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Neuer Rekord bei flexiblen Solarzellen

Biegsame Dünnschicht-Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 21,4 Prozent

Dünnschicht-Solarzelle
Flexible CIGS-Solarzellen aus den Halbleiter-Elementen Kupfer, Indium, Gallium und Selen erreichen immer höhere Wirkungsgrade. © Empa

Strom aus Sonne: Flexible Dünnschicht-Solarzellen auf Polymerbasis werden immer effizienter. Einen neuen Rekord im Wirkungsgrad hat dabei nun ein Schweizer Forschungsteam erzielt. Ihre biegsamen Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Solarzellen (CIGS) erreichten bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom einen Wirkungsgrad von 21,4 Prozent. Damit kommen die Dünnschicht-Solarzellen den gängigen starren Silizium-Paneelen immer näher.

Wenn es um Photovoltaik geht, sind starre Solarzellen aus kristallinem Silizium noch immer der Standard. Ihre besten Wirkungsgrade liegen bisher bei 26,7 Prozent. Demgegenüber hinkten die organischen Solarzellen lange hinterher. Bei diesen flexiblen Dünnschicht-Solarzellen auf Polymerbasis werden die Halbleiter als dünne Schicht auf einen Trägerfilm aus Kunststoff aufgedruckt. Die resultierenden Zellen sind leicht, biegsam und können sogar auf dehnbare Textilien aufgebracht werden.

In den letzten Jahren haben Fortschritte in den Komponenten und Herstellungsmethoden dazu geführt, dass die Wirkungsgrade der organischen Solarzellen stetig besser werden. Sie nähern sich denen der kristallinen Silizium-Zellen immer weiter an und erlauben so einen neuen, vielseitigeren Einsatz der Photovoltaik.

21,4 Prozent Wirkungsgrad

Jetzt haben Forschern um Romain Carron von der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa einen neuen Rekord aufgestellt. Ihre flexible Dünnschicht-Solarzelle erreichte erstmals einen Wirkungsgrad von 21,4 Prozent, wie eine unabhängige Prüfung am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg bestätigte. Damit rücken die Solarzellen auf Polymerbasis noch näher an die kristallinen Paneele heran.

Grundlage dafür war die weiter optimierte Version einer Solarzelle mit den Halbleitern Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid – kurz CIGS-Solarzelle genannt. Hergestellt wird diese Dünnschichtzelle mithilfe einer Niedrigtemperatur-Verdampfungsmethode. Dabei scheidet sich das lichtabsorbierende Halbleitermaterial Cu(In,Ga)Se2 allmählich als hauchdünner Film auf der Polymerfolie ab.

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Optimierung bei Dotierung und Nachbehandlung

Für die neue Version der CIGS-Solarzelle haben die Forscher die Zusammensetzung der Halbleiter-Schicht und der Alkali-Dotierstoffe optimiert. Außerdem testeten sie ein Verfahren, bei dem die Solarzelle nach der Verarbeitung einer kombinierten Wärme- und Lichteinwirkung ausgesetzt wird. Dies führte zu einer Steigerung der Photovoltaikleistung, die auch nach mehreren Monaten stabil blieb, wie das Team berichtet.

Flexible und leichte Solarmodule mit dieser Technologie eignen sich besonders für Anwendungen auf Dächern und Fassaden von Gebäuden, für Gewächshäuser, Transportfahrzeuge, Luftschiffe und tragbare Elektronik. Die Wissenschaftler der Empa arbeiten bereits gemeinsam mit Partnern an der industriellen Rolle-zu-Rolle-Herstellung dieser Solarzellen für derartige Anwendungen.

Quelle: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

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