Physiker Dr. Matthias Müller von der TU Freiberg über Metalle, die nicht in Solarzellen gehören

Für alle LeserLEIPZIGER ZEITUNG/Auszug Ausgabe 82, seit 28. August im HandelAn der TU Freiberg haben sie Großes vor: Gemeinsam mit drei weiteren Partnern soll dort die perfekte Solarzelle entwickelt werden. Noch haben die Photovoltaik-Anlagen auf den Feldern und Dächern dieses Landes mindestens einen Defekt, der sich negativ auf die Leistungsfähigkeit einer Solarzelle auswirkt. Kennen Sie beispielsweise den LeTID-Effekt? Er wird in jeder Solarzelle erzeugt und ist besonders sinnfrei: Er verringert die Leistungsfähigkeit der Solarzelle sobald Licht darauf scheint. Ein Gespräch mit Physiker Dr. Matthias Müller von der TU Freiberg über Defekte, Partner und Metalle, die nicht in Solarzellen gehören.
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Herr Dr. Müller, haben Sie die perfekte Silizium-Solarzelle entwickelt?

Das haben wir noch nicht, aber wir arbeiten daran, die Effizienz noch weiter zu steigern und das Silizium-Ausgangsmaterial, was heute in 90 bis 95 Prozent aller PV-Anlagen steckt, perfekter auszugestalten. Das ist der Fokus unseres neuen Projekts „ZORRO“. Es geht nicht um die Solarzellen-Technologie, sondern mehr um das Material und die Frage, was die Effizienz des Materials verringert. Wir wollen versuchen, sogenannte Defekte zu vermeiden, die sich im realen Betrieb erst ausbilden.

Defekte im Solarzellen-Betrieb. Müssen sich Nutzer Sorgen machen?

Nein. Hersteller geben Effizienzgarantien, die die Kunden absichern. Jedoch ist bekannt, dass Solarzellen auf Siliziumbasis das Problem haben, unter Lichteinfluss an Effizienz zu verlieren. Das nennt man lichtinduzierte Degradation und davon gibt es verschiedene Typen.

Da bin ich gespannt …

Es gibt den Eisen-Bor-Defekt. Atome beider Elemente finden sich im Silizium und bilden einen Komplex, der dazu führt, dass sich die Effizienz verringert. Wenn ein Siliziumkristall mit der Bor- und-Eisen-Verbindung bestrahlt wird, dissoziiert die Verbindung aus Eisen und Bor.

Und was heißt das?

Die Verbindung zerfällt. Wenn es nur in Eisen und Bor zerfällt, dann ist dieses Eisen was übrig bleibt eines der schlimmsten Elemente für silizium-basierte Bauelemente. Es macht ganz große Probleme. Wenn ein Eisen-Atom sich unter 1013 Silizium-Atome befindet, ist das schon schlimm für Solarzellen. Es ist aber schon in der Herstellung quasi nicht möglich, diesen Hauch von Nichts zu vermeiden. Das ist nicht das Haar in der Suppe, sondern ein Planet in unserer Galaxie, der die Solarzelle stört.

Aber mal ehrlich: Warum nimmt man dann Silizium?

Das Titelblatt der LEIPZIGER ZEITUNG Nr. 82, Ausgabe August 2020. Foto: Screen LZ

Das Titelblatt der LEIPZIGER ZEITUNG Nr. 82, Ausgabe August 2020. Foto: Screen LZ

Zunächst ist einmal ist die Solar-Welt aufgrund der Halbleiter-Industrie mit Silizium großgeworden. Die Anforderungen, die ein Computer an einen Silizium-Chip stellt sind sehr, sehr hoch. Das heißt, die Technik zur Verarbeitung von Silizium war schon sehr gut entwickelt. Die Startbedingungen für andere Materialien waren dadurch deutlich schlechter.

Nichtsdestotrotz wurden auch andere Halbleiter-Materialien auf ihr Vermögen untersucht, unter anderem Galliumarsenid. Das ist aber teurer in der Herstellung und enthält das giftige Arsen. Die vielversprechendsten Materialien waren Cadmiumtellurid, aber Cadmium ist ebenso giftig, was die Entsorgung erschwert, und Tellur ist selten.

Dann wurde noch mit Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) gearbeitet. Es gibt Solarmodule aus diesen Materialien am Markt. Die Nachteile dieser Materialien sind, dass sie im Vergleich zur Silizium-Technologie nicht kostengünstig genug waren. Da hat man bei Silizium viel mehr Fortschritte bei Hochwertigkeit und Herstellungskosten gemacht. Man hat den Querschnitt der Kristalle vergrößert, man hat seine eigene Optimierungsroute im Vergleich zur Halbleiter-Industrie gefunden.

Ein Silizium-Kristall der für Chips hergestellt wird, wird anders optimiert hergestellt als für PV-Anlagen. Das Produktionsvolumen für PV ist mittlerweile viel größer als für die Halbleiter-Industrie.

Herr Dr. Müller, wir sind etwas abgekommen. Eigentlich waren wir bei den Defekten …

Richtig. Es gibt noch einen zweiten Defekt, den Bor-Sauerstoff korrelierten Defekt. Er hieß mal Bor-Sauerstoff-Defekt, aber man hat ihn mikroskopisch bislang nicht abbilden können – trotz 20-jährger Suche. Das ist erstaunlich. Es gibt immer noch genug Lücken in der Wissenschaft …

Wie entsteht dieser Defekt?

Wenn Licht auf eine betroffe Solarzelle scheint, entsteht dieser genauso und verschlechtert die Effizienz. Das weiß man seit mehr als 20 Jahren sehr gut. Vor zehn Jahren hat man den LeTID-Effekt gefunden, mit dem wir uns in unserem Projekt intensiv befassen.

LeTID … was bedeutet das?

Light and elevated Temperature Induced Degradation. Eine Degradation, die bei erhöhter Temperatur und Beleuchtung stattfindet.

Das ist doch eher unpraktisch bei Solarenergie…

Natürlich. Deswegen gibt es ja unser Projekt. Wir wollen ein Konzept erarbeiten, wie die Kombination aus Materialherstellung und Solarzellenherstellung sein soll, um diese Effekte beziehungsweise Defekte zu vermeiden. Das ist unser Ziel. Maßgeblich befassen wir uns mit dem LeTID-Effekt. Er ist erst 10 Jahre alt, aber auch sehr wenig erforscht. Wir wissen, dass er einst in multikristallinen Solarzellen gefunden wurde.

Inzwischen hat man auch festgestellt, dass es auch einkristallines Material mit diesem Effekt gibt. Das macht es sehr spannend, weil dieses Material im Moment dabei ist, den Weltmarkt wieder zurückzuerobern. Es gibt derzeit einen starken Trend, wieder mehr einkristalline Solarzellen als Ausgangsmaterial für PV-Anlagen zu benutzen.

Welche Anlage hat denn der Eigenheim-Besitzer normalerweise auf dem Dach?

Das kann man schnell selbst herausfinden. Es steht zum einen im Kaufvertrag, zum anderen schaut man sich einfach seine Anlage von unten an. Die Panels des Einkristallinen sind nicht quadratisch, die Ecken sind leicht abgerundet bzw. wirken wie abgeschnitten. Die Multikristallinen sind (voll) quadratisch. Ich denke, zurzeit ist der Anteil nach wie vor 50/50 bei Verkauf und Einbau. So oder so: Beide zeigen diesen Effekt.

Und nun?

Diesen Effekt wollen wir im Konsortium aus vier Partnern besser verstehen. Im Idealfall bekommen wir mehr Informationen über Einfluss der Solarzellen-Herstellung auf diese Defektentstehung und noch mehr Hinweise auf das mikroskopische Aussehen des Defekts.

Warum braucht es vier Partner?

Das Konsortium besteht aus dem Fraunhofer IISB in Erlangen, deren Stärke im Projekt die Möglichkeit ist, Siliziumkristalle herzustellen. Sie können multikristalline Solarblöcke, aber auch einkristalline herstellen. Anschließend teilen sie diese in Solar-Wafer. Diese kriegt dann der Projektpartner ISC-Konstanz. Die haben die Möglichkeit, daraus Solarzellen herzustellen.

So haben wir Einfluss auf den Kristallisationsprozess im ersten und auf den Solarzellenherstellungsprozess beim zweiten Schritt. Dann kommen die Materialien an die teilnehmenden Universitäten, die Uni in Konstanz und an die TU in Freiberg. Die Kollegen in Konstanz untersuchen die Defekt-Kinetik und wir machen die Detail-Defekt-Charakterisierung.

Was machen sie da genau?

In Konstanz geht es darum, zu messen wie schnell sich der Defekt ausbildet, wenn wir die Solarzellen der erhöhten Temperatur und Licht aussetzen. Und in Freiberg suchen wir uns dann die Proben raus, die die erstaunlichsten Ergebnisse gezeigt haben und versuchen dann, mehr Details über den Defekt zu erfahren. Dafür nutzen wir Halbleiter-spektroskopische Methoden, da wir ein Halbleiter-Institut sind und erwarten so, mehr Informationen über den Defekt zu bekommen.

Zusätzlich haben wir die Möglichkeit, im Projekt im Kristallisationsprozess verschiedene Sachen zu verändern. Das ist die wirkliche Stärke dieses Konsortiums und weltweit bisher selten.

Was kann man da ändern?

Wir testen zurzeit Hypothesen aus der Literatur. Eine besagt, dass verschiedene Metalle diesen Defekt verursachen beziehungsweise dazu beitragen. Wir haben Aluminium und Titan in unsere Kristalle als Kontamination integriert, was man normalerweise nicht machen sollte und können schauen, inwieweit es diesen Defekt verursacht.

Das ergibt keinen Sinn. Warum mischen Sie Metalle bei, die gar nicht reingehören?

Man weiß von Siliziumkristallen, dass sie andere Metalle enthalten. Das ist am Ende wie bei Lebensmitteln, die Spuren von Nüssen enthalten können. Diese Kristalle haben immer Spuren verschiedener Elemente des Periodensystems in unterschiedlichen Umfängen. Es geht schon mit dem Tiegel los, der das Silizium als Schmelze enthält.

Auch daraus lösen sich Metalle. Man kann keinen 100 % reinen Silizium-Kristall herstellen, weil wir noch keine Siliziumschmelze fliegen lassen können. Es ist aber eine tolle Idee (lacht). Die Haupthoffnung dieses Projekts ist es, die Hauptzutat zu finden, die der Bösewicht bei dem Defekt ist. Das wissen wir heute nicht, beziehungsweise es existieren verschiedene Meinungen darüber.

Was hat die Menschheit dann davon, wenn Sie den Bösewicht finden?

Wenn wir das wissen, können wir den Herstellungsprozess so anlegen, dass wir den „Bösewicht“ ausschließen können oder auch den Solarzellen-Herstellungsprozess abändern. Das Resultat wäre dann eine Solarzelle ohne lichtinduzierte Degradation. Der Kunde bekommt also die maximale Solarzellen-Effizienz, in einem typischen, kostengünstigen Herstellungsverfahren und außerdem bleibt die Leistung konstant über die 20 oder 25 Jahre, die Kunden eine Anlage besitzen.

Derzeit garantieren Hersteller mindestens 80 Prozent der Leistung nach 20 Jahren. Wenn unser Projekt erfolgreich ist, könnten Solarmodule mit besseren Leistungsgarantien käuflich sein.

Und woran forschen Sie dann noch?

Wenn wir diese lichtinduzierten Prozesse besser verstanden haben und abstellen können, haben wir schon ein sehr, sehr gutes Material. Es braucht dann die nächste Stufe der Effizienz-Steigerung bei Solarzellen. Momentan ist das die PERC-Struktur und eine zweite, wieder relevante Technologie, die Hetero-Junction-Technologie.

Die Firma Meyer Burger aus der Schweiz baut zurzeit wieder eine Fertigung im Solar Valley auf und in Freiberg wird es eine Solarmodul-Fertigung geben. Dann wird man wieder Solarzellen „made in Germany“ bekommen. Mein Ziel ist es, diese Technologie mit neuen Materialien für Solarzellen zu verknüpfen, um Tandem-Solarzellen zu bauen.

Hier geht es darum, die Energie des Sonnenlichts besser auszunutzen indem man zwei verschiedene Halbleiter übereinanderstapelt. Die erlauben es dann, die Energie des Sonnenlichts besser auszunutzen. Bisher schaffen Solarzellen maximal 29 Prozent Effizienz. Mit zwei verschiedenen Materialien kann man deutlich über 30 Prozent kommen. Es hört also nie auf (lacht).

Aber was, wenn am Ende keiner die Solarzellen mehr kauft, weil die Energiewende nicht durchgezogen wird und/oder das Interesse an der Technologie verloren geht?

Aus meinem Verständnis ist das Interesse an der Technologie nicht mehr umkehrbar, weil der Preis so günstig geworden ist. In meinen letzten zehn Forschungsjahren ist der Preis um einen Faktor 10 gefallen. Das führt dazu, dass die heutigen Stromgestehungskosten, der Preis für die Herstellung von einer Kilowattstunde, auf vier bis neun Cent in Deutschland gefallen sind. In sehr sonnenreichen Ländern hat schon jemand 2,5 Cent geboten. So kann man mit anderen Kraftwerkstypen konkurrieren.

Also weil es sich lohnt, wird die Technologie eingesetzt. Die internationale Energie-Agentur geht davon aus, dass im Jahr 2040 zwischen 12–20 Prozent der Energie von PV kommt. Momentan sind wir bei weniger als 4 Prozent. Das ist ein echter Wachstumsmarkt. Die Frage ist nur, in welchem Land die Industrie wachsen wird.

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