Ein Team von Forscher:innen der Tandon School of Engineering an der New York University (NYU) und des National Renewable Energy Laboratory (NREL) im US-Bundesstaat Colorado hat eine vielversprechende Methode entwickelt. Sie soll die Effizienz und Zuverlässigkeit von Cadmiumtellurid (CdTe)-Solarzellen, einer wichtigen Dünnschichttechnologie, signifikant steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler:innen im renommierten Fachjournal ACS Applied Materials & Interfaces.

Die Kernidee der neuen Technik ist eine ultradünne Schutzschicht aus gängigen Oxiden wie Aluminiumgalliumoxid (AlGaOx) oder Siliziumoxid (SiOx). Mittels eines etablierten Verfahrens, der Rotationsbeschichtung (Spin-Coating), wird sie auf die Solarzelle aufgetragen. Dies geschieht vor dem kritischen Herstellungsschritt der Metallisierung, also dem Aufbringen der elektrischen Kontakte.

Der eigentliche Clou des Verfahrens liegt in der Wirkungsweise dieser Schicht. Sie lagert sich nämlich bevorzugt an den empfindlichen Korngrenzen des CdTe-Materials ab. An diesen mikroskopisch kleinen Grenzflächen zwischen den einzelnen Materialkristallen wirkt sie wie eine physikalische Barriere. So schützt sie diese Schwachstellen vor Schäden, die typischerweise durch die Hitze und das Aufbringen der metallischen Kontakte während des Herstellungsprozesses entstehen können.

Diese „Panzerung“ im Nanomaßstab führt zu messbaren Verbesserungen der elektrischen Eigenschaften der Solarzellen. So stieg die Leerlaufspannung (VOC), ein wichtiger Kennwert für die Leistungsfähigkeit, bei den im Labor getesteten Zellen von etwa 750 Millivolt auf bis zu 850 Millivolt. Auch der Füllfaktor (FF), der beschreibt, wie effizient die Solarzelle das einfallende Sonnenlicht in nutzbaren elektrischen Strom umwandelt, konnte durch die neue Methode verbessert werden.

Der Knowridge Science Report, der über die Forschungen der NYU berichtet, gibt an, dass diese Technik zu einer Leistungssteigerung von bis zu 13 Prozent führen könne. Das ist besonders relevant für CdTe-Solarzellen. Diese kommen als Dünnschichttechnologie oft in großen Solarparks zum Einsatz und zeichnen sich durch Vorteile bei hohen Umgebungstemperaturen sowie bei diffusem Schwachlicht aus.

Auch wenn eine Steigerung in dieser Größenordnung in manch anderem Technologiefeld vielleicht nicht sofort als revolutionärer Sprung erscheint, ist sie im hoch entwickelten Bereich der Fotovoltaik durchaus bemerkenswert. Gerade bei etablierten Verfahren wie der CdTe-Dünnschichttechnologie sind weitere Optimierungen oft das Ergebnis sorgfältiger Detailarbeit, und jeder gewonnene Prozentpunkt zählt.

Entscheidend ist hierbei häufig nicht nur der reine Zugewinn an Spitzenleistung, sondern auch, dass solche Fortschritte – wie im vorliegenden Fall – durch potenziell kostengünstige und industriell gut integrierbare Methoden erzielt werden. Jeder Schritt, der die Effizienz verbessert und gleichzeitig die Herstellung vereinfacht oder die Langlebigkeit der Module erhöht, ist wertvoll für den weiteren Ausbau der Solarenergie.

Interessanterweise stellten die Forscher:innen fest, dass die genaue chemische Zusammensetzung der Oxidschicht – ob nun das etwas komplexere AlGaOx oder das weitverbreitete SiOx – für den erzielten Schutzeffekt weniger entscheidend ist. Wichtiger ist die Tatsache, dass die Korngrenzen effektiv isoliert werden. Voraussetzung ist lediglich, dass das verwendete Barriere-Material den Licht absorbierenden Teil der Solarzelle, den sogenannten Absorber, nicht selbst beschädigt.

Zudem erwies sich die Methode als kompatibel mit verschiedenen Metallen, die üblicherweise für die elektrischen Kontakte verwendet werden, wie beispielsweise Gold oder Molybdän. Auch die Kombination mit anderen unterstützenden Schichten in der Solarzelle, etwa stickstoffdotiertem Zinktellurid (ZnTe:N), das den Abtransport der erzeugten Ladungsträger verbessert, scheint vielversprechend und funktionierte in den Experimenten gut.

Die Einfachheit des Verfahrens und die Verwendung kostengünstiger, industriell verfügbarer Materialien könnten den Weg für eine breite Anwendung in der Solarindustrie ebnen. Professor André Taylor von der NYU Tandon, einer der Leiter der Studie, wird von Knowridge mit den Worten zitiert, die Entdeckung sei eine „unkomplizierte Änderung“, die sich gut in bestehende Produktionsmethoden integrieren ließe.

Dies könnte die Wettbewerbsfähigkeit von CdTe-Solarzellen weiter stärken. Ein interessanter Nebenaspekt ist, dass Tellur, eines der Schlüsselmaterialien für diese Zellen, oft als Nebenprodukt aus Kupferbergbauabfällen gewonnen wird, was einen Beitrag zur Ressourceneffizienz leisten kann.

Die selektive Isolation von Korngrenzen stellt somit einen weiteren wichtigen Schritt dar, um das volle Potenzial von Dünnschicht-Solarzellen auszuschöpfen. Sie reiht sich ein in die weltweiten Bemühungen, durch verbesserte Rückseitenkontakte und die Passivierung von Defekten die Energieausbeute kontinuierlich zu maximieren.

Auch wenn die positiven Effekte der neuen Methode klar nachgewiesen wurden, untersuchen die Wissenschaftler:innen den genauen Mechanismus, der zur bevorzugten Ablagerung der Oxidschicht an den Korngrenzen führt, noch weiter. Ein tiefergehendes Verständnis dieser Vorgänge könnte künftig zu noch gezielteren Verbesserungen führen und die Solartechnik für uns alle einen weiteren wichtigen Schritt voranbringen.