Neuer Weltrekord für CIGS-Solarzellen

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Die Universität Uppsala ist neuer Weltrekordhalter für die Stromerzeugung aus CIGS-Solarzellen. Der neue Weltrekord liegt bei 23,64 Prozent Wirkungsgrad. Die Messung wurde von einem unabhängigen Institut durchgeführt und die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturenergie.

Der Rekord ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen dem Unternehmen First Solar European Technology Centre (früher bekannt als Evolar) und Solarzellenforschern der Universität Uppsala.

„Die Messungen, die wir für diese Solarzelle und andere kürzlich hergestellte Solarzellen selbst durchgeführt haben, liegen innerhalb der Fehlergrenze der unabhängigen Messung. Diese Messung wird auch für eine interne Kalibrierung unserer eigenen Messmethoden verwendet“, sagt Marika Edoff, Professor für Solarzellentechnologie an der Universität Uppsala, der für die Studie verantwortlich ist.

Der bisherige Weltrekord lag bei 23,35 Prozent (Solar Frontier, Japan), gefolgt von 22,9 Prozent (ZSW, Deutschland). Den Rekord hielt die Universität Uppsala schon früher, erstmals in den 1990er Jahren im Rahmen der Forschungskooperation Euro-CIS.

„Einmal hielten wir auch den Rekord für einen in Reihe geschalteten Prototypen. Auch wenn es schon ziemlich lange her ist, dass wir den Zellrekord gehalten haben, lagen wir oft knapp hinter den besten Ergebnissen und natürlich gibt es viele relevante Aspekte zu berücksichtigen.“ , wie zum Beispiel das Potenzial für die Skalierung auf einen Großprozess, bei dem wir immer an vorderster Front standen“, sagt Edoff.

Solarzellen nehmen weltweit rasant zu und Solarenergie machte laut der Internationalen Energieagentur (IEA) im Jahr 2022 knapp über 6 Prozent des weltweiten Stroms aus. Die besten Solarmodule aus kristallinem Silizium, dem am häufigsten in Solarzellen verwendeten Material, wandeln derzeit mehr als 22 Prozent des Sonnenlichts in elektrischen Strom um, und moderne Solarzellen sind sowohl kostengünstig als auch langfristig stabil.

Ein Ziel in der Solarzellenforschung ist es, bei vertretbaren Produktionskosten einen Wirkungsgrad von über 30 Prozent zu erreichen. Der Fokus liegt sehr oft auf Tandem-Solarzellen, da diese zwar effizienter sind, für den großtechnischen Einsatz aber bislang zu teuer sind.

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

Die wichtigsten Eigenschaften einer Solarzelle sind die Fähigkeit, Licht zu absorbieren und Energie zu einem elektrischen Verbraucher zu transportieren. Damit dies gelingt, muss das Material in der Lage sein, einen optimalen Anteil des Sonnenlichts zu absorbieren und diese Energie nicht durch die Umwandlung in Wärme innerhalb der Solarzelle zu verschwenden.

CIGS-Solarzellen bestehen aus einer Glasscheibe aus normalem Fensterglas, die mit mehreren unterschiedlichen Schichten beschichtet wurde, die jeweils eine bestimmte Aufgabe erfüllen. Das Material, das das Sonnenlicht absorbiert, besteht aus Kupfer, Indium, Gallium und Selenid (daher die Abkürzung CIGS) mit Zusätzen von Silber und Natrium. Diese Schicht wird in der eigentlichen Solarzelle zwischen einem Rückkontakt aus metallischem Molybdän und einem transparenten Frontkontakt platziert. Damit die Solarzelle möglichst effizient Elektronen abtrennt, 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 die Umwandlungseffizienz, also den Anteil des gesamten Sonnenspektrums, der in der Solarzelle in elektrischen Strom umgewandelt wird.

Wenn Messinstitute ihre Tests durchführen, messen sie die Effizienz der Solarzelle mithilfe von gefiltertem Licht, das sowohl in der Intensität als auch im Spektrum die Sonne nachahmt. Während der Messung wird die Solarzelle auf einer kontrollierten Temperatur gehalten und die unabhängigen Institute schicken sich regelmäßig Kalibriersolarzellen zu. Um als Weltrekord registriert zu werden, ist eine unabhängige Messung erforderlich, die in diesem Fall durch das Messinstitut Fraunhofer ISE durchgeführt wurde.

„Unsere Studie zeigt, dass die CIGS-Dünnschichttechnologie eine wettbewerbsfähige Alternative als eigenständige Solarzelle ist. Die Technologie verfügt auch über Eigenschaften, die in anderen Zusammenhängen funktionieren können, beispielsweise als untere Zelle einer Tandem-Solarzelle“, sagt Edoff.

Mehrere fortschrittliche Messmethoden wurden verwendet, um den Zusammenhang zwischen der Effizienz und der Solarzellenstruktur besser zu verstehen: Material aus der Solarzelle wurde durch Nano-XRF (Röntgenfluoreszenzspektroskopie) an der MAX IV-Anlage in Lund charakterisiert, wo a Es wurde eine sorgfältige Analyse der Zusammensetzung durchgeführt. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit hoher Auflösung wurde verwendet, um Querschnitte der Solarzelle zu untersuchen, sowohl die Zusammensetzung als Funktion der Tiefe und den Aufbau der Kristallkörner als auch die Grenzflächen zwischen den Schichten. Mithilfe der Photolumineszenz wurde das Spektrum des von der Solarzelle nach Anregung durch einen Laser emittierten Lichts untersucht, um zu verstehen, wie gut die Solarzelle intern mit Elektronen umgeht. Eine hell leuchtende Solarzelle hat einen geringeren Anteil an inneren Wärmeverlusten als eine schwach leuchtende Solarzelle. Schließlich wurden elektrische Messmethoden verwendet, um die Dotierung des CIGS-Materials zu analysieren.

„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 möglicherweise eine praktikable Alternative für neue Technologien darstellt.“ „Wir hoffen, dass die Analysen der Material- und elektrischen Eigenschaften eine Grundlage für weitere Leistungsverbesserungen liefern“, schließt Edoff.



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