Besseres Verständnis von Dünnschicht-Solarmodulen auf Basis von Cadmiumtellurid (CdTe)

Dünnschicht-Solarmodule erfreuen sich weltweit immer größerer Beliebtheit, denn sie vereinen einen hohen Wirkungsgrad mit niedrigeren Herstellungskosten. Module auf Basis von Cadmiumtellurid (CdTe) bieten dabei besondere Potenziale. In einem gemeinsamen Projekt haben das Fraunhofer CSP und die Calyxo GmbH, einer der führenden Hersteller solcher Dünnschichtsolarmodule, entscheidende neue Erkenntnisse erlangt, um diese im industriellen Maßstab fertigen zu können.

Experiment Laborversuch Dünnschicht-Solarmodule
© Fraunhofer CSP

Die Hochvakuumbeschichtungsanlage am Fraunhofer CSP wird im Rahmen des Projekts für einen wichtigen Teil der Beschichtungsexperimente im Labormaßstab genutzt.

Schema Aufbau Schichten Darstellung
© Calyxo

So ist ein Dünnschichtmodul aufgebaut: [1] Frontglas, [2] Transparenter Frontkontakt: hochtransparente Schicht mit ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit für maximale Lichtdurchlässigkeit und nahezu widerstandsfreiem Stromtransport, [3] CdS-Schicht, [4] CdTe-Schicht, [5] Rückkontakt: hochfestes, elektrisch leitfähiges Metall, [6] Glasverbundfolie: wasserunlösliche Versiegelung, sicherer Schutz vor der Entweichung von Inhaltsstoffen (z. B. bei etwaiger Beschädigung) sichere Versiegelung der Modulränder, [7] Rückglas: speziell gehärtetes, auf Langzeitanforderungen ausgerichtetes Glas, [8] Anschlussdose: inklusive Solarkabel und Steckverbinder.

Photovoltaik-Anlagen mit Solarzellen aus kristallinem Silizium machen etwa 90 Prozent des weltweiten Marktes aus. Als Alternative sind unter anderem Dünnschicht-Module gefragt, die etliche Vorteile bieten: Sie sind leichter und kommen besser mit Verschattungen zurecht. Auch der Energie- und Materialverbrauch ist bei der Herstellung von Dünnschichtphotovoltaikmodulen deutlich geringer. Das bedeutet: Die Fertigungskosten sind günstig, das Verhältnis von Kosten zu Stromertrag ist schon bei kleineren Stückzahlen sehr gut.

Dünnschichtsolarmodule bestehen aus mehreren Lagen von photosensiblen Schichten, die nur wenige Mikrometer dünn sind und zwischen einer durchsichtigen Front-Abdeckplatte und einer Glasrückplatte aufgebracht werden. Der Multilagenschichtstapel wird durch die sequenzielle Abscheidung von mehreren Einzelschichten hergestellt, die verschiedene, aufeinander abgestimmte Halbleitereigenschaften haben. Setzt man dabei die Cadmiumtellurid-Technologie ein, lassen sich im Labor Rekordwerte hinsichtlich Wirkungsgrad (> 18,7 Prozent) und Kosteneffizienz (< 0,35 Euro pro Wp) erzielen. Ziel des Projekts war es, den Weg für den industriellen Einsatz dieser Technologie weiter zu ebnen, indem vor allem die Prozesse an den Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten besser aufgeklärt werden.

Dabei haben die Projektpartner entscheidende Fortschritte erzielt. Die Kenntnisse zur Herstellung und Charakterisierung von Schichten für die Dünnschichtphotovoltaik wurden signifikant erweitert. »Wir haben beispielsweise die transparenten leitenden Schichten (TCO) in den Blick genommen und wissen jetzt, welche Schichteigenschaften der TCO-Frontkontaktschichten sich auf die elektrischen beziehungsweise elektronischen Eigenschaften der darauf abgeschiedenen Solarzellen-Schichtstapel auswirken«, sagt Dr. Volker Naumann, Projektleiter am Fraunhofer CSP.

Auch konnten grundlegende Abhängigkeiten zwischen Schichtherstellungsparametern und Eigenschaften der aus Zinktellurid (ZnTe) bestehenden Rückkontakt-Zwischenschichten ermittelt werden. Im Rahmen des Projekts entwickelten Fraunhofer CSP und Calyxo zudem erfolgreich neue Methoden zur hochauflösenden Analytik an Dünnschichtsystemen mit inhomogenen Schichtdicken beziehungsweise rauen Schichtgrenzflächen, beispielsweise für das Freilegen der Substrat-Grenzfläche durch Schleifen, Polieren und chemisches Ätzen nach Aufkleben des Schichtstapels auf ein Hilfssubstrat oder Messrezepte für die Detektion geringster Dotierstoffkonzentrationen. Mittels oberflächenanalytischer Methoden gelang es, zwischen Sputterabtrags-induzierten und realen Dotierstoffgradienten bei der Tiefenprofilierung unterscheiden zu können. Die Projektpartner erarbeiteten und vertieften Techniken zur Ermittlung und Auswertung wichtiger struktureller und elektrischer Parameter für die Beschreibung der wesentlichen Eigenschaften von Dünnschichtsolarzellen. Auch für den Zusammenhang zwischen Lagerungsbedingungen und den elektrischen und chemischen Eigenschaften von Dünnschichtmodulen wurden zentrale Fragen geklärt.

»Wir haben viele neue Erkenntnisse gewonnen, über das Materialverhalten ebenso wie über passende Herstellungsverfahren und geeignete Prüfmethoden, um die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Dünnschichtmodulen auf CdTe-Basis sicherzustellen«, fasst Naumann die Ergebnisse zusammen.