Dünnschicht-Solarzelle wandelt nun auch infrarotes Licht

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Die komplementäre Verbindung organischer und anorganischer Materialien in einer Stapelzelle ist eine vielversprechende Option für Solarzellen der Zukunft. Davon sind zwei Jungwissenschaftler überzeugt, die Dünnschicht-Solarzelle entwickelt haben, die länger hält und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Ganz im Sinne einer durchdachten Energiewende müssen regenerative Energieformen auch ressourcenschonend sein. Die Dünnschicht-Solarzelle ist genau aus diesem Grund ein Forschungsschwerpunkt der Photovoltaik, deren Wirkungsweise und optische Grundlagen im Übrigen Andreas Stadler in seinem Fachbuch „Analysen für Chalkogenid-Dünnschicht-Solarzellen“ ausführlich beschreibt. Heute lassen sich die Module mit einem derart geringen Material- und Energieeinsatz herstellten, dass Experten mit Energierückzahlzeiten von 1 bis 3 Jahre kalkulieren.

Grundbaustein der Zelle ist eine sehr dünne Schicht aus amorphem Silizium, die mit Wasserstoff durchsetzt ist (a-Si:H). Solche einfachen Dünnschicht-Solarzellen erreichen allerdings nur geringe Wirkungsgrade und nutzen lediglich Photonen im blauen und grünen Bereich des Lichtspektrums. Für die beiden Doktoranden Steffen Roland und Sebastian Neubert von der Universität Potsdam beziehungsweise vom Kompetenzzentrum Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik (PVcomB) des HZB, Anlass genug, nach Möglichkeiten der Effizienzsteigerung zu forschen. Mit Erfolg.

Leistungsstärkere und robustere Dünnschicht-Solarzellen

Die beiden Wissenschaftler haben diese Schicht zunächst um eine weitere a-Si:H-Schicht zu einer Tandemzelle erweitert und zusätzlich eine organische Schicht aufgebracht, die es ermöglicht, auch infrarotes Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Die neue hybride Solarzelle ist aus zwei extrem dünnen amorphen Siliziumschichten sowie einer organischen Schicht aufgebaut, zusammen sind ihre aktiven Schichten nicht dicker als einen Mikrometer. Trotz des minimalen Materialeinsatzes erreicht die Hybridzelle damit einen Rekord-Wirkungsgrad von 11,7 %. Die organische Schicht besteht aus so genannten „Fußballmolekülen“ oder Fullerenen, die mit halbleitenden Polymeren gemischt sind. Diese Schicht wandelt auch noch das Infrarotlicht in elektrische Energie um, das in den Siliziumschichten nicht genutzt werden kann.

„Die Zelle lässt sich einfach mit etablierten Dünnschicht-Technologien herstellen, die industriegängig und auch für die Produktion von großen Folien geeignet sind“, erklärt Schlatmann. Neher fügt an: „Die hohen Absorptionskoeffizienten der a-Si:H-Schichten und die Eigenschaften der organischen Schicht ermöglichen eine aktive Schichtstruktur, die nicht dicker als einen Mikrometer ist, das ist maximale Effizienz mit minimalem Einsatz!“. Die Zelle wurde im Rahmen des BMBF-Programms „Spitzenforschung und Innovation in den Neuen Ländern“ gemeinsam von Teams der Universität Potsdam und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) entwickelt.