Forscher der Empa, der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt im Schweizer St. Gallen, haben den Wirkungsgrad von flexiblen Solarzellen auf der Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) erneut verbessert. Unabhängig zertifizierte Messungen ergaben einen Wert von 22,2 Prozent bei der Umwandlung von Licht in Strom, was eine Verbesserung gegenüber dem bisherigen Rekordwert von 21,4 Prozent bedeutet. Zum Vergleich: Der maximale Wirkungsgrad einer starren Solarzelle aus kristallinem Silizium liegt bei 26,7 Prozent.
Die flexiblen Solarzellen werden auf einer Polymerfolie verarbeitet mit Cu(In,Ga)Se2 als lichtabsorbierende Halbleiterschicht, die durch ein Niedrigtemperatur-Co-Verdampfungsverfahren abgeschieden wird. Der Empa-Wissenschaftler Shiro Nishiwaki veränderte die Zusammensetzung der Schicht, um die Leistung und die Ausgangsspannung der Zellen zu verbessern.
Effizienz fast verdoppelt
„Zwei unterschiedliche Ansätze zur Legierung des Kristalls führten zu einer ähnlichen Verbesserungen in der Leistung des Bauelements“, erläutert Empa-Gruppenleiter Romain Carron. Daher ließen sich die Ergebnisse auf unterschiedliche Weise, aber mit gleichwertigen Ergebnissen auf einen industriellen Massstab übertragen. Der Wirkungsgrad der Solarzelle von 22,2 Prozent wurde inzwischen vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg bestätigt.
Das Team der Empa forscht seit mittlerweile über 23 Jahren an flexiblen Dünnschichtsolarzellen. Mit ihrem Wissen über die Technologie und die grundlegenden physikalischen Prozesse haben sie im Laufe der Jahre bereits mehrere Effizienzrekorde aufgestellt. Ihre „Rekordserie“ begann 1999 mit einer Effizienz von 12,8 Prozent und steigerte sich bis auf 21,4 Prozent im Jahr 2021.
Anwendungen an Fassaden und auf Fahrzeugen
Angesichts der bereits sehr hohen Wirkungsgrade erfordert jede noch so kleine Steigerung eine sorgfältige Untersuchung der Faktoren, die die Energieumwandlung einschränken – und innovative Ansätze zur Bewältigung der Hürden. Die aktuelle Steigerung des Wirkungsgrads geht auf die Legierung der lichtabsorbierenden Halbleiterschicht zurück.
Flexible und leichte Solarmodule mit dieser Technologie eignen sich besonders für Anwendungen auf Dächern und Fassaden von Gebäuden, auf Gewächshäusern, Fahrzeugen und Luftschiffen sowie für tragbare Elektronik. Die Empa arbeitet zusammen mit der Schweizer Firma Flisom an der Rolle-zu-Rolle-Herstellung von leichten, flexiblen Solarmodulen für derartige Anwendungen.