Solarzellen aus neuartigem Halbleiter-Material

Der Jenaer Physiker Wolfgang Witthuhn arbeitet an Halbleiter aus Kupfer-Indium-Schwefel-(CIS-)Verbindungen für den Aufbau neuartiger Solarzellen. Mit dabei im Verbund sind mit der TU Ilmenau auch einige mittelständische Thüringer Firmen. Neue Halbleiter seien nötig, da durch das „100.000-Dächer-Programm“ und das „Erneuerbare-Energien-Gesetz“ die Solarenergie Steigerungsraten von zuletzt 30 Prozent pro Jahr erlebe, der Bedarf durch kristalline Silizium-Solarzellen jedoch nur sehr kostenintensiv gedeckt werden könne. Halbleiter aus Kupfer-Indium-Schwefel-(CIS-)Verbindungen dagegen versprächen erhebliche Kostenvorteile, so Witthuhn.

„Wir haben bereits Dünnschichten aus solchem CIS hergestellt, die eine sehr homogene, geradezu optimale Materialstruktur besitzen und bei der Energiegewinnung in Photovoltaik-Anlagen einen sehr hohen Wirkungsgrad ermöglichen werden“, verrät Witthuhn. „Die Röntgenanalyse und die Strukturanalysen im Teilchenbeschleuniger stimmen uns von der materialwissenschaftlichen Seite her sehr hoffnungsvoll.“

Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt laut dem Professor in einer künftigen industriellen Produktion: Während herkömmliche Silizium-Zellen aufwändige Reinigungs- und Herstellungsverfahren erfordern, kommen beim CIS vergleichsweise einfache, bereits bewährte Beschichtungstechnologien zur Anwendung. Damit ist diese Technologie eher preiswert und umweltfreundlich. Zudem wird für den Photovoltaik-Prozess eine nur wenige Mikrometer dünne Schicht benötigt. Zum Vergleich: Die üblichen Silizium-Zellen sind hundertmal dicker.

Der Grund dafür liegt in der Natur des Sonnenlichts: Die Strahlungsintensität der Sonne ist im grünen Spektralbereich am größten, die Lichtquanten treffen auf dem Halbleitermaterial mit 1,5 Elektrovolt auf. Das ist exakt die Energiemenge, um im CIS-Halbleiter die Bandlücke zwischen dem so genannten Valenz- und Leitungsband zu überwinden, das heißt: um Elektronen aus dem Valenzband in ein höheres Energieniveau zu katapultieren. Außerdem geschieht dieser Vorgang in einem direkten Sprung, bei dem die Elektronen unmittelbar ihren neuen Platz im Leitungsband zuverlässig finden. Deshalb darf die Kupfer-Indium-Schwefel-Schicht auch so dünn sein.

Grundsätzlich funktioniert eine Solarzelle ähnlich wie eine Batterie. Um das Bauteil zu komplettieren, muss der aktive Halbleiter aber mit einer leitenden Metallschicht verbunden und die Oberfläche mit einer durchsichtigen Metalloxid-Schicht vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Genau an dieser Stelle hapert es indes bei Witthuhns Projekt: Den Sprung vom Halbleiter zum Photovoltaik-Prototypen hat er deshalb noch nicht geschafft, weil er nur schwer finanzielle Förderung für seine Forschung finden kann. Unter den etablierten Herstellern will niemand ohne eine garantierte Erfolgsaussicht von der erprobten Silizium-Technologie ablassen.

Kontakt:
Wolfgang Witthuhn, Friedrich-Schiller-Universität, Tel.: 03641/947300 (günstigsten Tarif anzeigen)