Photovoltaik

Neuer Rekord beim Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen

20.03.17 | Autor / Redakteur: Stefan Parsch, dpa / Sebastian Gerstl

Bild der HJ-IBC photovoltaischen Zelle, die in den Photovoltaic & Thin Film Research Laboratories bei Kaneka entwickelt wurde. Die Solarzelle erreicht einen Wirkungsgrad von 26,3% bei der Umwalndlung von Sonnenlicht und Energie und reicht damit bereits nah an das theretische Maximum von 29% heran, das für Siliziumzellen berechnet wurde.
Bild der HJ-IBC photovoltaischen Zelle, die in den Photovoltaic & Thin Film Research Laboratories bei Kaneka entwickelt wurde. Die Solarzelle erreicht einen Wirkungsgrad von 26,3% bei der Umwalndlung von Sonnenlicht und Energie und reicht damit bereits nah an das theretische Maximum von 29% heran, das für Siliziumzellen berechnet wurde. (Bild: Photovoltaic & Thin Film Research Laboratories (Kaneka corporation))

Bis zum Jahr 2050 soll Photovoltaik etwa 20 Prozent der weltweit benötigten Elektrizität liefern. Japanische Forscher haben nun einen neuen Rekord für den Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen erreicht.

Japanische Forscher haben bei Silizium-Solarzellen einen neuen Effizienz-Rekord erreicht: Mit einem Wirkungsgrad von 26,3 Prozent nähert sich ihre Solarzelle der theoretischen Grenze für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Dieses Limit wurde für Silizium-Solarzellen auf rund 29 Prozent berechnet. Der Wirkungsgrad ließ sich sogar noch steigern, wie das Team um Kunta Yoshikawa von der Kaneka Corporation in Osaka im Fachmagazin Nature Energy schreibt. Gemessen wurde er vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg.

„Die Verbesserung der Lichtumwandlung von Solarzellen ist entscheidend für den weiteren Einsatz von erneuerbarer Energie“, schreiben die Wissenschaftler. Nach verschiedenen Prognosen werde die Photovoltaik im Jahr 2050 etwa 20 Prozent der weltweit benötigten Elektrizität liefern. Vor allem japanische Forscher loten derzeit aus, wie weit man diese Technologie vorantreiben kann: Auch der bisherige Rekordhalter unter den Silizium-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 25,6 Prozent kam 2014 aus dem fernöstlichen Land.

Yoshikawa und Kollegen verwenden bei ihrem Herstellungsverfahren zunächst eine kristalline Silizium-Scheibe, die nur 165 Mikrometer (Tausendstel Millimeter) dick ist. Deren Oberfläche wird durch Ätzen strukturiert, um die Reflexion von Licht zu minimieren. Dann werden Vorder- und Rückseite mit sogenanntem amorphem Silizium beschichtet. In dieser Form des Halbmetalls bilden die Atome eine unregelmäßige Struktur, während sie in kristallinem Silizium in ein strenges Kristallgitter eingebunden sind. Die Kombination aus kristallinem und amorphem Silizium verringert den Verlust an Ladungsträgern.

Auf der sonnenzugewandten Seite wird noch eine Anti-Reflexionsschicht aufgebracht. Auf der Rückseite folgen im Aufbau sehr feine Streifen von amorphem Silizium, in die unterschiedliche Fremdatome eingebracht wurden - die sogenannte Dotierung. Dadurch entstehen die für die Stromerzeugung notwendigen Bereiche zwischen positiver (p) und negativer (n) Dotierung. Die Elektroden, die den Strom aufnehmen, sind linienförmig an die Streifen aus p-dotiertem und n-dotiertem Silizium angepasst.

Die Gruppe um Yoshikawa untersuchte auch, welche Effekte verhindern, dass der Wirkungsgrad höher ist. Mit einer Rumpf-Solarzelle - also ohne Elektroden -, bei der die Beschichtung verbessert war, konnten die Forscher die Energieverluste noch einmal verringern: den Verlust durch reflektiertes Licht von 1,0 auf 0,9 Prozent, den Verlust durch die Wiedervereinigung von negativen und positiven Ladungsträgern von 1,2 auf 0,7 Prozent und den Verlust durch elektrischen Widerstand von 0,5 auf 0,4 Prozent. Dadurch steigerten die Wissenschaftler bei der Rumpf-Solarzelle den Wirkungsgrad auf 27,1 Prozent.

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