5. Forschungen im Bereich neuartiger Zelltypen

Im vorigen Kapitel war vielfach vom "Wirkungsgrad" die Rede. Wie aber kommt z. B. der konkrete Wert 15 % für mono-c-Siliziumzellen zustande?
Von 100 % Lichtenergie werden sämtliche Energieverluste abgezogen :

–› 32 % Wärmeenergie (durch überschüssige Energie der Photonen)
–› 24 % der Photonen haben eine Energie kleiner als die Ablösearbeit
–› 21 % Rekombination von Elektron-Loch-Paaren
–› 3 % Reflexion an der Zelloberfläche
–› 3 % Abschattung der Zellfläche durch die Frontelektrode
–› 2 % elektrische Verluste durch den Innenwiderstand

Übrig bleiben effektiv 15 % elektrische Energie.

Natürlich wird heutzutage alles daran gesetzt, diese inneren Verluste so weit wie möglich herabzusetzen.
Ebenso sind neue Herstellungsverfahren in der Testphase, um die hohen Kosten zu minimieren.
Anstelle des konventionellen Czochralski-Ziehens sind neuartige Bandziehver-fahren in Arbeit, welche die direkte Herstellung von Silizium in Plattenform ermöglichen. Der bisherige Nachteil einer um über 80 % geringeren Produktionsgeschwindigkeit könnte durch die von der Siemens AG entwickelte "Supported-Web-Technik" behoben werden. "Wird ein Carbonfasernetz horizontal und in Kontakt mit der [Si-]Schmelze über die Schmelzenoberfläche gezogen, so beginnt bei geeigneter Einstellung der Heizertemperatur die Schmelze an den Netzfäden zu kristallisieren. Die Kristallisation schreitet seitlich in die Maschen hinein fort, bis das gesamte Netz mit einer dünnen kristallinen Si-Schicht überzogen ist." Dieses Netz (engl.: web) wächst durch die Kristallisationswärme auch in die Höhe und kann bei Erreichen der gewünschten Dicke abgezogen werden.

Monokristalline Solarzellen wurden verbessert und weiterentwickelt, z. B. mit "Laser-grooved buried contacts" (mithilfe von Lasern in die Zelloberfläche "vergrabene" Elektroden zur Abschattungsreduzierung) oder mit noch hochwertigerem Silizium (Minimierung der Rekombinationsverluste). Diese hoch- bzw. höchsteffizienten Zellen erreichen im Labor zwar Wirkungsgrade von bis zu 24 %, der allerdings damit verbundene enorme Kostenaufwand lässt meiner Meinung nach diese Varianten unrentabel werden.

Neben der Verbesserung konventioneller Si-Zellen kam es auch zur Entwicklung völlig neuartiger Zelltypen:
Bereits im Handel befindet sich die sog. "MIS-I-Solarzelle", bei der das elektrische Feld durch eine Metall-Isolator-Silizium-Inversionsschicht und nicht durch einen pn-Übergang erzeugt wird (auf die genaue Funktionsweise möchte ich nicht näher eingehen). Ihre Vorteile liegen in der kostengünstigen Herstellung und einem Wirkungsgrad von 16 % .

Bei den Dünnschichtzellen sind CdTe- und CIS (Kupfer-Indium-Diselenid)-Zellen besonders in den USA in der Erprobung (Spitzenwirkungsgrad etwa 17 % und konstant!). Daneben sind noch weitere vielzahlige Kombinationen denkbar wie zum Beispiel Cadmiumsulfid-, Kupfersulfid- oder Galliumarsenidzellen. Nachteilig ist bei diesen Zellen der schlechte Wirkungsgrad (3 - 6 %), bzw. sind seltene und damit teure (Gallium) oder gesundheitsschädliche Elemente (Arsen, Cadmium) mit im Spiel, die wohl kaum mit der vielgeprießenen Umweltfreundlichkeit der Solartechnologie zu vereinbaren sind.

Dünnschichtzellen bieten auch die Möglichkeit, mehrere verschiedene pin-Schichten aufeinander abzuscheiden um ein breiteres Wellenspektrum pro Solarzelle zu nutzen. Diese "Tandem-Zellen" erreichen im Labor einen Wirkungsgrad von 14 %.

Eine weitere Möglichkeit, ein breiteres Sonnenspektrum zu nutzen, ist der Einbau von Indium sowohl in kristallinen wie auch in amorphen Solarzellen, denn bei herkömmlichen Zellen trägt der Infrarotbereich des Sonnenspektrums nichts zur Bildung freier Ladungsträger bei (Photonen dieses Bereichs mit etwa 0,5 eV können die Ablösearbeit nicht verrichten). Die Erklärung für den "Indiumeffekt" kann aber bis jetzt noch nicht gegeben werden, denn die Anhebung von Elektronen auf höhere Niveaus, also auf äußere Schalen (und damit die Möglichkeit energieärmerer Photonen, diese herauszulösen) reicht für Wirkungsgradsteigerungen bis zu 2 % nicht aus. Die Wissenschaftler Keevers und Green vermuten einen weiteren physikalischen Effekt in Verbindung mit Indium.