Neuer Wirkungsgradrekord bei flexiblen Solarzellen

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Flexible CIGS-Solarzellen bestehen aus sehr dünnen Schichten und enthalten eine

Flexible CIGS-Solarzellen bestehen aus sehr dünnen Schichten und enthalten eine Halbleiter-Verbindung aus den Elementen Kupfer, Indium, Gallium und Selen. Die Schichten werden auf flexible Polymersubstrate aufgebracht, hauptsächlich durch Vakuumverfahren. Bild: Empa

Einen neuen Wirkungsgradrekord von knapp 21,4 % für CIGS-Solarzellen auf flexibler Polymerfolie haben Wissenschaftler der Empa erzielt. Solarzellen dieses Typs eignen sich besonders für Anwendungen auf Dächern, Transportfahrzeugen und mobilen Geräten.

Eine Forschergruppe der Empa hat den Wirkungsgrad von flexiblen Solarzellen auf einen neuen Rekordwert angehoben. Unabhängige Messungen ergaben einen Wert von 21,4 %, wenn diese Art von Solarzellen Licht in elektrischen Strom umwandeln. Zum Vergleich: Der beste Wirkungsgrad einer herkömmlichen (nicht biegsamen) Solarzelle aus kristallinem Silizium liegt bei 26,7 %.

Die Details der Forschungsleistung stellt Romain Carron, Gruppenleiter im Empa-Labor für Dünnschichten und Photovoltaik unter Leitung von Ayodhya N. Tiwari, am 7. September 2021 auf der «38th European Photovoltaic Solar Energy and Conference and Exhibition (EU PVSEC)» vor, die dieses Jahr virtuell stattfindet.

Hocheffiziente flexible Solarzellen werden mittels einer Niedrigtemperatur-Verdampfungsmethode auf einer Polymerfolie hergestellt. Auf der Folie scheidet sich das lichtabsorbierende Halbleitermaterial Cu(In,Ga)Se2 als hauchdünner Film langsam ab. Der Forscher Shiro Nishiwaki optimierte die Zusammensetzung der Schicht und der Alkali-Dotierstoffe, um den Wirkungsgrad (weiter) zu erhöhen. Die Forscher untersuchten die Auswirkungen einer kombinierten Wärmeund Lichteinwirkung nach der Verarbeitung der Solarzellen und stellten eine Steigerung der Photovoltaikleistung fest, die auch nach mehreren Monaten stabil bleibt. Der Wirkungsgrad der Solarzellen von 21,38 % wurde von unabhängiger Seite am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg bestätigt.

Tiwari und sein Team forschen seit mehr als 20 Jahren an flexiblen Dünnschichtsolarzellen. Mit ihrem profunden Wissen über die Technologie und die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse haben sie im Laufe der Jahre mehrere Wirkungsgradrekorde erzielt. Sie begannen mit 12,8 % im Jahr 1999, erreichten 14,1 % (2005), 17,6 % (2010), 18,7 % (2011), 20,4% (2013) und 20,8 % im Jahr 2019.

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 Empa arbeitet mit der Schweizer Firma Flisom, eine Spin-off der Empa und der ETH Zürich, an der Rolle-zu-Rolle-Herstellung von leichten, flexiblen Solarmodulen für derartige Anwendungen.

Die Forschungsund Entwicklungsarbeiten wurden vom Schweizer Bundesamt für Energie (BFE) unterstützt.


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