Charakterisierung von Solarzellen für Konzentratoranwendungen

Die Stromerzeugung aus Sonnenlicht mit Hilfe von Photovoltaikanlagen (PV) soll eine zentrale Rolle in der Zukunft der Energieversorgung spielen. Die Entwicklung neuer, wirschaftlicher Solarzellentypen ist von entscheidender Bedeutung für das Erreichen dieses Ziels. In diesem Zusammenhang stellen Mehrschichtsolarzellen mit pn-Übergängen auf (GaIn)(NAs) Basis in Verbindung mit Konzentratoroptiken eine vielversprechende Option für hochspezialisierte Anwendungen dar.

Die ortsaufgelöste Photostromspektroskopie (SRPS) sowie die ortsaufgelöste Strom-Spannungs Kennlinien (SRIV) erlauben eine detaillierte Untersuchung der elektronischen Eigenschaften von Prototypen (GaIn)(NAs)-basierter Solarzellenschichten. Mit diesen neuen Verfahren ist es möglich, Prototypen von Konzentratorsolarzellen mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung zu untersuchen und dabei eine Vielzahl wichtiger charakteristischer Parameter zu messen. Auf diese Weise können Schwachstellen identifiziert und analysiert werden, da selbst kleinste Defekte die Leistungsfähigkeit einer Solarzelle spürbar verringern können. Mit diesem Wissen können die Prototypen im Anschluss gezielt weiter optimiert werden, mit dem Ziel eine leistungsfähige und kostengünstige Solarzelle zu entwickeln.

Im Experiment wird ein Laserstrahl auf einen Punkt der Probe fokussiert, sodass der beleuchtete Bereich lediglich einen Durchmesser von wenigen Mikrometern besitzt. Der dadurch erzeugte Strom wird mit Hilfe der sogenannten „Lock-In Technik“ gemessen. Diese ermöglicht eine sehr präzise Messung selbst kleinster Ströme sowie das Herausfiltern störender Hintergrundsignale. Im Unterschied zu bestehenden Verfahren wird zusätzlich eine elektrische Spannung an die Zelle angelegt. Durch eine richtige Wahl dieser Spannung kann der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls kleiner gewählt werden als bislang möglich. Über eine Variation der Spannung während des Experiments lassen sich außerdem zusätzliche charakteristische Parameter messen, die bislang in dieser Form nicht zugänglich waren.

Umfangreiche Computersimulationen begleiten die experimentellen Untersuchungen und ermöglichen eine bessere Interpretation der gewonnenen Messdaten. Auf Basis dieser Simulationen ist es möglich, noch genauere Aussagen über mögliche Defekte und strukturelle Defizite eines Prototypen zu machen und dessen Aufbau sowie den Herstellungsprozess im Hinblick auf eine spätere Serienreife gezielt zu verbessern.

Siehe auch:

M. Schwalm, C. Lange, W. W. Rühle, W. Stolz, K. Volz, and S. Chatterjee,
“Characterization of solar cells by photocurrent spectroscopy and current-voltage characteristics with high spatial resolution”,
Optics Express 18(6), 6277 (2010)