Durchbruch bei Dünnfilm-Solarzellen

Wissenschaftlern ist ein wichtiger Durchbruch bei der Suche nach effizienteren Dünnfilm-Solarzellen gelungen. Computersimulation zum so genannten Indium-Gallium-Rätsel zeigen, dass ungleichmäßige Atomverteilungen die Ursache für geringere Wirkungsgrade sind. Werden die Zellen bei höheren Temperaturen hergestellt, lässt sich die Effizienz auf bis zu 30 Prozent erhöhen, so eine Studie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

Dünnfilm-Solarzellen haben einen stetig wachsenden Anteil am Solarzellen-Markt. Da sie nur wenige Mikrometer dick sind, sparen sie Material- und Herstellungskosten. Den höchsten Wirkungsgrad von derzeit etwa 20 Prozent erzielen CIGS-Dünnfilm-Solarzellen, in denen das Sonnenlicht durch eine dünne Schicht absorbiert wird, die aus Kupfer, Indium, Gallium, Selen und Schwefel besteht. Der theoretisch mögliche Wirkungsgrad ist aber noch lange nicht erreicht.

Simulationen knacken Effizienzrätsel

Im Rahmen des „comCIGS-Projektes“ erforschen verschiedene deutsche Universitäten gemeinsam mit Unternehmen Möglichkeiten, die CIGS-Dünnfilm-Solarzellen weiter zu optimieren. Schwerpunkt von Wissenschaftlern der Universität Mainz unter Leitung von Professor Claudia Felser ist das seit Jahren ungeklärte Indium-Gallium-Rätsel: Obwohl bisherige Rechnungen ein optimales Indium-Gallium-Verhältnis von 30:70 vorhergesagt haben, findet man in der Praxis die höchste Effizienz bei einem genau umgekehrten Verhältnis von 70:30.

Um zu klären warum, untersuchten die Forscher mit Hilfe von Computersimulationen die Eigenschaften des CIGS-Materials, dessen genaue Formel Cu(In,Ga)(Se,S)2 lautet. Unter anderem stellten sie neue Rechnungen mit Hilfe eines Hybridverfahrens an, das eine Kombination aus Dichte-Funktional-Rechnungen und Monte-Carlo-Simulationen ist. „Mit Dichte-Funktional-Rechnungen werden quantenmechanisch die Energien lokaler Strukturen berechnet. Die Ergebnisse dienen dazu, um mit Monte-Carlo-Simulationen Temperatureffekte auf großen Längenskalen zu bestimmen“, erläutert Thomas Gruhn, Leiter der Theoriegruppe, die verwendete Methode.

Atome nicht gleichmäßig verteilt

Mit Hilfe der Simulationen entdeckten die Forscher, dass die Indium- und Gallium-Atome nicht gleichmäßig im CIGS-Material verteilt sind. Stattdessen existiert knapp unterhalb der normalen Raumtemperatur eine Phase, in der Indium und Gallium komplett getrennt vorliegen. Oberhalb der Entmischungstemperatur bilden sich verschieden große Cluster aus Indium- oder Gallium-Atomen. Je höher die Temperatur, desto homogener wird das Material. Zudem ist das galliumreiche CIGS stets inhomogener als das indiumreiche CIGS. Die höhere Inhomogenität verschlechtert die optoelektronischen Eigenschaften des galliumreichen Materials, was zu der bis dato unverstandenen schlechten Effizienz der galliumreichen CIGS-Zellen beiträgt.

Verbesserungshinweise für Herstellung

Aus den Berechnungen ergibt sich auch ein konkreter Hinweis für die Herstellung der CIGS-Solarzellen. Findet der Herstellungsprozess bei höherer Temperatur statt, so wird das Material deutlich homogener. Wenn es danach hinreichend schnell abgekühlt wird, bleibt die gewünschte Homogenität erhalten. In der Praxis war die Prozesstemperatur bisher stets durch die begrenzte Hitzebeständigkeit des Glases limitiert, das als Substrat für die Solarzellen dient.

In dieser Hinsicht ist nun kürzlich ein entscheidender Durchbruch gelungen. Die Schott AG hat ein spezielles Glas entwickelt, mit dem die Prozesstemperatur auf deutlich über 600°C erhöht werden konnte. Das Ergebnis sind wesentlich homogenere Zellen. Ein neuer Effizienzrekord für die Zellen ist damit zum Greifen nah. Aber das comCIGS-Projekt denkt schon weiter. „Zurzeit wird an großformatigen Solarzellen gearbeitet, die die marktüblichen Zellen an Effizienz überbieten sollen“, kündigt Gruhn an. „Die Chancen dafür stehen gut.“

(Universität Mainz, 20.07.2010 – NPO)