Lichtstreuende Oberflächen, Schichten und Schichtsysteme zur Verbesserung der Lichteinkopplung in Silizium-Dünnschichtsolarzellen

Eine Solarzelle ist ein optoelektronisches Bauelement, welches die im Licht enthaltene Energie direkt in elektrische Energie umwandelt. Der zugrunde liegende photovoltaische Effekt wurde von Becquerel im Jahre 1837 entdeckt. Die erste Silizium-Solarzelle stellten Chapin, Fuller und Pearson in den Bell Laboratories im Jahre 1953 her. In der Folgezeit (seit 1958) wurden Solarzellen vor allem in der Raumfahrt eingesetzt. Den Weg für den terrestrischen Einsatz ebneten eine signifikante Kosteneinsparung und Verbesserung der auf kristallinem Silizium basierenden Solarzellen sowie die Entwicklung von diversen weiteren Solarzellenkonzepten [1–3]. Gegenwärtig wird der photovoltaische Weltmarkt zu ca. 95% von Zellen auf Basis von kristallinem Silizium dominiert [4]. Der übrige Anteil entfällt fast ausschließlich auf Dünnschichtansätze auf Basis von amorphem Silizium (ca. 4% Weltmarktanteil), Cadmiumtellurid (CdTe, ca. 1%) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS: Cu(In,Ga)(S,Se), < 1%). Trotz des derzeitig geringen Weltmarktanteils wird den Dünnschichtansätzen vielfach ein sehr großes zukünftiges Marktpotential zugesprochen [5–7]. Sie werden vermutlich zu den photovoltaischen Technologien gehören, die durch signifikante Kostenreduktion das Preisziel von 1 €/Watt erreichen können. Auf mittlere Sicht sind niedrige Produktionskosten notwendig, damit der Preis von photovoltaisch erzeugtem Strom mit dem von Strom aus dem öffentlichen Netz konkurrieren kann. Ein wesentlicher Schlüssel zur merklichen Kostenreduktion ist eine erhebliche Ausweitung der Produktionskapazität [5, 6, 8]. Hinsichtlich dieses Aspekts kommt der Dünnschichttechnologie auf Basis von amorphem Silizium eine besondere Stellung zu, da sie – entgegen der Technologien auf Basis von CdTe und CIGS – keine seltenen, teuren oder giftigen Elemente verwendet [6]. Bezüglich des Wirkungsgrads für die Energieumwandlung (Effizienz $\eta$) belegen Dünnschichtsolarzellen auf Basis von amorphem Silizium keine Spitzenplätze. Sie sind dennoch sowohl ökologisch als auch ökonomisch interessant. Niedrige Temperaturen und daher ein geringer Energieaufwand in der Herstellung ermöglichen vergleichsweise kurze Energierücklaufzeiten von ca. einem Jahr [9]. Die großflächige Dünnschichttechnologie verspricht eine kostengünstige Herstellung. Ferner wandeln Silizium-Dünnschichtsolarzellen bei gleicher installierter Maximalleistung unter realen Einsatzbedingungen gegenüber Modulen auf Basis von kristallinem Silizium im Schnitt 10% bis 20% mehr Energie um [5]. Der photovoltaisch aktive Bereich einer Silizium-Dünnschichtsolarzelle besteht aus einer insgesamt ca. 250nm bis maximal ca. 5 $\mu$m dicken $\textit{p-i-n}$ Struktur: eine intrinsische (d.h. nominell undotierte) Siliziumschicht zwischen zwei ($\textit{p-}$ bzw. $\textit{n-}$) dotierten Siliziumschichten. Die Photonen gelangen durch die sehr dünne $\textit{p-}$-dotierte Schicht in das Bauelement. In der intrinsischen Schicht werden sie absorbiert und generieren Elektron-Loch-Paare. Das von den $\textit{p-}$ und [...