Auf dem Weg zur hocheffizienten Solarzelle

Nicht nur zur Abwendung der drohenden Klimakatastrophe spielen alternative Energien eine bedeutende Rolle. Standard bei der direkten Gewinnung von elektrischem Strom aus Sonnenlicht ist gegenwärtig die Solarzelle aus Silizium.

Das dafür benötigte hochreine Silizium ist jedoch auf dem Weltmarkt sehr teuer. Deshalb setzen Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena auf Dünnschicht-Solarzellen aus dem Halbleitermaterial Cadmium-Tellurid (CdTe), die schon jetzt das größte Potential zur Kostensenkung in der Photovoltaik bieten. „Allerdings eröffnet diese Technologie weitere Möglichkeiten, den Solarstrom noch billiger zu machen“, weiß PD Dr. Heiner Metzner, Gruppenleiter der Arbeitsgruppe Photovoltaik am Jenaer Institut für Festkörperphysik. Dies könne einerseits über eine Modifikation der Zellstruktur mit dünneren Schichten, also einer besseren Materialausnutzung geschehen. „Außerdem zeigen theoretische Überlegungen, dass der Wirkungsgrad möglicherweise noch kräftig erhöht werden kann“, so der Physiker.

Hier setzt ein kürzlich am Institut für Festkörperphysik der Universität Jena begonnenes Forschungsprojekt an, in dem es darum geht, die Materialeigenschaften des CdTe in den Solarzellen so zu verändern, dass dessen elektrische Leitfähigkeit erheblich steigt. „Über eine Erhöhung der sogenannten p-Dotierung, also den gezielten Einbau geeigneter Fremdatome, könnte der Wirkungsgrad der Solarzelle erheblich verbessert werden“, erklärt Metzner. Dann, so lassen die theoretischen Überlegungen erwarten, könnten die im Labor erreichbaren Spitzenwirkungsgrade von derzeit 16 auf über 20 Prozent gesteigert werden. „Wenn es dann noch gelingt, diese Ergebnisse in die industrielle Produktion zu übertragen, könnten die Modulwirkungsgrade von derzeit knapp 10 auf bis zu 15 Prozent verbessert werden“, ist sich Metzner sicher. Bei der Entwicklung eines modifizierten Materials spielt die Spektroskopie von Defekten eine bedeutende Rolle. Um die Mikrostruktur der Materialien zu untersuchen, können im Labor auf verschiedenen Wegen Fremdatome eingebracht werden. „Wir werden beispielsweise das CdTe-Material mit Hilfe unseres Teilchenbeschleunigers mit geeigneten Fremdatomen beschießen und genau die erzielten Effekte analysieren“, erklärt Prof. Dr. Werner Wesch, Gruppenleiter der Jenaer Arbeitsgruppe Ionenstrahlphysik.

Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) fördert damit bereits das zweite Projekt zu CdTe-Solarzellen am Institut für Festkörperphysik der Universität Jena. Die Gesamtfördersumme liegt bei knapp 1,8 Millionen Euro. Damit können die Jenaer Spezialisten bei ihrer Forschung auf lange Erfahrungen und eine exzellente Ausstattung zurückgreifen. Seit zehn Jahren existiert die Photovoltaik-Forschergruppe, die über eine komplette Prozesskette und Infrastruktur zur Herstellung bzw. Untersuchung der Laborzellen verfügt. Mit Hilfe der Mittel aus dem Projekt kann die Ausstattung erheblich erweitert werden. Ein leistungsfähiger Solarsimulator, mit dessen Hilfe sich die Wirkungsgrade der Zellen sehr präzise vermessen lassen und eine Depositionsanlage zur Variation der Schichtzusammensetzung kommen demnächst dazu. Die Arbeiten zur Dünnschicht-Photovoltaik am Institut für Festkörperphysik umfassen neben dem CdTe- auch das CIS (Kupfer-Indium-Selenid)-Materialsystem, zu dem aktuell ebenfalls – teilweise auch von der Industrie direkt geförderte – Forschungsprojekte laufen.

„Wir betreten experimentelles Neuland und hoffen, ein effizientes und kostengünstiges Material im Labor zu 'züchten' und damit eine neuartige und hocheffiziente Solarzelle zu fertigen“, so Metzner. Wenn diese Vision Wirklichkeit wird, könne die Friedrich-Schiller-Universität Jena ihre starke Position in der Photovoltaik-Forschung weiter ausbauen, ist sich der Physiker sicher.

Kontakt:
PD Dr. Heiner Metzner
Institut für Festkörperphysik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947353
E-Mail: heiner.metzner[at]uni-jena.de