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Forscher widerlegen 20 Jahre alte Annahmen der Solarzellenherstellung

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Veröffentlicht am Donnerstag, den 22. März 2018

Ein von der Universität Luxemburg geleitetes Forschungsprojekt untersuchte das Herstellungsverfahren von Solarzellen. Die Forscher konnten nachweisen, dass Annahmen über die chemischen Prozesse, die über die letzten 20 Jahre bei Forschern und Herstellern weitverbreitet waren, unzutreffend sind.

Die Physiker veröffentlichten ihre Forschungsergebnisse in der angesehenen Fachzeitschrift Nature Communications.

Die Effizienz von Solarzellen verbessern

Photovoltaische Solarmodule erzeugen Elektrizität mit Hilfe von Sonnenlicht. Die Paneele absorbieren einfallendes Licht, das Elektronen anregt, sich in eine vorgegebene Richtung zu bewegen, was elektrischen Strom erzeugt, der Motoren antreiben oder Glühbirnen zum Leuchten bringen kann. Dies erfolgt über das Zusammenwirken von mehreren Halbleiterschichten und Metallen im Solarpanel. Die Solarzellen werden in einem aufwendigen Prozess hergestellt, bei dem verschiedene Chemikalien, meist durch eine Verdunstungstechnik, auf einen Glasträger aufgetragen werden. Dadurch „wächst“ eine Solarzelle Schicht für Schicht.

In der Vergangenheit haben Wissenschaftler zufällig entdeckt, dass sich die Effizienz bei einer bestimmten Art von Solarzellen stark erhöht, wenn der lichtabsorbierenden Schicht Natrium hinzugefügt wird. Gleichzeitig beobachteten sie, dass Natrium das Wachstum dieser Schicht und das Zusammenwirken der anderen Chemikalien beeinflusst, indem es die Vermischung von Gallium und Indium verlangsamt. Dies führt zu weniger homogenen Schichten, was wiederum die Ergebnisse beeinträchtigt. Bisher glaubten Wissenschaftler und Hersteller daher, der optimale Fertigungsablauf für Solarzellen wäre, Natrium erst hinzuzufügen, wenn der Wachstumsprozess beendet ist.

Die Bedeutung von Natrium im Herstellungsprozess

Forscher der Physics and Materials Science Research Unit an der Universität Luxemburg wählten einen anderen Ansatz und konnten zusammen mit vier internationalen Partnern nun zeigen, dass die Wirklichkeit differenzierter ist. Während normalerweise die lichtabsorbierende Schicht aus Tausenden verschiedener Kristallen zusammengesetzt ist, entschied sich die Forschungsgruppe für eine anspruchsvollere Herstellungsmethode und legte die Schicht mit lediglich einem einzigen großen Kristall an. „Im Grunde zeigen wir mit dieser Forschungsarbeit, dass, wenn der Absorber aus nur einem Kristall hergestellt wird, es ausreicht, eine kleine Menge Natrium hinzuzufügen, um die Verteilung der Elemente zu homogenisieren“, sagt Diego Colombara, inzwischen Marie Curie Research Fellow am International Iberian Nanotechnology Laboratory und Projektleiter der Studie. „Das ist wirklich überraschend, denn mehr als 20 Jahre vorangegangener Forschung zeigten durchgängig den entgegengesetzten Effekt bei Absorbern, die aus vielen Kristallen hergestellt sind.“

Mikroskopische Aufnahme des aus einem Kristall hergestellten Solarzellenabsorbers (schwarzweiß) und zugehörige chemische Analyse, die die Konzentration von Gallium (orange) und Indium (violett) zeigt. © Universität Luxemburg

 

Die Forscher schließen daraus, dass Natrium eine zweifache Wirkung hat: Es homogenisiert die Elemente in jedem Kristall, aber es verlangsamt die Homogenisierung bei Wechselwirkung zwischen den Körnern. „Dies ermöglicht uns zu überdenken, wie wir Solarzellen herstellen. Diese Erkenntnisse könnten zu künftigen Verbesserungen im Herstellungsprozess führen“, so Dr. Phillip Dale, Leiter der Forschungsgruppe am Laboratory for Energy Materials an der Universität Luxemburg und Attract Fellow des Luxembourg National Research Fund (FNR).

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Diego Colombara, Florian Werner, Phillip J. Dale, Susanne Siebentritt et al.: Sodium enhances indium-gallium interdiffusion in copper indium gallium diselenide photovoltaic absorbers; in: Nature Communications, volume 9, Article number: 826 (2018); doi:10.1038/s41467-018-03115-0