Der Infrarot-Anteil des Sonnenlichts nimmt rund ein Drittel des Lichtspektrums ein und wird von den herkömmlichen Solarzellen nicht erfasst. Um diesen Lichtanteil auch nutzen zu können, bedurfte es unter anderem der Veränderung des Siliziums-Ausgangsmaterials. Dazu werden mit dem vom Fraunhofer HHI entwickelten Laser-Verfahren die Oberflächen von Silizium-Wafern, aus denen Solarzellen gefertigt werden, mit Hilfe von ultrakurzen Laserblitzen, den Femtosekunden-Laserpulsen, behandelt. Die Oberfläche der Zelle absorbiert durch diese Veränderung den bisher ungenutzten Infrarotanteil für die Energiegewinnung. Die mit dem HHI-Laser behandelten Flächen werden dann schwarz. Daher spricht man auch von „Schwarzem Silizium“. Das Besondere des im Fraunhofer HHI entwickelten Lasers ist nun, dass die Laserpulse in ihrer Form so verändert werden konnten, dass sich doppelt so leistungsfähige Schwarze Siliziumzellen als bisher herstellen lassen.
Aus technischer Sicht zeichnet sich der Femtosekunden-Laserpuls-Prozess dadurch aus, dass Vorderseitentextur und der Emitter in einem Schritt gebildet werden. Die hergestellten Solarzellen weisen dann hohe Stromdichten im Bereich von 38mA/cm² < jsc < 42mA/cm² auf. Diese recht hohe Stromdichte wird durch die erhöhte Infrarotabsorption ermöglicht. Der Einsatzort der Lasertechnologie ist zum einen die reine Solarzelle aus Schwarzem Silizium. Außerdem kann der Prozess für einseitige Solarzellentexturen, oder zur Oberflächenvergrößerung zur Verbesserung von mechanischen Hafteigenschaften von solarzellenspezifisch benötigten Schichten verwendet werden. Zusätzlich verringert sich durch diesen Prozess die Anzahl der benötigten Solarzellenherstellungsschritte auf ungefähr die Hälfte.
Das realistische Potenzial des Schwarzen Siliziums sehen die Forscher des HHI bei 1 Prozent Wirkungsgradgewinn absolut im Vergleich zu Standard Solarzellen mit einem Potenzial von etwa 15 Prozent. „Wir sehen in dieser Technologie großes Entwicklungspotenzial, und erste Sondierungsgespräche mit der Deutschen Photovoltaik Industrie sind äußerst positiv verlaufen“, so Professor Dr. Wolfgang Schade, Leiter der Projektgruppe in Goslar. „Um noch höhere Wirkungsgrade zu erzielen werden wir in einem nächsten Schritt unser Verständnis von Schwarzem Silizium weiter ausbauen.“
Grafik: Vergleich des Herstellungsprozess normaler Solarzellen und Schwarzer Solarzellen (Quelle: HHI)