Beim Test einer Tandem-Dünnschichtsolarzelle machten die Wissenschaftler Christopher Wronski und David Staebler im Jahr 1976 eine Entdeckung. Solarzellen der Kombination aus amorphem, Wasserstoff-dotierten und mikrokristallinem Silizium erzeugen immer weniger Strom, je länger sie dem Sonnenlicht ausgesetzt sind.
"Die Leistung der Solarzelle wird schlechter. Nach ungefähr einhundert bis zweihundert Stunden erreicht sie einen Zustand, den wir Degraded Steady State nennen. Doch dann ist plötzlich die Leistung konstant."
Erklärt Chris Wronski, ehemaliger Professor an der Pennsylvania State University. Die Verschlechterung des Wirkungsgrades und damit der Leistung liegt bei heutigen Tandem-Dünnschichtsolarzellen bei etwa 20 bis 30 Prozent. Anfangs, bei der Entdeckung des nach dem Wissenschaftlerteam benannten Staebler-Wronski-Effekts waren es über 40 Prozent Verschlechterung. Die Forscher fanden auch heraus, dass der Effekt ist umkehrbar ist.
"Das wirklich Interessante daran ist, es ist eine metastabile Veränderung. Das heißt: Erhitzt man das Material für einige Stunden auf circa 150 Grad, sind seine Eigenschaften fast die gleichen wie am Anfang. Das ist der Grund, warum der Effekt für die Wissenschaft so interessant ist."
Wronski und Kollegen versuchen nun, diese Leistungsminderung zu umgehen. Denn dann könnten die Tandem-Dünnschichtsolarzellen einen riesigen Leistungssprung machen: Die amorphe Seite des Tandems produziert immerhin zwei Drittel der Leistung. Sie verstärkt so auch immer eine Verschlechterung oder auch eine Verbesserung. Doch derzeit sieht es noch schlecht damit aus, den Effekt zu beheben. Klaus Lips, Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin:
"Die zwanzig bis dreißig Prozent könnte man noch weiter verstärken, wenn man nicht das herkömmliche Design von Solarzellen nimmt, sondern die Solarzellen jetzt so designed, dass sie diesen Effekt, der da nicht passiert, mit berücksichtigen. Dann könnte man noch mehr als dreißig Prozent gewinnen. Die Industrie kann das natürlich nicht, weil sie nicht weiß, wie man diesen Effekt einfach ausschaltet. Wir wissen das auch nicht, wie wir den Effekt ausschalten, da wir noch nicht einmal wissen, wie der Effekt funktioniert. Das Problem ist also, wir kämpfen hier gegen einen Feind, den wir gar nicht kennen. Und das ist genau die Schwierigkeit. Das heißt, die Grundlagenforschung versucht überhaupt erstmal diesen Feind zu identifizieren."
Dass die Erforschung jetzt nach über dreißig Jahren noch nicht weiter sei, liege daran, dass die bisherigen Untersuchungsmethoden nicht genau genug waren. Mit neue Techniken wollen jetzt die Forscher dem Effekt auf die Spur kommen. Sie haben auch schon Ideen, wie man das Problem lösen könnte.
"Nehmen wir einmal an, es ist so, dass im Wasserstoffatom der Bösewicht ist. Dass man also durch das Beleuchten des Materials den Wasserstoff irgendwie in Bewegung bringt und dieser Wasserstoff, diese Atome sich plötzlich zwischen zwei Silizium-Atome quetschen und so eine Bindung aufreißen. Wenn das die Lösung des Problems ist, dann müsste man den Wasserstoff aus diesem Film herausnehmen und ersetzen durch andere Atome, die die gleiche Wirkung haben. Also Fluor, oder Chlor, also Atome, die in der Lage sind, Bindungen sehr effizient zu schließen."
Die Forscher wollen also versuchen, amorphes Silizium auf Basis anderer Elemente zu entwickeln. Das wurde schon bei Solarzellen aus kristallinem Silizium so gemacht, die ebenfalls Verschlechterungseffekte aufwiesen. Man ersetzte das zuvor verwendete Bor durch andere Atome wie Phosphor oder Aluminium und konnte so die Effekte eliminieren.
"Das sind jetzt genau die Ansätze, die wir wieder verfolgen. Man hat es in der Vergangenheit schon probiert, um mit diesen neuen sag ich mal Ausgangsstoffen gute Solarzellen zu machen. Das ist leider bisher nicht gelungen. Sobald man andere Stoffe einsetzt, werden die Solarzellen nicht so gut, wie wenn man mit Silizium-Wasserstoff arbeitet. Also vielleicht ist da auch genau das Problem. Das es im Prinzip schon das Optimale ist, und dass man einfach mit dem Effekt leben muss. Aber auch das wäre ein wissenschaftliches Ergebnis, aber wir wissen es halt nicht. Wir wissen nicht, ob das ein Effekt ist, der zu dem Material gehört, so wie der Tod zu uns Lebenden gehört."
Ungeachtet des Staebler-Wronski-Effects zählen Tandem-Dünnschichtsolarzellen aus amorphem und mikrokristallinem Silizium zu den Solarzellen mit dem besten Wirkungsgrad. Zudem sind sie gut zu produzieren. Die verwendeten Materialien sind ausreichend verfügbar und außerdem ökologisch unbedenklich.
"Die Leistung der Solarzelle wird schlechter. Nach ungefähr einhundert bis zweihundert Stunden erreicht sie einen Zustand, den wir Degraded Steady State nennen. Doch dann ist plötzlich die Leistung konstant."
Erklärt Chris Wronski, ehemaliger Professor an der Pennsylvania State University. Die Verschlechterung des Wirkungsgrades und damit der Leistung liegt bei heutigen Tandem-Dünnschichtsolarzellen bei etwa 20 bis 30 Prozent. Anfangs, bei der Entdeckung des nach dem Wissenschaftlerteam benannten Staebler-Wronski-Effekts waren es über 40 Prozent Verschlechterung. Die Forscher fanden auch heraus, dass der Effekt ist umkehrbar ist.
"Das wirklich Interessante daran ist, es ist eine metastabile Veränderung. Das heißt: Erhitzt man das Material für einige Stunden auf circa 150 Grad, sind seine Eigenschaften fast die gleichen wie am Anfang. Das ist der Grund, warum der Effekt für die Wissenschaft so interessant ist."
Wronski und Kollegen versuchen nun, diese Leistungsminderung zu umgehen. Denn dann könnten die Tandem-Dünnschichtsolarzellen einen riesigen Leistungssprung machen: Die amorphe Seite des Tandems produziert immerhin zwei Drittel der Leistung. Sie verstärkt so auch immer eine Verschlechterung oder auch eine Verbesserung. Doch derzeit sieht es noch schlecht damit aus, den Effekt zu beheben. Klaus Lips, Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin:
"Die zwanzig bis dreißig Prozent könnte man noch weiter verstärken, wenn man nicht das herkömmliche Design von Solarzellen nimmt, sondern die Solarzellen jetzt so designed, dass sie diesen Effekt, der da nicht passiert, mit berücksichtigen. Dann könnte man noch mehr als dreißig Prozent gewinnen. Die Industrie kann das natürlich nicht, weil sie nicht weiß, wie man diesen Effekt einfach ausschaltet. Wir wissen das auch nicht, wie wir den Effekt ausschalten, da wir noch nicht einmal wissen, wie der Effekt funktioniert. Das Problem ist also, wir kämpfen hier gegen einen Feind, den wir gar nicht kennen. Und das ist genau die Schwierigkeit. Das heißt, die Grundlagenforschung versucht überhaupt erstmal diesen Feind zu identifizieren."
Dass die Erforschung jetzt nach über dreißig Jahren noch nicht weiter sei, liege daran, dass die bisherigen Untersuchungsmethoden nicht genau genug waren. Mit neue Techniken wollen jetzt die Forscher dem Effekt auf die Spur kommen. Sie haben auch schon Ideen, wie man das Problem lösen könnte.
"Nehmen wir einmal an, es ist so, dass im Wasserstoffatom der Bösewicht ist. Dass man also durch das Beleuchten des Materials den Wasserstoff irgendwie in Bewegung bringt und dieser Wasserstoff, diese Atome sich plötzlich zwischen zwei Silizium-Atome quetschen und so eine Bindung aufreißen. Wenn das die Lösung des Problems ist, dann müsste man den Wasserstoff aus diesem Film herausnehmen und ersetzen durch andere Atome, die die gleiche Wirkung haben. Also Fluor, oder Chlor, also Atome, die in der Lage sind, Bindungen sehr effizient zu schließen."
Die Forscher wollen also versuchen, amorphes Silizium auf Basis anderer Elemente zu entwickeln. Das wurde schon bei Solarzellen aus kristallinem Silizium so gemacht, die ebenfalls Verschlechterungseffekte aufwiesen. Man ersetzte das zuvor verwendete Bor durch andere Atome wie Phosphor oder Aluminium und konnte so die Effekte eliminieren.
"Das sind jetzt genau die Ansätze, die wir wieder verfolgen. Man hat es in der Vergangenheit schon probiert, um mit diesen neuen sag ich mal Ausgangsstoffen gute Solarzellen zu machen. Das ist leider bisher nicht gelungen. Sobald man andere Stoffe einsetzt, werden die Solarzellen nicht so gut, wie wenn man mit Silizium-Wasserstoff arbeitet. Also vielleicht ist da auch genau das Problem. Das es im Prinzip schon das Optimale ist, und dass man einfach mit dem Effekt leben muss. Aber auch das wäre ein wissenschaftliches Ergebnis, aber wir wissen es halt nicht. Wir wissen nicht, ob das ein Effekt ist, der zu dem Material gehört, so wie der Tod zu uns Lebenden gehört."
Ungeachtet des Staebler-Wronski-Effects zählen Tandem-Dünnschichtsolarzellen aus amorphem und mikrokristallinem Silizium zu den Solarzellen mit dem besten Wirkungsgrad. Zudem sind sie gut zu produzieren. Die verwendeten Materialien sind ausreichend verfügbar und außerdem ökologisch unbedenklich.