Schlankheitskur für Solarzellen

Paris (Frankreich)/Freiburg - Solarzellen aus Cadmiumtellurid oder Galliumarsenid sind heute schon um ein Vielfaches dünner als Silizium-Solarzellen. Nun können die nur zwei bis vier millionstel Meter dünnen Halbleiterschichten sogar noch weiter auf etwa ein Zehntel der bisher üblichen Dicke schrumpfen. Französische und deutsche Solarforscher haben dazu eine Galliumarsenid-Solarzelle mit einer nur 205 Nanometer dünnen Halbleiterschicht entwickelt. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ berichten, erreichte sie einen Wirkungsgrad von fast 20 Prozent. Verantwortlich für diesen relativ hohen Wert ist eine ausgeklügelte Spiegel-Schicht auf der Rückseite der Solarzelle.

Dünnschicht-Solarzellen haben den Vorteil, dass sie sehr wenig Halbleiter-Material benötigen. Zudem lassen sie sich mit günstigen Beschichtungsverfahren schneller in großen Mengen herstellen als Silizum-Solarzellen. Doch je dünner die Schichten sind, desto weniger Sonnenlicht können sie absorbieren und in elektrischen Strom umwandeln. Dieses Problem löste nun Stéphane Collin vom Centre for Nanoscience and Nanotechnology der Université Paris-Saclay gemeinsam mit Kollegen von Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Sie entwickelten eine nanostrukturierte Spiegel-Schicht aus Silber und Titandioxid auf der Rückseite der Solarzelle. Dadurch lenkten sie das einfallende Sonnenlicht mehrmals durch die Halbleiterschicht aus Galliumarsenid und konnten so den Wirkungsgrad deutlich steigern.

Für ihren Prototyp verteilten Collin und Kollegen auf einer Trägerschicht ein zähflüssiges Gel aus Titandioxid. Mit einem weichen Stempel aus Polydimethylsiloxan pressten sie eine filigrane Nanostruktur in dieses Gel. Nach dem Aushärten folgte darauf eine hoch reflektierende Schicht aus Silber. Auf dieser spiegelnden Grundlage deponierten sie die nur 205 Nanometer dünne, photovoltaisch aktive Schicht aus Galliumarsenid. Erste Versuche im Labor mit normiertem, künstlichen Sonnenlicht zeigten einen relativ hohen Wirkungsgrad von 19,9 Prozent. Zum Vergleich: Solarzellen mit zehnfach dickeren Galliumarsensid-Schichten erreichen etwa 29 Prozent.

Die Solarforscher sind davon überzeugt, dass sich der Wirkungsgrad ihrer extrem dünnen Solarzellen mit „Rückspiegel“ in Kürze auf 25 Prozent steigern und sich damit der Abstand zu den dickeren Solarzellen drastisch verringern ließe. Diese Technologie lässt sich auch auf andere Halbleiter-Materialien wie Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) übertragen. Da gerade Tellur und Indium relativ teuer sind, könnten die Materialkosten für diese Dünnschichtzellen weiter gesenkt werden.