Forscher aus China, Deutschland und Saudi-Arabien haben flexible Silizium-Solarzellen entwickelt, die sich wie Papier biegen lassen und nach 20-minütigem Betrieb fast ihren gesamten Wirkungsgrad bei der Stromumwandlung von 24 % behalten. Simulierte Windeinwirkung. Diese Zellen halten Temperaturschwankungen stand und verlieren nur 0,38 % an Effizienz, wenn sie zwei Stunden lang zwischen -70 °C und 85 °C wechseln.

Die Flexibilität wurde dadurch erreicht, dass die Grenzflächen zwischen Rissen und Rissen auf den Siliziumwafern abgestumpft wurden, was zu einem mikroskopischen Netzwerk von Rissen führte, die es ihnen ermöglichten, sich zu biegen. Die verarbeiteten Wafer wurden zur Herstellung von Heterojunction-Solarzellen mit einem Energieumwandlungswirkungsgrad von bis zu 23,4 % und einer Antireflexbeschichtung verwendet, die den Wirkungsgrad auf 24,6 % erhöht. Diese flexiblen Zellen eignen sich für Photovoltaikanwendungen in Gebäuden und Autos und ebnen den Weg für Fortschritte in der Solarenergietechnologie.

Überwindung der Starrheit von Silizium-Solarzellen

Herkömmliche Solarzellen auf Siliziumbasis, die 95 % des Marktes ausmachen, sind seit langem für ihre Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom bekannt. Aufgrund ihrer inhärenten Steifheit und Sprödigkeit ist ihre Anwendung jedoch auf gewellte oder flexible Oberflächen beschränkt. Als mögliche Lösungen kristallisierten sich daher alternative Dünnschichtsolarzellen aus Materialien wie amorphem Silizium, Cu(In,Ga)Se2, CdTe, organischen Materialien oder Perowskiten heraus. Leider weisen diese Alternativen häufig den Nachteil einer geringen Energieumwandlungseffizienz, chemischer Instabilität und der Verwendung giftiger oder seltener Elemente auf.

Wir haben versucht, uns diesen Herausforderungen zu stellen ein Forscherteam unter der Leitung von Wenzhu Liu vom Shanghai Institute of Microsystems and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, um eine flexible und dennoch effiziente Siliziumsolarzelle zu entwickeln. Sie fanden heraus, dass strukturierte kristalline Siliziumwafer dazu neigen, an bestimmten scharfen Grenzflächen zu reißen, die durch Pyramidenstrukturen an ihren Kanten gebildet werden. Durch den Einsatz von Chemie und Plasmaätzen zur Abstumpfung dieser rissbildenden Grenzflächen konnten die Forscher ein mikroskopisches Netzwerk von Rissen in den Wafern erzeugen, die dann flexibel wurden.

Von starren Wafern bis hin zu flexiblen Solarzellen

Da die verarbeiteten Siliziumwafer nun flexibel sind, ging das Forschungsteam zur Herstellung von Heterojunction-Solarzellen über. Als diese Zellen zu großen flexiblen Modulen mit einer Fläche von mehr als 10.000 cm2 zusammengebaut wurden, zeigten sie einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 23,4 %. Durch das Aufbringen einer Magnesiumfluorid-Antireflexbeschichtung konnte der Wirkungsgrad weiter auf 24,6 % gesteigert werden.

Diese flexiblen Siliziumsolarzellen haben gegenüber herkömmlichen starren Zellen und ihren Dünnschicht-Pendants mehrere Vorteile. Sie sorgen nicht nur für eine hohe Energieumwandlungseffizienz, sondern widerstehen auch Vibrationen, wiederholtem Biegen und extremen Temperaturschwankungen. Damit eignen sie sich ideal für großformatige, leichte und flexible Solarmodule, die in Gebäude und Fahrzeuge integriert werden können.

Mögliche Anwendungen und zukünftige Entwicklungen

Flexible Silizium-Solarzellen eröffnen neue Möglichkeiten für die Nutzung von Solarenergie. Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) kann von diesen flexiblen Zellen profitieren, da sie auf gekrümmten Oberflächen installiert oder in Baumaterialien wie Fenster oder Fassaden integriert werden können. Auch fahrzeugintegrierte Photovoltaiksysteme (CIPV) können von diesen Zellen profitieren, sodass Fahrzeuge Strom aus Sonnenlicht erzeugen und ihre Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern können.

Darüber hinaus verfügt die Technologie über das Potenzial für die großtechnische kommerzielle Produktion von flexiblen Hochleistungs-Siliziumsolarzellen, was zum Wachstum des Marktes für flexible Zellen beiträgt und die weltweite Anwendung von Solarenergie weiter ausweitet.

Aktuelle Einschränkungen

Obwohl flexible Siliziumsolarzellen beeindruckende Ergebnisse in Bezug auf Effizienz, Flexibilität und Widerstandsfähigkeit gezeigt haben, sind sie immer noch nicht robust genug, um Hagelstürmen mit hoher Geschwindigkeit standzuhalten. Das Forschungsteam arbeitet aktiv daran, diese Einschränkung zu beseitigen und die Haltbarkeit der Zellen zu verbessern, um sie für eine Vielzahl von Anwendungen und Umgebungen geeignet zu machen.

Da die Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen weiter wächst, stellt die Entwicklung flexibler Siliziumsolarzellen einen wichtigen Fortschritt auf dem Gebiet der Solarenergie dar. Dank neuer Forschung und Innovation haben diese flexiblen Zellen das Potenzial, die Art und Weise, wie wir die Kraft der Sonne nutzen, zu revolutionieren und Solarenergie zugänglicher und vielseitiger als je zuvor zu machen.