Aus der Forschung
Anlage zur mikroskopischen Charakterisierung von Dünnschicht-Solarzellen. Bild: Helmholtz-Zentrum Berlin
Helmholtz-Podcast:
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Transport über alle Grenzen
Solarzellen arbeiten nach einem einfachen Prinzip: Wenn Licht auf die aktive Schicht fällt, lösen sich negativ geladene Elektronen aus ihrem atomaren Verbund und beginnen zu wandern. Dort wo das Elektron war, bleibt ein positiv geladener Atomrumpf zurück - ein so genanntes Loch. Diese Ladungsträger wandern durch die Solarzelle und erzeugen so einen Plus- und einen Minuspol, an dem der Stromfluss abgegriffen werden kann. Dies gilt für Solarzellen aus kristallinem Silizium genauso wie für die neueren Solarzellenmodule, die aus dünnen Schichten bestehen, in denen unzählige winzige Kristallkörnchen aneinanderstoßen. Und dort, wo sie aneinanderstoßen, also an ihren Grenzen, sollten die Ladungsträger eigentlich nicht gut weiterkommen und wieder miteinander „rekombinieren“, das heißt, Elektronen fallen in die Löcher und der Stromfluss stoppt. Soweit die Erwartung. Dennoch sind die Wirkungsgrade, wenn auch nicht so hoch wie bei den Siliziumzellen, besser als gehofft.
Um herauszufinden, was an den Korngrenzen tatsächlich passiert, haben Forscher um Dr. Sascha Sadewasser vom Helmholtz-Zentrum Berlin eine künstliche Korngrenze geschaffen, die groß genug ist, um sie zu untersuchen.
„Während in einer normalen Solarzelle die Körner in der Größe von Mikrometern sind, haben wir zwei große Körner im Bereich von Millimetern erzeugt, die dann durch eine definierte Korngrenze getrennt sind“ erklärt Sadewasser.
Die mit großem Aufwand künstlich erzeugte Riesen-Korngrenze besteht aus einem Chalkopyrit-Kristall - einem Kupfer-Mineral, das auch in Dünnschicht-Solarmodulen verwendet wird. Bei ihren Messungen stießen die Forscher auf einen unerwartet hohen elektrischen Widerstand, der auf eine elektronische Barriere an der Korngrenze schließen lässt. Diese Barriere ist offenbar sehr hoch und dabei nur wenige Nanometer dick, so dass die Elektronen diese durchtunneln können, ein Effekt, der in der Quantenmechanik wohlbekannt ist.
Die elektrische Barriere an den Korngrenzen hat somit zwei Effekte, die den Stromfluss unterstützen: Durch den Tunneleffekt können die freien Elektronen die Grenze trotz der hohen Barriere passieren. Gleichzeitig drückt die Barriere die positiven Ladungen weg und verhindert so, dass die Elektronen beim Passieren der Grenze in diese Löcher fallen und damit für den Stromfluss verloren gehen. Damit ist erklärt, warum ein Dünnschicht-Solarmodul so effizient Strom leitet, obwohl es so viele Grenzen gibt. Im Wirkungsgrad sind die Dünnschicht-Solarmodule den herkömmlichen Solarzellen aus Silizium noch leicht unterlegen. Doch mit dem neuen Wissen über die Physik der Dünnschicht-Photovoltaik könnte sich das möglicherweise ändern. Denn vielleicht lassen sich die Korngrenzen so modifizieren, dass der Wirkungsgrad der Dünnschicht-Module noch ein wenig steigt.
