Siliziumsolarzelle mit Rekordwirkungsgrad

Solarzellen aus Silizium werden nicht nur immer günstiger, auch ihr Wirkungsgrad steigt stetig. Mit einer monokristallinen Siliziumzelle haben Wissenschaftler nun erstmals die 26-Prozent-Marke überwunden. Wie die Entwickler in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ berichten, nutzten sie ausschließlich in der Industrie etablierte Methoden für die Produktion. Bis zum Jahr 2050 könnte photovoltaisch erzeugter Strom weltweit ein Fünftel des gesamten Bedarfs an Primärenergie decken.

Behandschuhte Hände halten Solarzelle in Form eines schwarzen Quadrates.
Solarzelle aus Silizium

„Die Lebensdauer der Ladungsträger, der elektrische Widerstand und die optischen Eigenschaften sind die wichtigsten Ansatzpunkte, um Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden herzustellen“, sagt Kunta Yoshikawa vom japanischen Solarunternehmen Kaneka in Osaka. Um die bereits weit entwickelte Siliziumtechnologie noch etwas zu verbessern, fokussierten sich Yoshikawa und seine Kollegen auf diese drei Parameter. Als Ausgangsmaterial für ihren 180 Quadratzentimeter großen Prototyp nutzten sie einen 165 Mikrometer dicken monokristallinen Siliziumwafer.

Die kristalline Siliziumschicht umhüllten die Wissenschaftler von beiden Seiten mit dünnen Schichten aus amorphem Silizium. Durch das verwendete Aufdampfverfahren entstanden sogenannte Heteroübergänge zwischen amorphen und kristallinen Halbleiterschichten. Dank dieser Sandwichstruktur ließ sich die unerwünschte Rekombination der durch die Absorption von Sonnenlicht erzeugten Ladungsträger – Elektronen und Elektronenlöcher – reduzieren. Die Folge:  Weniger Ladungsträger gingen ungenutzt verloren und der Wirkungsgrad stieg an. Vergleichbar wichtig zeigte sich zudem die Anordnung der Elektroden ausschließlich auf der Rückseite der Solarzelle, sodass Sonnenlicht die gesamte Vorderseite erreichte. Um Reflexionen zu vermeiden, die den Wirkungsgrad ebenfalls mindern, ergänzte das Team um Yoshikawa noch eine hauchdünne Antireflexionsschicht auf der Vorderseite.

Der nun vorgestellte Prototyp erreichte bei Testmessungen im unabhängigen Photovoltaiklabor des Fraunhofer-Instituts für solare Energiesysteme in Freiburg einen Wirkungsgrad von 26,3 Prozent. Kurz nach Einreichen der Publikation gelang sogar eine weitere Steigerung auf 26,6 Prozent – dieses Ergebnis wollen Yoshikawa und seine Kollegen im April auf der Fachkonferenz in Freiburg präsentieren. Die Entwickler sind davon überzeugt, dass sie Solarzellen aus kristallinem Silizium mit ihrem Ansatz noch weiter optimieren können, um möglichst nah an das theoretische Wirkungsgradmaximum von 29,1 Prozent heranzureichen.