Der elektrische Durchbruch von Solarzellen ist nicht auf die Oberflächenpräparation zurückzuführen. Das haben jetzt Physiker in einer neuen Studie gezeigt. Wie sie in der Fachzeitschrift „Physica Status Solidi“ berichten, ist es ihnen mit einer neuartigen Methode gelungen, die Phänomene mit bisher unerreichter Ortsauflösung abzubilden.
Was Licht absorbiert, kann auch leuchten. Diese Regel ist jedem Studenten der Thermodynamik bekannt. Die Photovoltaik nutzt dieses Prinzip, indem Sonnenlicht absorbiert und in elektrische Energie umgesetzt wird. Genutzt werden dazu Solarzellen, an denen eine Photospannung entsteht, so dass der fließende Photostrom Arbeit leisten kann. Diese Betriebsart heißt „Vorwärtsrichtung“.
Fehlern auf der Spur
Wird nun von außen in Vorwärtsrichtung eine Spannung an die Solarzelle angelegt, leuchtet die Solarzelle im unsichtbaren infraroten Spektralbereich entsprechend dem Prinzip einer Leuchtdiode. Defekte im Material werden als dunkle Bereiche direkt sichtbar, da an ihnen die Lichtausbeute geringer ist als in den defektfreien Gebieten. In diesen Bereichen kann die Solarzelle unter Beleuchtung auch keinen Photostrom und damit elektrische Leistung erzeugen.
Was passiert bei Rückwärtsrichtung? Mit dieser Frage setzte sich Dominik Lausch von der Universität Leipzig auseinander. Der Physiker beschäftigte sich mit Solarzellen, an die er eine Spannung mit entgegen gesetztem Vorzeichen anlegte, also in der so genannten Rückwärtsrichtung. Auch hier zeigt die Solarzelle charakteristische Leuchterscheinungen, nun aber ausschließlich an den Defekten, insbesondere an den im untersuchten multi-kristallinen Material enthaltenen Korngrenzen.
Defekte können besser identifiziert werden
Es entsteht ein sehr scharfes Bild der Lumineszenz, eine optische Strahlung durch den Übergang von Elektronen zu einem niederenergetischem Ausgangszustand. „Das ermöglicht die Lokalisierung und Identifizierung von Defekten mit vorher nicht bekannter und erreichter räumlicher Auflösung“, erklärt der Leipziger Professor Marius Grundmann der gemeinsam mit Kai Petter von der Firma Q-Cells SE aus Bitterfeld-Wolfen die Studie von Lausch betreut.
Die von den Forschern etablierte Methode heißt ReBEL und steht für „Reverse Bias Electroluminescence“ – Elektrolumineszenz unter Rückwärtsspannung. „Die Forschungsergebnisse befördern die Photovoltaik als nachhaltige und umweltgerechte Technologie“, freut sich Petter.
Wo Licht ist, ist auch Schatten
Neben dieser neuen Analysemethode für komplette Solarzellen ist die Analyse des Rückwärtsbereichs von Solarzellen auch technologisch von herausragender Bedeutung. Im Normalbetrieb arbeitet die Solarzelle im Vorwärtsbetrieb. Fällt jedoch auf ein Solarmodul ein Schatten, beispielsweise durch herabgefallenes Laub oder Verschattung durch einen Baum, sind die im Schattenbereich befindlichen Solarzellen auf einmal unter Rückwärtsspannung.
Halten sie dies nicht aus, fließt nach Angaben der Forscher ein großer Strom durch den Effekt des elektrischen „Durchbruchs“. Hier werden typischer Weise Ladungsträger in einem starken elektrischen Feld beschleunigt, das in der Diode innerhalb der Solarzelle entsteht. Das erzeugt neue Ladungsträgerpaare und kann so zu einem hohen, schlimmstenfalls unkontrollierbaren Strom führen, der die Solarzelle und das gesamte Modul zerstören kann.
Durchbruchstrom nur an bestimmten Defekten
Die Forscher haben nun herausgefunden, dass dieser Durchbruchstrom nur an bestimmten Defekten und sehr lokal auftritt. Zudem hängt sein prinzipielles Auftreten nicht von der Oberflächenpräparation der Solarzelle mit saurer oder alkalischer Behandlung ab mit der die Lichteinkopplung in die Solarzelle verbessert wird (Antireflektionsschicht).
(idw – Universität Leipzig, 04.02.2009 – DLO)
