"Das Phänomen des sinkenden Wirkungsgrades ist bekannt, die genauen
Ursachen sind aber unklar." Kommen Solarzellen in die Jahre, erzeugen
sie immer weniger Strom, wie sie weiter ausführt. "Derzeit gehen etwa
20% Wirkungsverlust auf diesen Effekt zurück, und die Gründe hierfür
liegen noch im Dunkeln. Die Hersteller versuchen, diese Nachteile durch
bessere Qualität, aber auch teureres Material oder neue Dotierelemente
im Silizium zu überwinden, bis heute allerdings gibt es keine
kostengünstige Lösung."
Und an dieser Stelle kommt Prof. Savins ihre elektrotechnische
Ausbildung zugute: nach dem Studium der Mikroelektronik am
Technologieinstitut der Universität Helsinki (TKK) koordiniert sie
derzeit die Forschungsgruppe für Elektronenphysik am Institut für Mikro-
und Nanowissenschaften der Elektrotechnischen Hochschule der
Universität Aalto in Finnland.
Anziehung von Kupferionen als Lösungsansatz
Seit einigen Jahren überschneiden sich die Fachbereiche
Mikroelektronik und PV-Technologie (Silizium-Photovoltaik-Solarzellen),
da meist gleiche Materialien und Techniken verwendet werden. Prof. Savin
will nun auf früheren Forschungsergebnissen aufbauen, um ein
fortdauerndes Problem in diesem relativ jungen Fachbereich zu lösen.
"Ich bin überzeugt, die Ursache für den sinkenden Wirkungsgrad sind
Kupfereinschlüsse im Silizium, die auf das Sonnenlicht reagieren und die
Leistung mindern", erklärt sie. "Im Silizium großer PV-Zellen ist meist
Kupfer enthalten, was entweder auf bestehende Unreinheiten oder den
Produktionsprozess selbst zurückzuführen ist. Indem es sogar bei
Raumtemperatur durch das Silizium diffundiert, verändert es seine Lage
im Silizium."
"In meiner Doktorarbeit befasste ich mich näher mit der Wirkung von
Kupfer in der Mikroelektronik, insbesondere Kupferkontaminationen in
Silizium", fährt sie fort. "Mittels Licht erzeugte ich elektrische
Aktivität in dem Kupfer. Zuerst einmal sollte dieser Effekt demonstriert
werden. Nun aber ist meine Hypothese, dass Kupfer auch für den
sinkenden Wirkungsgrad verantwortlich ist, den Hersteller von
Solarzellen natürlich gern unterbinden würden. Treffen die
Sonnenstrahlen auf die PV-Zelle auf, wird das eingeschlossene Kupfer
aktiv, verändert seine Position und lagert sich zusammen. Die
entstehenden Klümpchen werden immer größer, was die PV-Zellen schädigt
und den Stromfluss unterbricht."
Die Forschergruppe um Prof. Savin arbeitet daher an einer Methode,
sich negative Ladung auf der Siliziumoberfläche zunutze zu machen. Dabei
kommen die Isoliereigenschaften der oxidierten Schutzfolie, wie sie bei
den meisten PV-Zellen üblich ist, zum Tragen. So werden die Kupferionen
zur Oberfläche gezogen und können sich nicht zusammenlagern, um den
Stromfluss zu unterbrechen.
"Der Wirkungsgrad sinkt langsam, daher dauern die Versuche mehrere
Tage", erklärt sie. "Mit dem Förderpreis des ERC können wir in den
nächsten fünf Jahren nach einer Lösung für dieses Problem suchen und
werden dabei durch einen Postdoktoranden und einen Doktoranden
unterstützt. Auch stellt uns Micronova spezielle Technik zur Verfügung,
um Kupferkontaminationen zu überwachen."
Micronova ist Finnlands nationale Forschungsinfrastruktur für Mikro-
und Nanotechnologie unter Ägide des Technischen Forschungszentrums VTT
und der Universität Aalto. Mit der speziellen Technik kann Prof. Savin
untersuchen, wie sich Kupfereinschlüsse im Silizium auswirken und dabei
andere Kreuzkontaminationen außer Acht lassen.
"Meine Arbeit ist Grundlagenforschung, aber die Produktionskapazität
und der Markt für Photovoltaiktechnologien ist riesig. Wenn es
funktioniert, wird der Erfolg auf technologischer Ebene enorm sein, mit
vielen neuen Anwendungsmöglichkeiten“, sagt sie. "Aber selbst wenn die
industrielle Umsetzung ausbleibt, ist die Ursachenforschung an sich
schon ein gutes Ergebnis und fördert neue und bessere Lösungsansätze."
Nach Wasser- und Windkraft ist die in Solarzellen umgewandelte
Sonnenenergie der drittgrößte erneuerbare Energieträger – mit weltweit
mehr als 100 GW an installierter Kapazität. Mit der Fortführung ihres
Projekts könnte Prof. Savin dazu beitragen, die Vision der Erzeugung
zuverlässiger erneuerbarer Energien Wirklichkeit werden zu lassen.
"Mein Traum ist es, dass die PV-Branche weltweit die von mir entwickelte Technologie nutzt", fügt sie abschließend hinzu.
- Quelle: Prof. Hele Savin
- Projektkoordinator: Aalto University School of Electrical Engineering, Finnland
- Projekttitel: Riddle of light-induced degradation in silicon photovoltaics
- Projektakronym: SOLARX
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Institutionswebsite- RP7 Finanzierungsprogramm (ERC-Aufforderung): Starting Grant 2012
- Finanzierung durch die EK: 850 000 EUR
- Projektdauer: 5 Jahre