Laser Texturing glass substrates for light in-coupling in silicon thin-film solar cells

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Kambulakwao Chakanga

Mit der ständig wachsenden Weltbevölkerung und der Industrialisierung der Entwicklungsländer werden der zunehmende Energieverbrauch, die Erschöpfung der konventionellen Energieressourcen, der damit verbundene CO2 Ausstoß und der Klimawandel unvermeidliche Themen. Im Mittelpunkt der Debatten über die Energiewirtschaft und Umweltpolitik stehen vor allem konkurrenzfähige und nachhaltige Energiequellen. In den letzten Jahren hat sich die Photovoltaik (PV) durch den enormen Fortschritt als eine vielversprechende regenerative Energiequelle bewiesen. Bei den Dünnschichttechnologien sind der niedrige Herstellungsenergieeinsatz und der geringe Materialverbrauch wesentliche Vorteile. Dazu besteht das Potenzial der effizienten Serienproduktion durch großflächige Schichtabscheidung und interne Serienverschaltung der Einzelzellen zu Solarmodulen. Für Silizium basierte Dünnschichtsolarzellen ist außerdem das Ausgangsmaterial Silizium unbegrenzt verfügbar. Es gibt jedoch noch technologische Hindernisse auf dem Weg zur hocheffizienten Zellen, die in den nächsten Jahren durch verstärkte Forschung und Entwicklung beseitigt werden müssen. Eine häufig verwendete Silizium basierte Dünnschichtsolarzelle ist die mikromorphe Silizium-Tandemzellen die aus einer wasserstoffpassivierten amorphen Silizium (a-Si:H) oberen Zelle und einer wasserstoffpassivierten mikrokristallinen Silizium (µc-Si:H) unteren Zelle besteht. Die µc-Si:H Zelle absorbiert Licht im nahen Infrarot-Bereich und die a-Si:H Zelle hauptsächlich im sichtbaren Spektralbereich. Ein Nachteil vom a-Si:H ist allerdings der sogenannte Staebler-Wronski-Effekt, der den Abbau der Fotoleitfähigkeit und der Effizienz in a-Si:H Zellen bewirkt. Zur Minimierung dieser Wirkung sollte die Dicke der absorbierenden intrinsischen a-Si:H Schicht deutlich unter 300 nm liegen. Diese Bedingung schränkt allerdings die Kurzschlussstromdichte der obersten Zelle erheblich ein und somit auch die Effizienz der gesamten Solarzelle. Hier dient die Lichteinkopplung als wichtiges Instrument um den Wirkungsgrad zu steigern. Mit Hilfe von Antireflexschichtsystem (AR), Frontkontakt TCO (transparente leitfähige Oxid) und Rückkontakt wird mehr Licht in der Zelle ein gekoppelt und absorbiert. Dies zusammen erhöht die Quantenausbeute und somit die Kurzschlussstromdichte.Ziel dieser Arbeit ist die Reduktion der Schichtdicke der intrinsischen Absorberschicht mit Hilfe optimierter Lichteinkopplung. Dadurch wird die lichtinduzierte Alterung in a-Si:H Zellen minimiert. Hierbei werden die Reflexion an der Oberfläche, die Lichtstreuung und die Reflexion an Front- und Rückkontakten in die physikalische Betrachtung des Bauelementes einbezogen. Zu Beginn der Arbeit sollen die Schichten einer Referenz a-Si:H Zelle hergestellt und charakterisiert werden. Die ermittelten Eigenschaften werden anschließend als Eingangsparameter für umfangreiche numerische Simulationen dienen. Die Simulation fiktive Strukturen der Zellengrenzflächen ist ein Schwerpunkt der Arbeit. Ziel ist es, das gesamte Zellsystem bestehend aus Frontkontakt /a-Si:H p-i-n /Rückkontakt elektrisch und auch optisch zu modellieren. Bei erfolgreicher Simulation wird diese Information anschließend benutzt um die ideale Struktur für die reale Anwendung herzustellen, indem die Ausgangsexperimente optimiert werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt demzufolge auf der experimentellen Umsetzung der Simulationsergebnisse. Zum Schluss sollen die Auswertungen in eine hocheffiziente sehr dünne a-Si:H pin Zelle umgesetzt werden, die anschließend in eine Tandem oder Triple Solarzellenstruktur überführt werden kann.

Förderzeitraum:
01.01.2011 - 31.03.2014

Institut:
Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
Institut für Physik

Betreuer:
Prof. Dr. Carsten Agert

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: http://www.next-energy.de

Publikationen:

Lichteinkopplung in a-Si:H pin Dünnschichtsolarzellen für stabilisierte hohe Wirkungsgrade
Lichteinkopplung in a-Si:H pin Dünnschichtsolarzellen für stabilisierte hohe Wirkungsgrade