Raue Optik für Solar­zellen

Kristalline Dünnschicht­solarzellen aus Silizium sind preisgünstig und schaffen Wirkungs­grade von gut vierzehn Prozent. Sie könnten allerdings noch mehr leisten, wenn ihre glänzenden Ober­flächen weniger Licht reflek­tieren würden. Eine raffi­nierte, neue Lösung für dieses Problem hat ein Team um Christiane Becker vom Helmholtz-Zentrum Berlin HZB nun patentieren lassen.

Die Nanostruktur wird auf Siliziumoxid (blau) eingeprägt und dann mit Titanoxid (grün) eingeebnet. So entsteht eine optisch raue, aber dennoch glatte Schicht, auf der kristallines Silizium aufwachsen kann. (Bild: HZB)

„Es reicht nicht aus, einfach mehr Licht in die Zelle zu bringen“, weiß Christiane Becker. Denn solche Oberflächen­strukturen können den Wirkungs­grad im Endeffekt sogar verringern, indem sie die elek­tronischen Eigenschaften des Materials verschlechtern. Die Idee, die David Eisenhauer im Rahmen seiner Promotion im Team von Becker ausgearbeitet hatte, klingt einfach, erfordert aber einen ganz neuen Ansatz: Es geht darum, eine Struktur herzustellen, die sich „optisch rau“ verhält und das Licht gut streuen kann, gleichzeitig aber eine glatte Oberfläche besitzt, auf der die Silizium­schicht nahezu defektfrei aufwachsen kann.

Das Verfahren besteht aus mehreren Schritten: Zunächst stempeln die Forscher eine optimierte Nano­struktur auf eine noch flüssige Silizium­oxid-Vorläufer­schicht, die im Anschluss ausgehärtet wird. Dabei handelt es sich um winzige, regelmäßig ange­ordnete, zylinder­förmige Erhöhungen, die Licht einfangen und damit in die Solarzelle leiten. Allerdings wirken sich diese Strukturen ungünstig auf die elek­tronische Material­qualität der Solarzelle aus. Denn auf der rauen Oberfläche kann die absor­bierende Schicht aus kristal­linem Silizium nicht fehler­frei auf­wachsen.

Um diesen Konflikt aufzulösen, wird in einem weiteren Schritt eine sehr dünne Schicht aus Titanoxid aufge­schleudert. Dadurch werden die Vertiefungen zwischen den Zylindern ausgefüllt, so dass eine relativ glatte Ober­fläche entsteht, auf der das eigent­liche Absorber­material gut aufgebracht werden kann. Die nun paten­tierte Beschichtung – SMART – smooth anti-reflec­tive three-dimensional texture – ermöglicht es, Reflexionen zu verringern und mehr Licht in die absor­bierende Silizium-Schicht zu bringen, ohne deren elek­tronische Eigen­schaften zu beein­trächtigen. (Quelle: HZB / optik-photonik.de)

Referenz: D. Eisenhauer et al.: Smooth anti-reflective three-dimensional textures for liquid phase crystallized silicon thin-film solar cells on glass, Sci. Rep. 7, 2658 (2017); DOI: 10.1038/s41598-017-02874-y

Link: Nachwuchsgruppe Nano-SIPPE (C. Becker), Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie HZB, Berlin

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