Europäische Wettbewerbsfähigkeit in Photovoltaik stärken
Empa tritt Konsortium für Solarzellen bei
Zusammen mit 13 europäischen Partnern hat die Empa ein EU-finanziertes Projekt zur Entwicklung preisgünstiger, effizienterer Solarzellen lanciert. Mit einem Gesamtbudget von mehr als 10 Millionen Euro will SCALENANO – so der Name des Projekts – einen Durchbruch erzielen bei der Kosteneffizienz von Photovoltaikanlagen und -modulen auf Basis fortschrittlicher Dünnschicht-Technologien. In Deutschland sind das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und die Freie Universität an dem europäischen Konsortium beteiligt.
Dünnschicht-Solarzellen bieten im Vergleich zu klassischen Halbleiter-Solarzellen aus Silizium die Möglichkeit, die verwendeten Materialien effizienter zu nutzen und Module günstiger herzustellen, weil die Licht absorbierenden Schichten rund 100-mal dünner sind als Siliziumwafer. Anlagen auf Basis der Stoffklasse der Chalkogenide, wie Kupfer-Indium-Gallium-(Di)Selenid (auch bekannt als CIGS), weisen die höchste Effizienz aller Dünnschichttechnologien auf und haben bereits das Stadium der Massenproduktion erreicht. Die aktuellen Produktionsmethoden beruhen jedoch typischerweise auf vakuumbasierten Abscheidungsprozessen, die nur schwer auf grossen Oberflächen anwendbar sind und teure Produktionsanlagen erfordern.
Ein Ziel der europäischen Zusammenarbeit ist es, neue umweltfreundliche Produktionstechniken zu entwickeln, die ohne Vakuum auskommen. Eine erhebliche Kostensenkung soll damit erreicht werden. Mit neuen Material- und Bauelementkonzepten will man zugleich den Durchbruch hinsichtlich höherer Wirkungsgrade schaffen. Dafür kommen nanostrukturierte Materialien zum Einsatz. Mit der elektrochemischen Synthese von nanokristallinen Vorstufen, sogenannten Precursoren, und neuen Techniken, bei denen Nanopartikel ähnlich wie Tinte gedruckt werden, wollen die Forscher völlig neue Produktionswege erschließen. Damit dies nicht nur im Labormaßstab an einzelnen Solarzellen gelingt, sollen die Herstellungskonzepte zugleich für eine mögliche Hochskalierung auf größere Maßstäbe geprüft werden.
Um sich dieser Herausforderung zu stellen, will das EU-finanzierte, internationale Projekt SCALENANO (Entwicklung und Scale-up von nanostrukturierten Materialien und Verfahren für günstige, hoch effiziente Photovoltaikanlagen auf Chalkogenid-Basis), das bis Mitte 2015 läuft, alternative, vakuumfreie Prozesse entwickeln, die auf dem elektronischen Abscheiden nanostrukturierter Ausgangsstoffe beruhen. Zusätzlich sollen alternative Verfahren mit hohem Durchsatz und hoher Prozessgeschwindigkeit entwickelt und die Methoden auf die nächste Generation von Cu2ZnSn(S,Se)2-basierten Absorbern (so genannte Kesterite) erweitert werden, die ausschliesslich billige und häufig vorkommende Elemente verwenden. Dies wird der europäischen Wettbewerbsfähigkeit in der Photovoltaik einen kräftigen Schub verleihen.
Die Projektpartner am Helmholtz-Zentrum Berlin werden vor allem an der Qualitätskontrolle und Prozessüberwachung arbeiten. Das HZB-Team um Dr. Thomas Unold entwickelt hierfür neuartige analytische Methoden zur Charakterisierung der Solarzellen während des Herstellungsprozesses. Damit wollen die Wissenschaftler die Qualität des Chalkogenid-Absorbermaterials verbessern. Mit den neuen Methoden soll auch eine hohe Ausbeute und ein großer Durchsatz bei der Hochskalierung gewährleistet werden.
In der neuen Forschungsstrategie sollen auch Dünnschicht-Absorbermaterialien mit nanostrukturierten sogenannten transparenten leitfähigen Oxiden (TCO) kombiniert werden. Zu diesem Schwerpunkt arbeitet das Team von Professorin Martha Lux-Steiner und Dr. Sophie Gledhill von der Freien Universität Berlin und dem Helmholtz-Zentrum Berlin an der Anpassung, Optimierung und optischen Modellierung von Chalkogenid-Solarzellen, die zusätzlich Zinkoxid-Nano-Arrays enthalten.
Die Berliner Forscher arbeiten außerdem an der nächsten Generation der Chalkogenid-Dünnschicht-Materialien, den sogenannten Kesteriten. Diese besitzen ähnliche Eigenschaften wie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Materalien, kommen jedoch ohne Indium aus, das relativ selten in der Erdkruste vorkommt.
Das Empa-Labor für Dünnschichten und Photovoltaik unter der Leitung von Ayodhya Tiwari erforscht im Rahmen des Projekts die Ablagerung von Kesterite-Absorbern aus Lösungen und Nanopartikeln, untersucht frontale elektrische Kontakte aus transparenten leitfähigen Oxiden und wird anderen Forschenden Referenz-Solarzellen zur Verfügung stellen, die mit Techniken auf Vakuumbasis vorbereitet wurden. Projektleiter Jaroslaw Romanyuk geht davon aus, dass „die Forschungsergebnisse von SCALENANO später nicht nur in der Photovoltaik angewendet werden können, sondern auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise bei intelligenten Fenstern und Batterien.“
->Quelle: HZB Empa