ISBN 978-3-8439-0585-5

978-3-8439-0585-5, Reihe Ingenieurwissenschaften

Marc Sämann
Optimierung des Lichteinfangs von mikromorphen und einkristallinen Siliziumsolarzellen

170 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die Arbeit untersucht und optimiert den Lichteinfang von siliziumbasierten Solarzellen. Vielversprechendes Optimierungspotential ergibt sich im Bereich der indirekten Bandlücke des Siliziums und bei ultravioletter Strahlung. Die Arbeit stellt drei Methoden zur Verbesserung des Lichteinfangs vor, die den Wirkungsgrad von Solarzellen erhöhen.

Methode 1 verbessert die Absorption von Dünnschichtzellen durch eine neu entwickelte Laserstrukturierung. Ein ultravioletter Laser erzeugt 2D-Beugungsstrukturen in die transparente Vorderseitenelektrode aus ZnO, die über 90% der senkrecht einfallenden Strahlung im Wellenlängenbereich λ ≤ 1000 nm ablenken. Die Ablenkung erhöht den Lichtweg in der Solarzelle und damit die Absorption. Die Laserpulsdauer bei der Strukturierung entscheidet über die Erhaltung von hoher Transparenz und Leitfähigkeit. Nur Laserpulse mit einer Pulsdauer τ ≤ 25 ns unterbinden die Ausdiffusion von Sauerstoff und die damit verbundene Reduktion der Transparenz und Leitfähigkeit. Die geringere Leitfähigkeit kann auf eine verminderte Ladungsträgerbeweglichkeit zurückgeführt werden. Mikromorphe Tandemzellen auf laserstrukturiertem ZnO erreichen einen Wirkungsgrad η = 11.6% und damit ∆η = +0.5% mehr als die Referenzzellen.

Methode 2 stellt eine lumineszierende Antireflexschicht für kristalline Solarzellen vor. Mangandotiertes ZnS als Teil einer doppellagigen Antireflexschicht mit MgF2 absorbiert ultraviolette Strahlung der Sonne und emittiert sie in Form von sichtbarer Strahlung in die Solarzelle. Für die Lumineszenz ist ein Temperschritt notwendig, der sich in zweierlei Hinsicht als vorteilhaft erweist: i) Reduzierung der Porosität der MgF2 Schicht verbessert deren optische Eigenschaften. ii) Erzeugung zusätzlicher Lumineszenzzentren im MgF2. Nicht texturierte Solarzellen mit der neuen Antireflexschicht zeigen einen zertifizierten Wirkungsgrad η = 19.3 %. Der durchschnittliche Gewinn in der Kurzschlussstromdichte beträgt ∆JSC = 0.2 mA/cm2.

Methode 3 untersucht die Laserstrukturierung von kristallinem Silizium zur Verbesserung der Absorption langwelliger Strahlung. Die Laserpulsdauer stellt sich als wesentlicher Parameter für das Strukturieren heraus. Eine längere Pulsdauer verursacht inhomogene Strukturen und begünstigt eine Tropfenbildung bei der Rekristallisation. Die externe Quanteneffizienz lasertexturierter Solarzellen steigt im Wellenlängenbereich λ > 1000 nm an. Die daraus berechnete Kurzschlussstromdichte steigt um ∆JSC = 0.2 mA/cm2.