Forscher des ISFH: Bulk-Defekt im Material
Wissenschaftler des Hamelner Instituts für Solarenergieforschung haben – schreibt Mark Hutchins am 24.05.2022 im Portal pv magazine – Experimente mit Silizium-Solarzellen durchgeführt, um die Gründe für die Degradation von Zellen und Modulen zu verstehen, die mit Gallium anstelle von Bor dotiert wurden. Die Leistungseinbußen wurden durch einen Bulk-Defekt im Material verursacht. Zudem haben die Forscher herausgefunden, dass die richtige Kombination aus Licht und Temperatur frühere Schäden „heilen“ und sogar zu kleinen Verbesserungen des Gesamtwirkungsgrads der Zellen führen kann.
Eines der ersten PV-Module: Siemens-Interatom, fast 40 Jahre alt – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Die Hersteller von Silizium-Photovoltaik-Zellen haben die Gallium-Dotierung mit gutem Grund schnell eingeführt: Sie bietet eine Lösung für das Phänomen der lichtinduzierten Degradation, das durch Wechselwirkungen zwischen Sauerstoff und Bor verursacht wird – bis vor kurzem war Bor die häufigere Wahl als Dotiermaterial. Die rasche Umstellung auf Gallium wirft jedoch weitere Fragen darüber auf, wie Gallium mit anderen Materialien in der Zelle und anderen Modulkomponenten interagiert und wie dadurch andere bekannte Degradationsmechanismen wie die durch Lichteinwirkung induzierte Temperaturdegradation (LETID) beeinflusst werden könnten.
Mit diesen Fragen hat sich jetzt ein Forschertem unter Leitung des Instituts für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) beschäftigt. Sie stellten Gallium-dotierte Silizium-Solarzellen her und setzten sie einer Einstrahlung bei verschiedenen Temperaturen aus, um besser zu verstehen, wie ihre langfristige Leistung im Feld beeinflusst werden könnte. Bei den Experimenten wurden die Zellen auf einer Heizplatte bei Temperaturen zwischen 80 und 160 Grad bis zu 1.400 Stunden lang einer Einstrahlung ausgesetzt. Dabei zeigte sich eine LETID-bedingte Verschlechterung, wenn auch in einem viel geringeren Ausmaß als bei den meisten Bor-dotierten Zellen. Den Effekt haben die Forscher ausführlich in ihrem Aufsatz „Light and elevated temperature induced degradation and recovery of gallium-doped Czochralski-silicon solar cells“ beschrieben, der kürzlich in Scientific Reports veröffentlicht wurde.
Weg zur Langzeitstabilität
Die Forschergruppe fand heraus, dass die Zellen, die höheren Temperaturen ausgesetzt waren, am stärksten an Leistung einbüßten – von absoluten Wirkungsgradverlusten von 0,15 Prozent bei einer Zelle, die bei 80 Grad belassen wurde, bis zu 0,4 Prozent bei einer Zelle, die 140 Grad ausgesetzt war.
„Die Aktivierung eines Bulk-Defekts ist verantwortlich für den beobachteten LeTID-Effekt bei den Ga-dotierten Cz-Si-Solarzellen“, so die Forscher. „In unserer kürzlich durchgeführten Lebensdauerstudie haben wir diesen Effekt auf Wasserstoff zurückgeführt, der während des Brennvorgangs in das Silizium diffundiert.“
Nachdem die Zellen ihre maximale Degradation erreicht hatten, wurden sie weniger anspruchsvollen Bedingungen – 0,5 Sonnenstunden und einer Temperatur von 44 Grad – ausgesetzt. Es zeigte sich, dass bereits nach 15 Minuten ein vorübergehender Regenerationszyklus einsetzte, der sich noch weiter verbesserte, als die Zellen erneut höheren Temperaturen ausgesetzt wurden.
Die Gruppe konnte eine Regeneration auf 0,2 Prozent (absolut) mehr als den ursprünglichen Wirkungsgrad der Zelle nachweisen, nachdem die Zelle etwa fünf Stunden lang einer Einstrahlung bei 140 Grad ausgesetzt war. Es wurde auch gezeigt, dass der Defekt, der die Verluste verursacht, teilweise deaktiviert wurde. In nachfolgenden Tests wurden die LETID-Verluste der Zellen fast halbiert.
„Nach der Regeneration wurden stabile Solarzellenwirkungsgrade von über 22 Prozent gemessen“, so das Fazit der Gruppe. „Das bedeutet, dass innerhalb des Unsicherheitsbereichs der Wirkungsgradmessung die entwickelten Zellen auf Ga-dotiertem Cz-Si nach der Regeneration als ‚langzeitstabil‘ eingestuft werden können.“