Biegsam, dünn wie ein Film und trotzdem leistungsfähig: Forscher haben erstmals flexible Solarzellen entwickelt, die einen Wirkungsgrad von 20,8 Prozent erreichen – ein neuer Rekordwert. Damit rücken solche ultradünne Photovoltaikmodule nun weiter in den Leistungsbereich herkömmlicher Silizium-Solarzellen vor. Weil ihre Basis aber aus flexiblem Polymerfilm statt aus Glas besteht, sind sie deutlich vielseitiger einsetzbar.
Noch liefern Photovoltaikmodule auf Siliziumbasis den Löwenanteil des Solarstroms weltweit. Die Zukunft aber könnte anderen Modulen gehören: flexiblen, ultradünnen Solarzellen auf Polymerbasis. Diese organischen Solarzellen sind so leicht und biegsam, dass sie sich an alle Formen anpassen können. Sogar in Kleidung lassen sich die dehnbaren Sonnensammler integrieren – und sogar mitwaschen.
Bisher allerdings hatten die meisten Dünnschicht-Solarzellen einen Haken: Ihr Wirkungsgrad war deutlich geringer als bei herkömmlichen Silizium-Modulen. In den letzten Jahren aber hat es auf diesem Gebiet deutliche Fortschritte gegeben. Nach und nach gelingt es Wissenschaftlern, die Energieumwandlung von Sonnenlicht in Strom auch bei flexiblen Solarzellen effizienter zu machen.
20,8 Prozent Wirkungsgrad
Bereits 2011 hatte ein Forscherteam um Ayodhya Tiwari von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) einen wichtigen Durchbruch erzielt: Ihre flexible Solarzelle aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid – kurz CIGS – erreichte einen Wirkungsgrad von 18,7 Prozent. Dieser Rekordwert brachte die flexiblen Solarzellen auf Polymerbasis erstmals in Leistungsbereiche, die den herkömmlichen Silizium-Modulen oder Dünnschicht-Solarzellen auf Glasbasis nahekamen.
Jetzt ist dem Forscherteam ein weiterer Rekord gelungen: Tiwari und seine Kollegen haben den Wirkungsgrad ihrer CIGS-Solarzellen mit flexiblem Polymersubstrat auf 20,8 Prozent erhöht – ein neue Spitzenwert. „Eine derart hohe Effizienz, wie wir sie in unserem Labor nun erreicht haben, zeigt das Potenzial der Technologie auf“, betont Tiwari.
In drei Bereichen optimiert
Der neue Rekordwert resultiert aus der Kombination von drei wesentlichen Verbesserungen: „Zunächst haben wir die chemische Zusammensetzung der Absorberschicht sorgfältig angepasst, um ihre elektronischen und optischen Eigenschaften zu verbessern“, erläutert Tiwaris Kollege Romain Carron. „Dann haben wir neue Methoden zur Alkalimetall-Dotierung entwickelt. Und schließlich haben wir die Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Absorber und Pufferschicht/Frontkontakt angepasst, um die Leistung der Zelle zu steigern.“
Schon jetzt werden flexible CIGS-Solarmodule eingesetzt und sind im Handel erhältlich. Die Forscher hoffen nun, dass auch ihre optimierte Variante solcher Dünnschicht-Module bald marktreif ist. „Künftige Entwicklungen werden insbesondere darauf abzielen, unser neues Verfahren vom Labor- auf den industriellen Maßstab zu übertragen, um die Stromerzeugung und Rentabilität von Photovoltaikanlagen zu steigern“, sagt Tiwari. (Advanced Energy Materials, 2019; doi: 10.1002/aenm.201900408)
Quelle: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt
