Veränderung in der Solarenergiegewinnung Neuer Wirkungsgrad-Weltrekord in der Solartechnologie

Die Universität Uppsala ist der neue Weltrekordhalter für die Erzeugung elektrischer Energie aus CIGS-Solarzellen. Der neue Weltrekord liegt bei einem Wirkungsgrad von 23,64 Prozent. Die Messung wurde von einem unabhängigen Institut durchgeführt.

Der Rekord ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen dem Unternehmen First Solar European Technology Center (früher bekannt als Evolar) und Solarzellenforschern der Universität Uppsala. „Die Messungen, die wir selbst für diese Solarzelle und andere kürzlich hergestellte Solarzellen durchgeführt haben, liegen innerhalb der Fehlermarge für die unabhängige Messung. Diese Messung wird auch für eine interne Kalibrierung unserer eigenen Messmethoden verwendet“, sagt Marika Edoff, Professorin für Solarzellentechnologie an der Universität Uppsala, die für die Studie verantwortlich ist.

Die Universität Uppsala hat den Rekord schon einmal gehalten

Der bisherige Weltrekord lag bei 23,35 Prozent (Solar Frontier, Japan), davor waren es 22,9 Prozent (ZSW, Deutschland). Die Universität Uppsala hat den Rekord schon einmal gehalten, das erste Mal in den 1990er Jahren im Rahmen der Forschungskooperation Euro-CIS.

„Damals hielten wir auch den Rekord für einen in Reihe geschalteten Prototyp. Auch wenn es schon ziemlich lange her ist, dass wir den Zellenrekord gehalten haben, waren wir oft nur knapp hinter den besten Ergebnissen, und natürlich gibt es viele relevante Aspekte zu berücksichtigen, wie zum Beispiel das Potenzial für die Skalierung zu einem großtechnischen Prozess, bei dem wir immer an vorderster Front standen“, sagt Edoff.

Solarzellen sind weltweit auf dem Vormarsch, und nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) wird der Anteil der Solarenergie an der weltweiten Stromversorgung im Jahr 2022 knapp über sechs Prozent betragen. Die besten Solarmodule aus kristallinem Silizium, dem am häufigsten verwendeten Material für Solarzellen, wandeln derzeit mehr als 22 Prozent des Sonnenlichts in elektrischen Strom um, und moderne Solarzellen sind sowohl kostengünstig als auch langfristig stabil.

Tandem-Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad

Ein Ziel in der Solarzellenforschung ist es, einen Wirkungsgrad von mehr als 30 Prozent bei vernünftigen Produktionskosten zu erreichen. Im Mittelpunkt stehen dabei häufig Tandem-Solarzellen, die einen höheren Wirkungsgrad haben, aber bisher für den großtechnischen Einsatz zu kostspielig sind.

Der Weltrekord von 23,64 Prozent wurde von dem unabhängigen Institut Fraunhofer ISE in Deutschland gemessen. Die wissenschaftliche Arbeit enthält eine gründliche Material- und elektrische Analyse der Solarzelle sowie einen Vergleich mit früheren Rekorden für denselben Solarzellentyp von anderen Forschungseinrichtungen.

Die wichtigsten Eigenschaften einer Solarzelle sind die Fähigkeit, Licht zu absorbieren und Energie an einen elektrischen Verbraucher zu übertragen. Damit dies gelingt, muss das Material in der Lage sein, einen optimalen Anteil des Sonnenlichts zu absorbieren und gleichzeitig zu vermeiden, dass diese Energie durch Umwandlung in Wärme innerhalb der Solarzelle verschwendet wird.

Mit mehreren Schichten beschichtete Glasscheibe

CIGS-Solarzellen bestehen aus einer Glasscheibe aus normalem Fensterglas, die mit mehreren verschiedenen Schichten beschichtet ist, von denen jede eine bestimmte Aufgabe hat. Das Material, das das Sonnenlicht absorbiert, besteht aus Kupfer, Indium, Gallium und Selenid (daher das Akronym CIGS), mit Zusätzen von Silber und Natrium. Diese Schicht befindet sich in der eigentlichen Solarzelle zwischen einem Rückkontakt aus metallischem Molybdän und einem transparenten Vorderkontakt.

Damit die Solarzelle die Elektronen so effizient wie möglich abtrennen kann, wird die CIGS-Schicht mit Rubidiumfluorid behandelt. Das Gleichgewicht zwischen den beiden Alkalimetallen Natrium und Rubidium sowie die Zusammensetzung der CIGS-Schicht sind entscheidend für den Umwandlungswirkungsgrad, das heißt den Anteil des gesamten Sonnenspektrums, der in der Solarzelle in elektrischen Strom umgewandelt wird.

Wenn Messinstitute ihre Tests durchführen, messen sie den Wirkungsgrad der Solarzellen mit gefiltertem Licht, das in Intensität und Spektrum der Sonne nachempfunden ist. Während der Messung wird die Solarzelle bei einer kontrollierten Temperatur gehalten, und die unabhängigen Institute schicken sich gegenseitig regelmäßig Kalibrierungssolarzellen zu. Um als Weltrekord registriert zu werden, ist eine unabhängige Messung erforderlich, die in diesem Fall vom Messinstitut Fraunhofer ISE durchgeführt wurde.

„Unsere Studie zeigt, dass die CIGS-Dünnschichttechnologie eine wettbewerbsfähige Alternative als eigenständige Solarzelle ist. Die Technologie hat auch Eigenschaften, die in anderen Kontexten funktionieren können, etwa als untere Zelle einer Tandemsolarzelle“, sagt Edoff.

Mehrere fortschrittliche Messmethoden

Mehrere fortschrittliche Messmethoden wurden eingesetzt, um den Zusammenhang zwischen dem Wirkungsgrad und der Solarzellenstruktur besser zu verstehen: Das Material der Solarzelle wurde mittels Nano-RFA (Röntgenfluoreszenzspektroskopie) in der MAX IV-Anlage in Lund charakterisiert, wo eine sorgfältige Analyse der Zusammensetzung durchgeführt wurde. Mittels hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wurden Querschnitte der Solarzelle untersucht, und zwar sowohl die Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Tiefe als auch die Art und Weise, wie die Kristallkörner aufgebaut sind, sowie die Grenzflächen zwischen den Schichten.

Mit Hilfe der Photolumineszenz wurde das Spektrum des von der Solarzelle nach Anregung durch einen Laser emittierten Lichts untersucht, um zu verstehen, wie gut die Solarzelle mit den Elektronen im Inneren umgeht. Eine Solarzelle, die hell leuchtet, hat einen geringeren Anteil an internen Wärmeverlusten als eine Solarzelle, die nur schwach leuchtet. Schließlich wurde mit elektrischen Messmethoden die Dotierung des CIGS-Materials analysiert.

„Die Tatsache, dass wir nun den Weltrekord halten, bedeutet sowohl für die Universität Uppsala als auch für das First Solar European Technology Center sehr viel. Für die CIGS-Technologie, die für ihre hohe Zuverlässigkeit bekannt ist, bedeutet ein Weltrekord auch, dass sie eine praktikable Alternative für neue Anwendungen, zum Beispiel in Tandem-Solarzellen, darstellen könnte. Das ist wichtig für unsere Forschungskollegen in aller Welt. Wir hoffen, dass die Analysen der Material- und elektrischen Eigenschaften die Grundlage für weitere Leistungsverbesserungen bilden werden“, so Edoff abschließend.