Silizium-Dünnschichtsolarzellen: Von der Einzelzelle zum Modul

Prozesstechnologie für 30 cm x 30 cm Solarmodule in Betrieb genommen

Auf dem Weg zu einer kompletten Prozesstechnologie für Solarmodule auf der Basis von Silizium-Dünnschichtsolarzellen haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich einen ersten Meilenstein erreicht: Am 17. September nahmen sie im Institut für Photovoltaik (IPV) eine Anlagenserie in Betrieb, mit der sie industrienah großflächige, 30 mal 30 Zentimeter große Solarmodule entwickeln – angefangen bei der „nackten“ Glasscheibe bis zum fertigen Modul.

Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in Strom. Die breite Nutzung dieser erneuerbaren Energie steckt trotz erster Markterfolge noch in den Kinderschuhen, denn Solarzellen sind nach wie vor zu teuer. Am Forschungszentrum Jülich konzentrieren sich die Forscher auf Silizium-Dünnschichtsolarzellen, da diese vergleichsweise geringere Kosten versprechen als herkömmliche Solarzellen. Den Wirkungsgrad einer ein Quadratzentimeter großen Zelle haben die Forscher bereits auf 11,2 Prozent hochgeschraubt: Nun gilt es, dieses Ergebnis auf Solarmodule bestehend aus vielen Einzelzellen zu übertragen und so die industrielle Umsetzbarkeit zu demonstrieren. Dazu haben die Forscher eine komplette Prozesstechnologie für großflächige Solarmodule aufgebaut – im Rahmen eines Projektes des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) mit dem Titel „Technologie für eine neue Generation von Silizium-Dünnschichtsolarmodulen auf Glas“.

Silizium-Dünnschichtsolarzellen bestehen aus mehreren Schichten: Durch eine erste Schicht aus transparentem und leitfähigem Metalloxid (TCO = transparent conductive oxide) fällt das Sonnenlicht auf die Silizium-Schicht: Hier wird es geschluckt, und die dabei erzeugten Ladungsträger werden nach außen abtransportiert – fertig ist der Solarstrom. Bewährt haben sich Stapelzellen mit mehreren übereinander liegenden Silizium-Schichten. Zudem steigt der Wirkungsgrad, wenn eine Schicht aus dem für Dünnschichtsolarzellen üblichen amorphen Silizium besteht und eine zweite aus einer weiteren Variante, dem mikrokristallinen Silizium – bei Solarmodulen ein Neuling. Auch bei der TCO-Entwicklung beschreiten die Jülicher Forscher neue Wege. Sie verwenden Zinkoxid, einen billigen und hoch transparenten Werkstoff: Aufgeraut mit Salzsäure ist Zinkoxid zudem ein exzellenter Lichtfänger.

Die einzelnen Schichten werden mit verschiedenen Verfahren im Vakuum auf einem Glassubstrat abgeschieden. Nach jedem Schritt wird die jeweilige Schicht mit einem Laser in Streifen geschnitten: Im fertigen Solarmodul entstehen so viele in Serie geschaltete Solarzellen. Bisher konnten die Wissenschaftler nur einzelne kleinflächige Solarzellen auf Glasscheiben herstellen, ab jetzt können sie 30 mal 30 Zentimeter große Solarmodule fertigen. Die Anlage zur Silizium-Beschichtung ist im Betrieb, die neuen Anlagen zur Metalloxid-Beschichtung durch Sputtern und zum Schneiden der einzelnen Schichten mittels Laserstrahl haben sich im Testbetrieb bereits bewährt. Sie komplettieren nun die Prozesstechnologie – zusammen mit einem nasschemischen Labor zum Aufrauen, also Ätzen, der TCO-Schicht. „In Jülich integrieren wir neue Materialien in die üblichen Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silizium und entwickeln parallel dazu industrienahe Herstellungsverfahren“, erklärt Dr. Bernd Rech, für die Solarmodultechnologie verantwortlicher Wissenschaftler. „Diese Kombination ist weltweit einzigartig.“

Eingeweiht wurde die neue Solarmodultechnologie mit großer Industriebeteiligung am 17. September in einem Symposium, das in einen TCO-Workshop für Dünnschichtsolarzellen eingebunden war. Nach der Begrüßung durch Dr. Gerd Eisenbeiß, für Energie zuständiges Vorstandsmitglied am Forschungszentrum Jülich, stellten Vertreter aus der Industrie und Dr. Bernd Rech die neuen Anlagen und Forschungsziele vor. Anschließend hatten die über 100 Gäste aus Forschung, Industrie und Ministerium, die der Einladung nach Jülich gefolgt waren, die Gelegenheit Laborräume und Anlagen zu besichtigen.