Solarzellen: Weltrekord bei Wirkungsgrad

Das Institut für Physikalische Elektronik (IPE) der Universität Stuttgart arbeitet seit vielen Jahren erfolgreich an der Entwicklung von neuen Prinzipien und Herstellprozessen für Solarzellen. Jetzt ist den Doktoranden Sebastian Eisele, Tobias Röder zusammen mit Dr. Jürgen Köhler am IPE von Prof. Jürgen H. Werner ein neuer Coup gelungen: Die Gruppe hat mit dem Laser eine Solarzelle aus kristallinem Silizium hergestellt, die einen Wirkungsgrad von 19 Prozent hat. Bisherige "laserdotierte" Solarzellen hatten nur einen Wirkungsgrad von 16 Prozent. Der industrietaugliche Prozess eignet sich besonders für noch dünnere Solarzellen.

Bei der Herstellung von Solarzellen ist es in der Industrie bisher üblich, Siliziumscheiben bei hohen Temperaturen in einem so genannten "Diffusionsofen" mit dem für die Funktionsweise der Solarzelle entscheidenden "pn-Übergang", einem Materialübergang in Halbleiterkristallen, zu versehen. Die Stuttgarter Wissenschaftler dagegen erreichen diesen Übergang mit einem gepulsten Laser. Hierzu wird auf die Oberfläche einer Siliziumscheibe, die den elektrischen Strom durch Defektelektronen leitet (p-Typ) leitet, zunächst eine hauchdünne Phosphorschicht aufgebracht. Anschließend heizt ein circa eine Milliardstel Sekunde kurzer Laserpuls die Siliziumschicht in einer Tiefe von weniger als einem Millionstel Meter auf etwa 2000 Grad Celsius auf. Der Phosphor an der Oberfläche mischt sich mit dem bei dieser Temperatur flüssigen Silizium und wird dann in Sekundenbruchteilen in das kristallisierende Silizium eingebaut. So konvertiert der Phosphor an der Siliziumoberfläche das ursprüngliche p-Typ Silizium in den n-Typ (normale Elektronen) und bildet den pn-Übergang.

Für die Qualität der Solarzelle ist es entscheidend, dass der Laser nur auf einen etwa fünf Tausendstel Millimeter breiten (aber einige Zentimeter langen) Streifen fokussiert ist; nur so gelingt die Herstellung des "pn-Übergangs" in dem patentierten Verfahren völlig defektfrei. Der entscheidende Herstellprozess der Solarzelle dauert an jeder Stelle nur etwa 100 Milliardstel Sekunden. Der Laser wird deshalb Schuss für Schuss im zeitlichen Abstand von weniger als einer zehntausendstel Sekunde über die Oberfläche der Siliziumscheibe gerastert. So ist es möglich, auch große Solarzellenflächen in sehr kurzer Zeit zu bearbeiten. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Solarfirmen arbeitet das IPE jetzt an der Industrialisierung des Prozesses, der die Herstellkosten von Solarzellen weiter senken wird.

Der weltweite Photovoltaikmarkt ist inzwischen auf etwa 50 Milliarden Euro Umsatz pro Jahr angewachsen. Über 90 Prozent der verkauften Solarmodule bestehen aus nur rund 180 Mikrometer dünnen Scheiben aus kristallinem Silizium. Durch ständige Steigerungen der Produktionsmengen, der Wirkungsgrade, immer noch dünnere Zellen und durch die Entwicklung neuer, kostengünstiger Produktionsprozesse sinken die Herstellkosten der Zellen und Module ständig. Ziel der weltweiten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist es, bis etwa im Jahr 2015 die Produktionskosten von Solaranlagen so weit zu senken, dass Photovoltaikstrom nur noch etwa 20 Cent/Kilowattstunde kostet. Dann wäre dieser zum gleichen Preis zu haben wie der "Strom aus der Steckdose".