Wie Forscher den Dunkelstrom eindämmen

Materialfehler mit Wäremebildkamera aufgespürt

Je heller eine Stelle im Lock-in-Thermogramm (li.), desto wärmer ist sie. An diesen Stellen fließt ein hoher Dunkelstrom. Das Lumineszenzbild (re.) zeigt die Materialfehler als dunkle Stellen. Bild vergrößern
Je heller eine Stelle im Lock-in-Thermogramm (li.), desto wärmer ist sie. An diesen Stellen fließt ein hoher Dunkelstrom. Das Lumineszenzbild (re.) zeigt die Materialfehler als dunkle Stellen.

„In guten Silizium-Solarzellen schaffen es rund achtzig Prozent der Ladungsträger in den elektrischen Kreislauf, ohne verloren zu gehen“, sagt Breitenstein. Leider sind diese Stromventile nicht hundertprozentig dicht. Eine Solarzelle soll im Betrieb elektrische Leistung bringen. Weil aber Leistung das Produkt aus elektrischem Strom und elektrischer Spannung ist, muss die Zelle neben dem Gleichstrom auch eine Spannung erzeugen. Mit steigender Spannung fließt nun aber auch ein immer stärker werdender Dunkelstrom. Da er gegen den Photostrom gerichtet ist, gleicht er einen Teil des Photostroms aus. Dieser Dunkelstrom ist unvermeidbar, aber er hängt stark von der Qualität des verwendeten Halbleitermaterials ab. Problematisch wird es durch die Materialfehler, die vor allem in multikristallinen Zellen ins Spiel kommen. Sie erzeugen weitere Dunkelstromanteile und ziehen dann den Wirkungsgrad weiter herunter. Solchen Dunkelstromprozessen ist Breitensteins Team auf der Spur.

Die Hallenser verwenden dazu eine hochempfindliche Messtechnik. Sie packen die Zellen in eine kleine Dunkelkammer und schließen sie an eine elektrische Spannungsquelle an. Diese ist in Durchlassrichtung gepolt. Wäre die Zelle perfekt, dann würde nur ein geringer Dunkelstrom fließen. Bei echten Zellen fließen aber zusätzliche Ströme dort, wo die Materialfehler sitzen. Und wo ein Strom fließt, wird es wärmer. Deshalb kam Breitensteins Gruppe auf die Idee, diese Fehlerstellen über eine Wärmebildkamera aufzuspüren.

Wärmestrahlung ist Infrarotstrahlung, deshalb heißt diese Aufnahmetechnik Infrarot-Thermographie. Allerdings verursachen die Dunkelströme lediglich Temperaturerhöhungen von nur einigen Tausendstel bis höchstens 0,1 Grad Celsius. Normale Wärmebildkameras sind dafür viel zu unempfindlich. Ein weiteres Problem ist die gute Wärmeleitfähigkeit von Silizium – die winzigen Wärmepunkte an den kleinen Materialfehlern zerfließen deshalb, und feine Strukturen sind im Bild nicht mehr erkennbar.

Aus diesen Gründen verwenden die Hallenser eine superempfindliche Aufnahmetechnik, die Lock-In-Thermographie. Der Trick: Sie erzeugen in der Zelle mit Stromstößen nur kurze Wärmepulse. Das macht der Computer im Hallenser Labor tausend bis zehntausend Mal hintereinander. Die winzigen Temperaturerhöhungen an den Punkten, wo der Dunkelstrom fließt, addieren sich damit zu einem deutlichen Temperatursignal auf. Damit kann man im Infrarotbild scharf sehen, wo der Dunkelstrom fließt. Es zeigte sich, dass zwei Sorten von Materialfehlern entscheidend sind.

Die erste Sorte sind die Ränder der Kristallite im multikristallinen Material. Sie durchtrennen den flächigen p-n-Kontakt als Störung. Auch Kratzer durchschneiden ihn leicht, denn der p-n-Kontakt liegt nur knapp ein Millionstel Meter tief unterhalb der Oberfläche der Zellen. Breitensteins Team konnte zeigen, dass an diesen Störungen zwei Arten von Dunkelstrom fließen: Die erste Art entsteht durch die Rekombination von Elektronen und Löchern tief im Material der Solarzelle, die zweite Art durch Rekombination in der Verarmungszone. Breitensteins Team kann mit der Thermographie diese beiden Dunkelstromanteile voneinander getrennt untersuchen. Bei der Rekombination von Elektronen mit Löchern entsteht auch ein ganz schwaches Licht. Diese „Lumineszenz“ nimmt Breitensteins Gruppe mit einer Art superempfindlicher Kamera auf. Deren Bilder zeigen ebenfalls sehr genau, wo die Ladungsträger rekombinieren.

Die Forschungsarbeit der Max-Planck-Wissenschaftler gibt der Industrie wichtige Hinweise, wie sie ihre multikristallinen Silizium-Solarzellen verbessern kann. Eine Möglichkeit ist die Herstellung von weniger fehlerbehafteten Kristallen. Breitenstein forscht zudem mit anderen Wissenschaftlern daran, die Verunreinigung der Kristalle durch Metalle zu verringern. Solche Fremdmetalle wandern bei der Herstellung aus den Schmelztiegeln ein. In den Fehlerstellen bilden genau sie die Zentren, an denen die Ladungsträger rekombinieren können. „Mit metallfreien Quarztiegeln haben wir schon erste Erfolge“, freut sich Breitenstein.

TECHMAX Ausgabe 18, Sommer 2013; Redaktion: Christina Beck, Autor: Roland Wengenmayr

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