Dünnschichtsolarzellen, produziert mit Pikosekundenlasern, sind im Wirkungsgrad um 10-15 Prozent effektiver als konventionell hergestellte. Prof. Dr. Heinz P. Huber von der Hochschule München machte dieses Laserverfahren mit seiner Arbeitsgruppe industriell anwendbar und forscht nun an dessen Effektivierung. Bereits jetzt spart sein Produktionsprozess circa zwanzigtausend Tonnen CO2 -Emission pro Jahr.
München, 14. Juli 2020 – Weltweit ist etwa 100 Mal mehr Solarenergie verfügbar als Energie aus Windkraft und nachwachsenden Rohstoffen. Solarenergie ist deshalb ein wesentlicher Teil des Mix aus erneuerbaren Energien für die deutsche Energiewende.
Bisherige Silizium-Solarzellen sind durch ihre massenhafte Produktion zwar günstig, aber im Herstellungsprozess komplexer und weniger ressourcenschonend als Dünnschichtzellen. Werden jene wiederum mit der Technik eines Pikosekundenlasers hergestellt, verfügen sie über einen noch 10-15 Prozent höheren Wirkungsgrad. Trotz ihres derzeit geringen Marktanteils sparen sie mit 20 Tausend Tonnen pro Jahr bereits heute die CO2-Menge ein, die 3000 Personen in Deutschland durchschnittlich im Jahr emittieren.
CIGS-Dünnschichtzellen mit Pikosekundenlaser herstellen
Sogenannte CIGS-Dünnschichtsolarzellen bestehen aus nur wenige Mikrometer messenden Schichten. Namensgebend ist die lichtabsorbierende Schicht aus dem Halbleiter Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, kurz CIGS. Die hauchdünnen Zellen bestehen aus einem Sandwich von vier Schichten: dem Trägermaterial 3 Millimeter Glas unten, einer Molybdänschicht von nur einem Mikrometer, der namensgebenden CIGS-Schicht von drei Mikrometern sowie einer Fensterschicht aus Zinkoxid von einem Mikrometer oben auf.
Die großflächige CIGS-Schicht der Zelle muss für die Stromproduktion eine Struktur aus feinen Rillen bekommen, die die große CIGS-Fläche in ungefähr hundert einzelne Zellen unterteilen. Wie Batterien, die seriell hintereinander verschaltet werden, erhöht sich so die circa ein Volt Spannung einer Zelle auf um die hundert Volt eines ganzen Zellen-Moduls. Die Molybdänschicht unter der CIGS-Schicht darf bei diesem Prozess jedoch nicht verletzt werden.
Das bisherige mechanische Ritzen der Rillen, das Scriben, hatte Nachteile: "Mit der Ritznadel werden breitere Furchen erzeugt und auf dem Grund der Rillen bleiben schlecht leitende Reste übrig. Trägt man die Schichten mit dem Pikosekunden-Laser ab, kann man feinere Linien erzeugen, die den Strom besser leiten. Der Wirkungsgrad der Zelle steigt, ohne dass sich Kosten nennenswert erhöhen", sagt Huber.
Mehr Energieausbeute durch Laserverfahren: Mit Pikosekundenlaser hergestellte CIGS (grün) weisen in den Rillen einen geringeren Kontaktwiderstand und geringere elektrische Verluste auf, als die mit mechanischem Ritzen hergestellten Zellen (blau).
Industrieller Produktionsprozess für CIGS-Zellen
Indem er Laserimpulse mit einer Dauer von Pikosekunden und einer hohen Wiederholrate einsetzte, ermöglichte Huber erst die industrielle Herstellung der CIGS-Dünnschichtzellen: "Mit dem Nanosekundenlaser verbrennt man alle drei Schichten und schmilzt sie zusammen. Nur mit einem Ultrakurzpuls-Laser wie dem Pikosekunden-Laser kann man die obere CIGS-Schicht strukturieren, ohne die Molybdänschicht darunter zu beschädigen", sagt der Forscher. Die Verbindung zwischen dem Molybdän und der transparenten Zinkoxid-Deckschicht ist fester. Auch dadurch sinken die inneren Energieverluste, womit der Wirkungsgrad steigt.
Durch eine Straffung des Herstellungsprozesses sieht Huber in Zukunft weitere Verbesserungsmöglichkeiten in punkto Wirkungsgrad und Reduzierung der Produktionskosten. Der jeweils abwechselnde Schichtenauftrag der einzelnen CIGS-Schichten und Strukturierung soll in einen gemeinsamen Auftrag aller Schichten und ihre gemeinsame Laserstrukturierung zusammengezogen werden.
Prof. Dr. Heinz P. Huber lehrt und forscht seit 2004 an der Hochschule München als Professor für Lasertechnologie und Photonik. Nach einem Studium der Technischen Physik an der TU München promovierte er an der LMU München zum Thema "Ultrakurzzeit-Spektroskopie der Photosynthese". Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der Anwendung von Ultrakurzpuls-Lasern, insbesondere der Einsatz von Lasern in der Photovoltaik zur Verbesserung der Produktionsmethoden, Ultrakurzpuls-Laser als Werkzeuge in der Produktion sowie grundlegende Untersuchungen zur Wechselwirkung von Laserpulsen mit Werkstoffen durch ultrakurzzeitaufgelöste Experimente und Simulationen.
Text: Christiane Taddigs-Hirsch
Links: Dünnschichtsolarzellen in der Architektur: Das für seinen Energiestandard preisgekrönte gesellschaftliche Wohnprojekt von FUNKWA 10 Architekten in der Fritz-Winter-Strasse 3+7 in Nordschwabing setzt Dünnschichtzellen straßenseitig als Elemente der Fassadengestaltung ein
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