01.01.2018
Schema des Mikrokonzentrator-Solarzellenkonzepts

Schema des Mikrokonzentrator-Solarzellenkonzepts

Quelle: BAM, Fachbereich Technologien mit Nanowerkstoffen

In der Photovoltaik ist ein rascher Fortschritt hin zu neuen Licht absorbierenden Materialien und anspruchsvolleren Solarzellen-Designs zu verzeichnen. Motivation dabei ist es, den Wirkungsgrad der Solarzellen zu erhöhen, die Produktionskosten zu senken und Material einzusparen. Ein hierfür vielversprechender neuer Ansatz besteht im Konzept der Mikrokonzentrator-Solarzellen. Das dargestellte Schema zeigt eine Mikrokonzentrator-Solarzellenanordnung bestehend aus Glas als Trägermaterial, einer Molybdänschicht als Rückkontakt, Absorberinseln im Mikrometerbereich und einem Frontkontakt. Zusätzlich werden die lichtfokussierenden Mikrolinsen dargestellt. Dieses seriell verschaltbare Zellkonzept verbindet insbesondere die Vorteile der Materialersparnis mit einer Steigerung des Wirkungsgrades der Solarzelle bei konzentrierter Beleuchtung durch Mikrolinsen.

Optische Mikroskopaufnahmen einer Anordnung von Kupfer-Indium-Inseln auf molybdänbeschichtetem Glas. Ausgangsschichtfolge: 20 nm Kupfer, 200 nm Indium (links). Einzelne Insel in höherer Vergrößerung (rechts).

Optische Mikroskopaufnahmen einer Anordnung von Kupfer-Indium-Inseln auf molybdänbeschichtetem Glas. Ausgangsschichtfolge: 20 nm Kupfer, 200 nm Indium (links). Einzelne Insel in höherer Vergrößerung (rechts).

Quelle: BAM, Fachbereich Technologien mit Nanowerkstoffen

Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (Cu(In,Ga)Se2, CIGSe) ist ein direkter Halbleiter, ein ausgezeichneter Sonnenlicht-Absorber und ein etabliertes Material in der Dünnschicht-Photovoltaik-Technologie. Den Effizienzrekord hält das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg mit einem aktuellen Rekordzellwirkungsgrad von 22,6 %. Ausgehend von diesem hohen Niveau erscheint CIGSe sehr vielversprechend für Mikrokonzentrator-Anwendungen, die es erlauben, besonders das seltene und kostspielige Indium zu sparen und die Zelleffizienz durch Lichtkonzentration weiter zu steigern.

Gemeinsam mit Projektpartnern vom Leibniz-Institut für Kristallzüchtung Berlin (IKZ), dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und der Universität Duisburg-Essen (UDE) wurden Femtosekundenlaser basierte Verfahren untersucht, die zur Herstellung von Mikroabsorberinseln an definierten Positionen dienen. Es wurde demonstriert, dass mit Hilfe des sogenannten Laser-induzierten Vorwärtstransfers (LIFT) mit einzelnen Laserpulsen mikrometergroße Kupfer- und/oder Indiuminseln auf eine Molybdänschicht auf Glas aufgebracht werden können (siehe optische Mikroskopbilder). Solche Systeme können als Vorläufer für die Bottom-up-Herstellung von Mikrokonzentrator-Solarzellen auf Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid dienen.

Production of precursors for micro-concentrator solar cells by femtosecond laser-induced forward transfer
Stefan Andree, B. Heidmann, F. Ringleb, K. Eylers, Jörn Bonse, T. Boeck, M. Schmid, Jörg Krüger
Applied Physics A, October 2017, 123:670
BAM Abteilung Materialschutz und Oberflächentechnik, Fachbereich Technologien mit Nanowerkstoffen