Forschung an CIS-Solarzellen in Jena

Statt auf Silizium setzt das Team um Prof. Dr. Wolfgang Witthuhn auf Dünnschichtzellen. Das Projekt wird für die nächsten zwei Jahre mit über einer halben Million Euro vom Thüringer Wissenschaftsministerium gefördert. Ein Verbundprojekt zur Weiterentwicklung solcher Dünnschichtsolarzellen gemeinsam mit der TU Ilmenau ist außerdem in Vorbereitung.

Die Spezialisten vom Institut für Festkörperphysik der Jenaer Universität können bei ihren Forschungen auf längere Erfahrung und eine gute Ausstattung zurückgreifen. Seit fast zehn Jahren existiert die Photovoltaik-Forschergruppe, die „die komplette Prozesskette von der Forschung bis zur Herstellung und Testung“ umsetzen kann, unterstreicht Prof. Witthuhn.

Im neuen Projekt setzen die Jenaer Physiker auf Materialien aus chalkogenhaltigen Verbindungen wie Kupfer-Indium-Disulfid (CIS). Denn „physikalisch ist Silizium eigentlich ungeeignet für Solarzellen“, erläutert Witthuhn. Silizium sei nur ein indirekter Halbleiter, bei dem die Absorption von Sonnenlicht auch noch ein geeignetes „Mitschwingen“ des Silizium-Gitters erfordert. Wegen der geringen Wahrscheinlichkeit für diesen Prozess muss das Licht einen langen Weg im Gitter zurücklegen, die Silizium-Scheiben müssen also verglichen mit den heutigen technischen Möglichkeiten relativ dick sein – einige Hundert Mikrometer. Daher setzen die Photovoltaik-Experten von der Universität Jena auf direkte Halbleiter, beispielsweise das CIS. „Man braucht dafür nur ein Hundertstel der Schichtdicken und auch kein hochreines Material“, nennt Witthuhn einen Vorteil gegenüber Silizium, das zudem „zur Zeit auf dem Weltmarkt sehr teuer ist“.

Die in Jena erforschten anorganischen Dünnschicht-Zellen sollen als Tandem-Zellen hintereinander geschaltet sein, um die Energieeffizienz und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen. Solche Zellen gibt es bereits, weiß Witthuhn, sie sind aber sehr teuer. Sein Team will nun billigere und flexiblere Tandem-Zellen mit einer höheren Bandbreite entwickeln. „Zwei Zellen, die sich gegenseitig ergänzen, wollen wir übereinander packen“, erläutert er. Dabei sollen die neuen Materialien auf die (Glas-)Oberflächen der Solarzellen aufgedampft werden.
„Es besteht noch viel Forschungsbedarf“, sagt der erfahrene Physiker. Doch er sieht ein großes Anwendungspotenzial sowie gewaltige Möglichkeiten, um die Kosten zu reduzieren. „Der Wirkungsgrad der Tandem-Solarzellen sollte theoretisch um den Faktor 2 bis 3 höher sein“, so Witthuhn.

Doch selbst dieses Ziel reicht den Physikern von der Friedrich-Schiller-Universität noch nicht. Die neuen Jenaer Solarzellen sollen außerdem transparent sein. Witthuhn will die bereits fast serienreifen Mehrkomponentenschichten so dicht packen, dass die Zellen dennoch durchscheinend bleiben. So könnten ganze Fassaden lichtdurchlässig gemacht werden und zugleich den eigenen Energieverbrauch durch Sonnenlicht wieder einfangen.

„Es ist noch ein Traum“, gibt Witthuhn zu. Aber der Festkörperphysiker sieht in den Forschungen auch enormes wirtschaftliches Potenzial. „Man kann die Thüringer Industrie mit der Dünnschicht-Technologie verheiraten“, ist er sich sicher. Falls die Forschungen zum Erfolg führen, könnte Thüringen seine starke Position in der Photovoltaik weiter festigen und so zu einem führenden Standort der Solartechnik werden.

CIS-Lab der Uni Jena
Institut für Festkörperphysik an der Uni Jena
Quelle: Innovations-Report