Zeitung Heute : Dünn und makellos

Je flacher und besser verarbeitet eine Solarzelle ist, desto größer ist ihr Wirkungsgrad.

Roland Knauer
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Glänzende Aussicht. TU-Wissenschaftler können die Effektivität neuer Solarmodule präzise messen. Dank mikroskopischer Analysen...Ulrich Dahl/Pressestelle der TUB

Wenn die Hersteller von Solarzellen in wenigen Jahren ihr großes Etappenziel erreichen dürften, sollten die TU Berlin und das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) dabei eine wichtige Rolle gespielt haben. Für einen Privathaushalt sollen dann die Stromkosten langfristig günstiger sein, wenn die Elektrizität nicht mehr vom großen Energieversorger kommt, sondern von den Solarzellen auf dem eigenen Hausdach. Um dieses Ziel zu erreichen, unterstützt das von TU Berlin und HZB neu gegründete Kompetenzzentrum „Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik Berlin“ (PVcomB) Firmen wie Masdar PV, die in der Nähe von Erfurt ihren Sitz hat, bei der Entwicklung von Solarzellen.

„Als Grundlagenforscher entwickeln wir selbst keine Solarzellen, sondern Technologien, Analysemethoden und Simulationen für dieses Gebiet“, sagt Christian Boit von der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik der TU Berlin. In den Firmen geht der Trend klar in Richtung Dünnschichtsolarzellen, die einen erheblichen Kostenvorteil bieten: „Hochreines Silizium für Solarzellen ist teuer“, sagt Boit. „Die neuen Dünnschichtzellen mit einer Dicke von rund drei Mikrometern sollten daher erheblich billiger werden als die 200 oder 300 Mikrometer dicken herkömmlichen Zellen.“ Deshalb würden die Module deutlich billiger.

Für diese ultradünnen Solarzellen bieten sich eine Reihe von Materialien an. PVcomB arbeitet dabei an zwei unterschiedlichen Siliziumvarianten, die jeweils andere Vorteile haben: Mikrokristallines Silizium kann auch rotes und infrarotes Licht in elektrischen Strom umwandeln, während amorphes Silizium nur sichtbares Licht bis in den blauen Bereich nutzt und daher einen schlechteren Wirkungsgrad in Kauf nimmt, aber noch einmal billiger ist. Der Projektpartner Masdar PV setzt daher auf amorphes Silizium.

„Allerdings tritt bei diesem Material der sogenannte ‚Staebler-Wronski-Effekt’ auf“, erklärt PVcomB-Forscher Onno Gabriel: Im ersten Betriebsjahr verändert das Sonnenlicht dieses Material so, dass es weniger Elektrizität aus Licht gewinnt und die so gewonnene Elektrizität auch noch schlechter weiterleitet. Nach etwa 1000 Sonnenstunden stabilisiert sich der Wirkungsgrad dieser Solarzellen aus amorphem Silizium auf einen Wert, der 15 bis 20 Prozent unter dem Anfangswert liegt. Die Kunden dürften aber nicht enttäuscht sein, im Gegenteil. Die Firmen geben den stabilen Wirkungsgrad an, der nach einem Jahr erreicht wird, so dass die Solarzellen am Anfang deutlich mehr Strom liefern als der Hersteller verspricht.

Mit einer Variante will Masdar PV dem Staebler-Wronski-Effekt entgegensteuern. Weil der Wirkungsgrad mit zunehmender Dicke der Solarzelle immer stärker abnimmt, setzen die Ingenieure statt einer dickeren Schicht amorphen Siliziums zwei dünnere Schichten ein, die sie hintereinander anordnen. „Dadurch verringert sich der Wirkungsgradverlust nicht nur in jeder einzelnen der beiden Schichten, sondern auch im gesamten Tandem“, erklärt Gabriel. „Zusätzlich erhöht die Tandem-Struktur den Wirkungsgrad um weitere zehn Prozent.“

Produziert werden die neuen Tandem-Solarzellen auf dünnen Glasplatten, die mit der Größe von 2,30 mal 2,60 Metern die Dimension einer Doppelflügeltür erreichen. Auf der Rückseite werden dann Schichten aus Aluminium, Silber oder anderen Materialien angebracht, die den entstandenen Strom weiterleiten und möglichst auch nicht verbrauchtes Licht in die Solarzelle zurück reflektieren und so den Wirkungsgrad weiter erhöhen.

Entwicklern wie Masdar PV fehlen oftmals solch aufwändige Analysemethoden wie die Elektronenstrahl-Mikroskopie. Doch diese Untersuchungen sind nötig, um die Produktion zu verbessern.

„Genau das können wir bieten“, sagt Boit. Mit seinen Verfahren lassen sich etwa in den Chips für moderne Rechner rasch Fehler finden. Die Prozessoren enthalten jede Menge winziger Transistoren, die zwischen zwei Zuständen umschalten können. Dabei entsteht ein extrem schwacher Lichtblitz, der für das Auge unsichtbar ist, aber von den Analysegeräten registriert wird, die Boit entwickelt hat. „Mit unseren Geräten können wir die Lichtblitze und damit das Signal auf seinem Weg durch den Schaltkreis verfolgen“, sagt er. So kann er eventuelle Fehler im Chip relativ rasch finden, weil dort ein Signal sozusagen „falsch gestellt wird“.

Solarzellen arbeiten nach dem gleichen Halbleiterprinzip wie die Chips. Damit können solche Analysemethoden auch Fehler in Solarzellen entdecken. PVcomB versorgt Masdar PV nicht nur mit Analysemethoden, sondern bildet auch die Spezialisten der Firma aus, die solche Zellen entwickeln und später produzieren. Roland Knauer

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