Warum haben Solarzellen aus Zinnsulfid, einem vielversprechenden und umweltfreundlichen Material, Schwierigkeiten, ihr volles theoretisches Potenzial zu erreichen? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange, da diese Bauteile eine wirtschaftliche und nachhaltige Alternative zu konventionellem Silizium darstellen könnten.
Die Schwierigkeiten konzentrieren sich hauptsächlich auf die Grenzfläche zwischen der lichtabsorbierenden Schicht und der rückseitigen Metallelektrode. An genau dieser Stelle stören mikroskopische Defekte, unerwünschte chemische Reaktionen und die Wanderung von Atomen den Fluss der elektrischen Ladungsträger. Infolgedessen schränken diese Störungen die Fähigkeit der Zelle, Sonnenlicht in nutzbaren Strom umzuwandeln, erheblich ein.
Grafik, die zeigt, wie die Germaniumoxid-Zwischenschicht die Struktur und Leistung der Solarzelle verbessert.
Bildnachweis: Prof. Jaeyeong Heo, Chonnam National University Glücklicherweise hat ein Team der Chonnam National University in Südkorea einen interessanten Ansatz zur Lösung dieses Problems entdeckt. Ihr Ansatz besteht darin, eine extrem dünne Schicht aus Germaniumoxid von nur 7 Nanometern Dicke zwischen den Molybdän-Kontakt und die aktive Zinnsulfid-Schicht einzufügen. Dieser Nanofilm wirkt wie ein multifunktionaler Schild auf atomarer Ebene.
Um dies zu erreichen, verwendeten die Forscher ein Gasphasenabscheidungsverfahren, eine Methode, die mit einer größeren Produktion kompatibel ist. Laut Professor Jaeyeong Heo ermöglicht diese dünne Zwischenschicht, die Diffusion von Verunreinigungen zu blockieren, die Bildung von widerstandsstarken Verbindungen zu verhindern und Defekte im Material zu reduzieren. Als Ergebnis führen diese Verbesserungen zu einer homogeneren Struktur und einem effizienteren Ladungsträgertransport.
Die in der Zeitschrift
Small veröffentlichten Ergebnisse bestätigen einen deutlichen Fortschritt. Tatsächlich stieg der Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung von 3,71 % bei Standardzellen auf 4,81 % mit der neuen Architektur, was einer Verbesserung von fast 30 % entspricht! Dieser Durchbruch stellt einen der höchsten jemals für Solarzellen auf Zinnsulfid-Basis gemessenen Werte dar, die mit dieser Technik hergestellt wurden.
Diese Beherrschung der Metall-Halbleiter-Grenzfläche könnte Auswirkungen weit über den photovoltaischen Bereich hinaus haben. So könnte sie beispielsweise anderen Technologien wie Dünnschichttransistoren, thermoelektrischen Bauteilen oder Sensoren zugutekommen, wo die Kontaktqualität für die Gesamtleistung entscheidend ist. Diese Arbeit eröffnet somit neue Perspektiven für die Entwicklung fortschrittlicher elektronischer Komponenten.
Die Funktionsweise einer Dünnschicht-Solarzelle
Im Gegensatz zu klassischen Paneelen aus kristallinem Silizium zeichnen sich Dünnschicht-Solarzellen durch ihre geringe Dicke, oft unter einem Mikrometer, aus. Ihre Herstellung basiert auf der Abscheidung dünner Schichten von photovoltaischen Materialien auf einem Substrat aus Glas, Kunststoff oder Metall. Dieser Ansatz ermöglicht eine schnellere und weniger energieintensive Produktion mit einem geringeren Materialeinsatz.
Ihr Grundprinzip bleibt die Umwandlung von Licht in Strom über den photovoltaischen Effekt. Wenn die Photonen des Sonnenlichts auf das Halbleitermaterial treffen, setzen sie Elektronen frei und erzeugen so einen elektrischen Strom. Die geringe Schichtdicke erfordert jedoch eine hohe Präzision bei der Herstellung, um Energieverluste zu vermeiden.
Zu den verwendeten Materialien gehören Cadmiumtellurid oder amorphes Silizium. Zinnsulfid zieht aufgrund seiner Häufigkeit und Nichttoxizität die Aufmerksamkeit auf sich. Diese Zellen eignen sich besonders für Anwendungen, die Flexibilität oder eine unauffällige Integration erfordern, wie etwa auf Gebäuden oder an vernetzten Objekten.
Quelle: Small