünnschicht-Typen vorgestellt, die entweder Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten sind oder sich bereits in der Serienfertigung befinden. Autor Hermann Buers ist freier Fachjournalist, Berlin. Aufbau einer CIS-Solarzelle Aufbau einer CIGSSe-Solarzelle Aufbau einer CdTe-Solarzelle EP0707-596-599 21.06.2007 14:18 Uhr Seite 596 CdTe-Module haben keine Anfangsdegradation (im Gegensatz zu Solarzellen aus amorphem Silizium). Ein weiterer Vorteil: Sie reagieren weniger empfindlich auf steigende Temperaturen. Während herkömmliche Solarzellen deutlich an Effizienz einbüßen, wenn sie sich erwärmen, zeigen sich CdTe-Dünnschichtzellen in dieser Hinsicht weniger anfällig. CdTe ist zudem ein sehr robustes Halbleitermaterial, das relativ einfache Zellstrukturen und Produktionsprozesse ermöglicht. Farbstoff-Solarzelle Eine der interessantesten Entwicklungen der letzten Jahre ist ein Solarzellentyp, den bereits 1991 der Schweizer Professor Michael Grätzel vorgestellt hat und der sich in Zukunft zur preisgünstigsten Alternative zur Siliziumtechnologie entwickeln könnte: Die Farbstoff-Solarzelle (Bild ). Seit Anfang 2001 beschäftigt sich auch das Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg mit dieser Technologie. Die Farbstoff-Solarzelle ist grundsätzlich anders aufgebaut als klassische Solarzellen: Sie wandelt Sonnenlicht mit Hilfe eines Farbstoffes in Energie um, ein Vorgang, der der Photosynthese bei Pflanzen gleicht. Bei der Entwicklung kommen den Forschern Fortschritte der Nanotechnologie zugute, die eine vielfach vergrößerte Lichtabsorption ermöglichen und so zu einer Effizienzsteigerung der Farbstoffsolarzelle auf etwa 8 % führen. Die Freiburger prognostizieren für die Zukunft Wirkungsgrade von 12 %. Ein wesentlicher Vorteil der Farbstoff-Solarzelle sind die preisgünstigen Ausgangsmaterialien sowie einfache Herstellungsschritte. Wenn es gelingt, sie zur Serienreife zu bringen, wäre eine zusätzliche kostengünstige Möglichkeit der solaren Stromerzeugung geschaffen. Flexible „Organische Solarzelle“ Eine weitere Technologie mit guter Zukunftsperspektive ist die flexible „Organische Solarzelle“. Sie eignet sich auf Grund ihrer Umweltverträglichkeit und der niedrigen Herstellungskosten insbesondere auch als Spannungsquelle für kurzlebige Produkte. In Kombination mit gedruckter organischer Elektronik eröffnen sich interessante Integrationsmöglichkeiten in Verpackungsmaterialien und Textilien. Gegenwärtig beträgt der Wirkungsgrad „Organischer Solarzellen“ lediglich 3 %. Mit Hilfe der Entwicklung und Optimierung von Zellstrukturen wollen die Forscher am Fraunhofer ISE den Lichteinfang durch Aufprägen von Nanostrukturen erhöhen. Sie profitieren dabei von der langjährigen Erfahrung des Instituts bei der großflächigen Nanostrukturierung von polymeren Materialien. Ausblick Zweifelsohne werden auf absehbare Zeit mono- und polykristalline Siliziumzellen den Modulmarkt noch beherrschen, zumal Entwickler und Produzenten hinsichtlich höherer Wirkungsgrade in den vergangenen Jahren kontinuierlich Fortschritte erzielen konnten. Außerdem arbeitet man an Verfahren, die die Herstellung größerer und vor allem dünnerer Siliziumscheiben erlauben. Damit aber tauchen auch weitere Hürden auf: Dünnere Wafer lassen sich nur mit hochpräzisen Laser-Schneidverfahren herstellen. Die Kontakte können nicht mehr einfach aufgedruckt, sondern müssen mit Hilfe neuer Technologien angebracht werden. Zudem sind dünne Wafer auf Grund ihrer Brüchigkeit schwer zu handhaben. Das bedeutet: Alle Prozesse der Wafer-, Zellen- und Modulfertigung müssen verbessert und an die neuen Wafer- und Zelldicken angepasst werden. Dieser zunehmende Produktionsaufwand hat den Dünnschichtmodulen neue Marktchancen eröffnet. Wegen ihrer im Vergleich zu mono-und polykristallinen Siliziumzellen schlechteren Wirkungsgrade können sie aber nur über niedrigere Preise und höhere Erträge konkurrenzfähig werden. Das erfordert deutlich größere Umsatzzahlen und weitere Standardisierungen. Es liegt nun an den Unternehmen, mit ihren neu gebauten großen Produktionslinien die viel versprechenden Anfangserfolge einiger Test- und Vergleichsanlagen zu bestätigen. Literatur [1] Buers, H.: Dünnschicht-Solarzellen starten Aufholjagd (1). Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 6, S. 510-514. [2] DGS, Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, Landesverband Berlin Brandenburg e. V. (Hrsg.): Photovoltaische Anlagen. Berlin 2005. [3] Photovoltaik - ein Fall für das Elektrohandwerk. Grundlagen - Zellentypen - Modultechnik. Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 9, S. 736-740. Energieversorgung FÜR DIE PRAXIS Farbstoff-Solarzelle Foto: Fraunhofer ISE EP0707-596-599 21.06.2007 14:18 Uhr Seite 597
Ähnliche Themen
Autor
- H. Buers
Downloads
Laden Sie diesen Artikel herunterTop Fachartikel
In den letzten 7 Tagen:
Sie haben eine Fachfrage?