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Effiziente Dünnschicht-Solarzellen
Forscher des MIT haben eine neue Art von Silizium-Solarzelle vorgestellt, die viel effizienter und kostengünstiger sein könnte als derzeit verwendete Solarzellen. Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften Lionel Kimerling und seine Kollegen präsentierten auf einem kürzlichen Treffen der Materials Research Society in Boston Ergebnisse des ersten Geräteprototyps.
Lichtfänger: Ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM)-Bild zeigt die Rückseite einer fünf Mikrometer dicken Siliziumsolarzelle. Die abwechselnden Schichten aus Silizium und Siliziumdioxid bilden einen hervorragenden Lichtreflektor. Die Wellenberge und -täler senden das reflektierte Licht in einem niedrigen Winkel in das Silizium, das es für lange Zeit im Silizium gefangen hält und die Effizienz der Zelle erhöht.
Das Design kombiniert einen hochwirksamen Reflektor auf der Rückseite einer Solarzelle mit einer Antireflexbeschichtung auf der Vorderseite. Dies hilft dabei, rotes und nahes Infrarotlicht, das zur Stromerzeugung verwendet werden kann, im Silizium einzufangen. Das Forschungsteam lizenziert eine ähnliche Technologie wie SternSolar , ein Startup in Cambridge, MA.
Die Forscher wandten ihr Lichtfallenschema auf dünne Siliziumzellen an, die etwa fünf Mikrometer dick sind. Ihr Solarzellen-Prototyp ist bei der Umwandlung von Licht in Strom 15 Prozent effizienter als kommerzielle Dünnschicht-Solarzellen. Projektleiter Peter Bermel , Chief Technology Officer von StarSolar, sagt, dass ausgeklügelte Computersimulationen darauf hindeuten, dass noch viel größere Effizienzgewinne möglich sind.
Dünnschicht-Silizium-Solarzellen könnten billiger sein als herkömmliche Geräte, weil sie viel weniger Material verbrauchen. Herkömmliche Solarzellen verwenden Siliziumwafer mit einer Dicke von über 100 Mikrometern, während Dünnschichtbauelemente eine Dicke von wenigen Mikrometern aufweisen. Dünnschichtvorrichtungen leiden jedoch unter geringeren Wirkungsgraden. Dies liegt hauptsächlich an den roten und nahen Infrarot-Photonen, die nicht lange genug im dünnen Silizium gefangen bleiben, um absorbiert zu werden.
Heutige Solarzellen sind mit einer Metallschicht, typischerweise Aluminium, hinterlegt, um das Licht zu reflektieren. Aber dieses Schema funktioniert nicht sehr gut, und von dem Licht im Inneren der Siliziumsolarzelle gehen jedes Mal dreißig Prozent verloren, wenn es vom Metall abprallt.
Anstatt eine Metallrückseite zu verwenden, entwickeln die MIT-Forscher die Rückseite einer Siliziumsolarzelle so, dass sie Licht effizient reflektiert und einfängt. Zuerst ätzen sie eine Reihe von Kämmen und Mulden, die als Gitter bezeichnet werden. Darüber scheiden sie einen photonischen Kristall ab – eine periodische Struktur, die aus mehreren abwechselnden Schichten von Silizium und Siliziumdioxid besteht.
Der photonische Kristall reflektiert Licht, während das Gitter dieses Licht in einem niedrigen Winkel zurück in das Silizium schickt. Dies hält das Licht im Inneren herum und verhindert, dass es entweicht. Je länger das Licht drin bleibt, desto wahrscheinlicher wird es absorbiert und in Strom umgewandelt.
Diese Arbeit zeigt, wie wichtig es ist, die Leistung von Dünnschichttechnologien zu verbessern, sagt Stephen Saylor, CEO von SiOnyx in Beverly, MA. SiOnyx verfolgt einen anderen Ansatz, um die Absorption von rotem und infrarotem Licht in dünnen Siliziumgeräten zu erhöhen. Das schwarze Siliziummaterial des Unternehmens hat eine Oberfläche mit nanoskaliger Rauheit, die ihm hilft, alles sichtbare und infrarote Licht zu absorbieren. Das Potenzial des Materials für Solarzellen ist noch nicht belegt.
Währenddessen am Ames Laboratory in Ames, IA, Physiker Rana Biswas und seine Kollegen nutzen photonische Kristalle, um amorphe Silizium-Solarzellen effizienter zu machen. Ihr photonischer Kristall besteht aus einem Gitter winziger Siliziumzylinder innerhalb einer Indium-Zinn-Oxid-Schicht. Es könnte den Wirkungsgrad der Solarzellen um maximal 15 Prozent steigern. Ihre amorphen Silizium-Solarzellen sind jedoch nur 0,5 Mikrometer dick, ein Zehntel der Größe der MIT-Geräte. Im Allgemeinen benötigen amorphe Siliziumfilm-Solarzellen viel weniger Material, so dass die Kosten sinken, sagt Biswas. Außerdem könnten sie auf Kunststoffen abgelagert werden. Das ist ein großes Plus.
Die MIT-Forscher wollen Dünnschicht-Silizium-Solarzellen herstellen, die gut genug sind, um mit herkömmlichen Solarzellen zu konkurrieren, sagt Bermel. Durch Optimierung der photonischen Kristall- und Gitterstrukturen konnten die Forscher den maximalen Wirkungsgrad aus den Solarzellen herausholen und ihn auf 13 Prozent steigern. Das wäre vergleichbar mit den 13 bis 15 Prozent Wirkungsgraden einiger konventioneller Solarzellen.
Die Solarzellen sind derzeit alles andere als praktisch. Die Forscher verwenden eine teure Technik namens Interferenzlithographie, um das Gitter herzustellen. Außerdem werden die abwechselnden Schichten im Reflektor einzeln abgeschieden, was zeitaufwendig ist. Die Forscher müssen eine Fertigungstechnik finden, mit der sie die Solarzellen in großem Maßstab und kostengünstig herstellen können. Die ultimative Frage, die beantwortet werden muss, ist die Skalierbarkeit, sagt Saylor. Um eine echte Wirkung zu erzielen, muss jede Lösung kostengünstig auf die Massenproduktion skaliert werden.
Bermel sagt, dass sein Team bereits über andere Produktionsmethoden nachdenkt. Eine vielversprechende Option ist die Nanoimprint-Lithographie, die sie jedoch noch nicht ausprobiert haben. Eine Effizienzsteigerung von 35 Prozent sei in Simulationen klar vorhergesagt, sagt er, aber die Herausforderung sei: „Kannst du das praktisch umsetzen?“ Daran arbeiten wir.