Solarzellen auf Schwarzem Silizium – Wirkungsgrad durch neue Technik verdoppeltForschern des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts ist es gelungen, durch den von ihnen entwickelten Femtosekunden-Laserpuls-Prozess den Wirkungsgrad von Schwarzen Silizium Solarzellen zu verdoppeln. Mit den Schwarzen Silizium Solarzellen ist es möglich, den Infrarot-Anteil des Sonnenlichts für die Energiegewinnung zu nutzen. Dieser Anteil des Sonnnenlichts, rund ein Drittel des Spektrums, wird von den herkömmlichen Solarzellen nicht erfasst. Ausschlaggebend für diese Effizienzsteigerung von Siliziumsolarzellen ist unter anderem die Veränderung des Siliziums-Ausgangsmaterials.
Darüber hinaus verringern sich die Herstellungsschritte für Solarzellen um die Hälfte. Die Forschungsarbeiten erfolgten im Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut, Standort Goslar, unter Leitung von Prof. Wolfgang Schade. Der bisher höchste Wirkungsgrad von 2,2 Prozent wurde von einem Team an der Harvard University (Arbeitsgruppe Prof. E. Mazur) erreicht.
Mit dem vom Fraunhofer HHI entwickelten Laser-Verfahren werden die Oberflächen von Silizium-Wafern, aus denen Solarzellen gefertigt werden, mit Hilfe von ultrakurzen Laserblitzen, den Femtosekunden-Laserpulsen, behandelt. Die Oberfläche der Zelle absorbiert durch diese Veränderung den bisher ungenutzten Infrarotanteil für die Energiegewinnung. Die mit dem Laser behandelten Flächen werden schwarz, daher spricht man auch von „Schwarzem Silizium“ und „Black Silicon Solarzellen“. Im Fraunhofer HHI wurden die Laserpulse nun in ihrer Form so verändert, dass sich doppelt so leistungsfähige Black Silicon Solarzellen wie bisher herstellen lassen.
Dieser am Fraunhofer HHI in Goslar entwickelte Prozess zeichnet sich dadurch aus, dass Vorderseitentextur und der Emitter in einem Schritt gebildet werden. Zusätzlich wird bei diesem Prozess das Silizium-Ausgangsmaterial so verändert, dass es auch im Infraroten absorbiert. Außerdem verringert sich mit diesem Prozess die Anzahl der benötigten Solarzellenherstellungsschritte auf ungefähr die Hälfte.
Die hergestellten Solarzellen zeichneten sich durch hohe Stromdichten im Bereich 38mA/cm² < jsc < 42mA/cm² aus. Diese recht hohe Stromdichte wird durch die erhöhte Infrarotabsorption ermöglicht. Dieser Wirkungsgradrekord wurde innerhalb eines vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten zweijährigen Verbundprojektes erreicht. Das realistische Potenzial der Black Silicon Solarzellen sehen die Forscher bei 1 Prozent Wirkungsgradgewinn absolut im Vergleich zu Standard Solarzellen mit einem Potenzial von etwa 15 Prozent.
„Wir sehen in dieser Technologie großes Entwicklungspotenzial, und erste Sondierungsgespräche mit der Deutschen Photovoltaik Industrie sind äußerst positiv verlaufen“, so Professor Dr. Wolfgang Schade, Leiter der Projektgruppe in Goslar. „Um noch höhere Wirkungsgrade zu erzielen werden wir in einem nächsten Schritt unser Verständnis von Schwarzem Silizium weiter ausbauen.“
Basis der Entwicklungen in Goslar ist die Femtosekunden Lasertechnologie. Der Einsatzort der Lasertechnologie ist zum einen die reine Solarzelle aus Schwarzem Silizium. Außerdem kann der Prozess für einseitige Solarzellentexturen, oder zur Oberflächenvergrößerung zur Verbesserung von mechanischen Hafteigenschaften von solarzellenspezifisch benötigten Schichten verwendet werden.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik Heinrich-Hertz-Institut