Forscher des japanischen National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) haben den Wirkungsgrad von Kupfer-Gallium-Selenid (CuGaSe₂)-Solarzellen erfolgreich auf 12,28 % gesteigert und damit einen neuen Rekord aufgestellt. Diese Errungenschaft liefert wichtige Referenzwerte für die Entwicklung von indiumfreien Solarzellentechnologien.
CuGaSe₂ ist ein Chalkogenid-Halbleitermaterial aus der Familie der Chalkopyrite mit einer direkten Bandlücke von etwa 1,68 eV. Es kann sichtbares Licht effizient absorbieren und zeigt gute Leistung bei der Solarenergieumwandlung. Im Vergleich zum gängigen Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) besitzt CuGaSe₂ eine breitere Bandlücke und eignet sich daher gut als Top-Zelle in Tandem-Solarzellen.
Diese CuGaSe₂-Solarzelle zeigt eine ausgezeichnete Toleranz gegenüber Defekten. Selbst bei Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur kann sie die Ladungsträgerrekombination reduzieren und eine hohe Leistung aufrechterhalten. Der Hauptautor der Studie, Shogo Ishizuka, erklärt: „Der Wirkungsgrad von 12,28 % ist der derzeit höchste gemeldete Wert für Chalkogenid-Solarzellen mit einer breiten Bandlücke von 1,65–1,75 eV, insbesondere für indiumfreie Chalkopyrite oder CIGS-verwandte Zellen.“
Die Zellleistung wurde unabhängig vom Team des Advanced Research Center for Renewable Energy am AIST verifiziert. Die Forscher verbesserten 2024 das Design, indem sie auf der Rückseite des CuGaSe₂-Dünnfilms Aluminium hinzufügten, um ein Rückflächenfeld (BSF) zu bilden. Dies steigerte die Leerlaufspannung, den Füllfaktor und den Gesamtwirkungsgrad.
Die Zellstruktur umfasst ein Natron-Kalk-Glas-Substrat, einen Molybdän-Rückkontakt, eine indiumfreie Chalkopyrit-Absorberschicht, eine Cadmiumsulfid-Pufferschicht, eine Zinkoxid-Fensterschicht und eine Metallgitter-Elektrode. Die Einführung von Aluminium und Rubidiumfluorid optimierte die Leistung weiter und verbesserte die Leerlaufspannung.
Ishizuka weist darauf hin, dass sich diese Forschung auf die grundlegende Entwicklung von Bauelementen mit breiter Bandlücke konzentriert, die als Top-Zellen in Tandem-Solarzellen dienen sollen. Derzeit erfordert der Aufbau eines vollständigen Prototyps noch eine kompatible Bottom-Zelle und Tandem-Technologie, daher ist die Massenproduktion noch nicht erreicht.
