CIGS Solarzelle im Querschnitt

Photovoltaik Arbeitsgruppe

Dr. U. Reislöhner & Prof. C. Ronning
CIGS Solarzelle im Querschnitt

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Modifikation und Charakterisierung von Materialien, die in Dünnschichtsolarzellen eingesetzt werden. Auch werden komplette Solarzellen, die wir von unseren Industrie- oder Forschungspartnern erhalten, auf ihre Eigenschaften untersucht. Bei der Analyse setzen wir vielfältige Röntgen- und Elektronenmikroskopische Methoden ein. Wir arbeiten in nationalen und internationalen Kollaborationen. Weitere Details zu unseren Forschungsthemen und aktuell geförderten Projekten sind nachfolgend aufgeführt. Zu allen Bereichen vergeben wir fortlaufend und immer aktuelle BSc.- und MSc.-Arbeiten!

CIGS Solarzellen Inhalt einblenden
Rb nano xrf Foto: Philipp Schöppe

gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Im Rahmen des speedCIGS-Projektes sollen robuste, vor allem wettbewerbsfähige und effizientere CIGS-Herstellungsprozesse bei Industriepartnern entwickelt werden. Dafür sollen basierend auf den materialwissenschaftlichen Erkenntnissen zu den beiden kritischen Parametern CIGS-Kristallisationsgeschwindigkeit und Alkalidotierung, im CIGS-Absorber neue Fertigungsparameter für die industrielle Herstellung definiert werden. Diese werden in den Theoriegruppen bzw. wissenschaftlichen Experimentallabors entwickelt und anschließend bei dem Industriepartner umgesetzt, um auf produktionsrelevanten Formfaktoren (30 x 30 cm2) hohe Wirkungsgrade bei schnellen Abscheidegeschwindigkeiten zu erreichen. Es besteht eine besondere Aufgabe in diesem Projektvorhaben, die Erhöhung der Depositionsgeschwindigkeit, die möglicherweise mit einer Erniedrigung des Wirkungsgrades einhergeht, mit der Optimierung der Alkali-Dotierung so zu kompensieren, dass ein für die Industrie optimales Prozessfenster entsteht.

Unser Beitrag liegt in der umfassenden und grundlegenden Charakterisierung von CIGS-Laborzellen und Teilschichten, die von den Verbundpartnern hergestellt werden sowie von Proben, die selbst nachpräpariert werden. Weiterhin wird die Dotierung von Teilschichten durch (Niederenergie-) Ionenimplantation untersucht. Diese Arbeiten haben das Ziel, ein tieferes Verständnis der Diffusions- und Wachstumsprozesse unter diesen speziellen Prozessbedingungen zu erreichen. Darüber hinaus werden durch Alkalinachbehandlung mittels gezielter Niederenergie-Ionenimplantation die wesentlichen Parameter gesucht, die für die Nachbehandlung entscheidend sind.

Kesterit Solarzellen Inhalt einblenden
Kesterite Foto: C. S. Schnohr

gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)

Warum Kesterite ?

Photovoltaik spielt im Bereich der nachhaltigen Energieversorgung eine zentrale Rolle. CdTe- und Cu(In,Ga)Se2-Dünnschichtsolarzellen erreichen mittlerweile Spitzenwirkungsgrade von über 20%, vergleichbar mit der Siliziumtechnologie. Neben dem reduzierten Materialverbrauch können Dünnschichtsolarzellen zudem auf flexiblen Substraten produziert werden und bieten somit neuartige Anwendungsmöglichkeiten in Architektur und Produktgestaltung. Der großtechnische Einsatz von CdTe und Cu(In,Ga)Se2 gestaltet sich jedoch auf Grund der toxischen Eigenschaften oder Verfügbarkeit der Elemente problematisch. Daher werden große Anstrengungen unternommen, geeignete Alternativen zu finden. Sogenannte Kesterite, wie zum Beispiel Cu2ZnSn(S,Se)4, bestehen aus ungiftigen Elementen mit großer Verfügbarkeit. Der Rekordwirkungsgrad von Kesterit-Dünnschichtsolarzellen ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen und beträgt derzeit 12,6%. Für die Zukunft werden Wirkungsgrade vergleichbar zu denen von CdTe und Cu(In,Ga)Se2 erwartet.

Ziel des Projektes

Zur Zeit wird die Leistung von Kesterit-Solarzellen noch durch das Auftreten von Sekundärphasen und strukturellen Modifikationen begrenzt, die durch Diffraktion nur schwierig nachzuweisen sind und die die elektronischen Eigenschaften des Materials nachteilig beeinflussen. Außerdem weicht die lokale Anordnung der Atome in gemischten Halbleitern oft deutlich von der kristallografischen Ordnung ab. Diese strukturelle Inhomogenität auf der Subnanometerskala besitzt ebenfalls einen großen Einfluss auf die Bandlücke des Materials und damit auf die Leistung der Solarzelle. Daher ist es Ziel dieses Projektes, chemische, strukturelle und elektronische Aspekte eines umfangreichen Satzes von Kesteritmaterialien zu untersuchen, um das Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dieser komplexen Halbleiter zu vertiefen und optimale Bedingungen zur Herstellung von hocheffizienten Dünnschichtsolarzellen aufzuzeigen.

Umsetzung

Es werden vier verschiedene Verbindungen und ihre Mischungen, stöchiometrisch und nicht-stöchiometrisch, als Pulver, Dünnschicht oder Nanopartikel untersucht. Mit Hilfe der Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS, EXAFS, XANES) wird das Auftreten von Sekundärphasen quantitativ als Funktion der Probenzusammensetzung und der Wachstumsbedingungen bestimmt, wodurch wertvolle Informationen über optimale Herstellungsprozesse gewonnen werden. XAS liefert zudem atomare Strukturparameter, wie die elementspezifischen Bindungslängen, deren Vergleich mit kristallografischen Parametern neue Einblicke in den Zusammenhang zwischen kurz- und langreichweitiger Ordnung erlaubt. Kombiniert mit Valenzkraftfeld-Simulationen und ab initio Rechnungen liefern die lokalen Strukturparameter außerdem einzigartige Erkenntnisse über die Beziehung zwischen strukturellen und elektronischen Eigenschaften. Ein umfassendes Verständnis dieser Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ist unerlässlich, um das volle Potential dieser vielversprechenden Materialien ausschöpfen zu können.

Nano-Röntgenanalyse Inhalt einblenden

gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Verbundforschung "Kondensierte Materie"

Am ESRF in Grenoble steht seit einigen Jahren ein hoch-brillanter Synchrotronstrahl mit einem Durchmesser von etwa 30-50 nm an der "Beam-line" ID16B zur Verfügung, der die Untersuchung einzelner Nanoobjekte ermöglicht. Wir nutzen diesen fokusierten Röntgenstrahl um einerseits die charakteristische Röntgen-Fluoreszenz (XRF) zu detektieren, aber auch um gleichzeitig Röntgenabsorptions-Spektroskopie der Feinstruktur (XANES, EXAFS) oder Röntgen-induzierten Strommessung (XBIC) durchzuführen. Diesen direkten und korrelierten Zugang zu Struktur, Eigenschaften und Funktionalität auf einer Nanometer-Skala nutzen wir um unterschiedliche Modelsysteme zu untersuchen. Aktive Bauelemente aus funktionalisierten Halbleiternanodrähte bzw. Dünnschichtsolarzellen werden durch den nano-Synchrotronstrahl lokal angeregt. Dabei kann die Raumladungszone sowie die relative Effizienz in-operando durch XBIC bestimmt werden, und gleichzeitig die Stöchiometrie (XRF), Dotierung (XRF, XAS), Luminiszenz (XEOL) oder Struktur (XRD, XAS) örtlich untersucht werden. Die gewonnenen Korrelationen sind entscheidend für die Kenntnis der Funktionalität von aktiven Bauelementen auf der Nanometer-Skala, und bieten daher einen leichten Zugang zur Erhöhung der entsprechenden Effizienzen.

Schwingungsdynamiken Inhalt einblenden
Schwingungsdynamiken Foto: C. S. Schnohr

gefördert von der Friedrich-Schiller-Universität im Rahmen der ProChance Initiative

Warum III-V-Halbleiter ?

Mehrkomponentige, komplexe Halbleiterverbindungen finden auf Grund ihrer vielseitigen Eigenschaften immer größere Anwendung in elektronischen und optoelektronischen Bauteilen. Neben binären III-V Verbindungen wie InP, GaP oder GaAs kommen dabei auch zunehmend pseudo-binäre Mischsysteme wie (In,Ga)P oder (In,Ga)As zum Einsatz. Durch die erhöhte Komplexität dieser Materialsysteme sind jedoch viele Aspekte vor allem im Hinblick auf die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen noch immer nicht vollständig erforscht.

Ziel des Projektes

Neben der langreichweitigen, kristallographischen Struktur spielt dabei insbesondere die kurzreichweitige, atomare Struktur eine ganz wesentliche Rolle. Vor allem die Bandlücke wird theoretischen Rechnungen zu Folge entscheidend durch die lokale Anordnung der verschiedenen Atome beeinflusst. Diese wird wiederum durch die Eigenschaften der verschiedenen im Material vorhandenen Bindungen bestimmt. Neben den natürlichen Bindungslängen der einzelnen Kation-Anion-Paare sind dabei die Kraftkonstanten für das Strecken und Biegen dieser Bindungen von fundamentaler Bedeutung für die atomare Struktur. Darüber hinaus bestimmen diese Kraftkonstanten auch das Schwingungsverhalten der Atome innerhalb des Festkörpers. Mit Hilfe der Röntgenabsorptionspektroskopie (XAS, EXAFS) können relative Schwingungen benachbarter Atome sowohl parallel als auch senkrecht zur Bindung untersucht werden. Aus dem Temperaturverhalten dieser relativen Schwingungen lassen sich dann die Kraftkonstanten für das Strecken und Biegen der Bindungen bestimmen. Es ist daher Ziel dieses Forschungsvorhabens mittels temperaturabhängiger XAS Messungen die Kraftkonstanten für das Strecken und Biegen der verschiedenen Kation-Anion-Bindungen in binären und pseudo-binären III-V Halbleiterverbindungen systematisch zu untersuchen.

Umsetzung

Ein Teil des Projektes wird sich dabei mit der Anisotropie relativer Schwingungen in binären III-V Halbleitern beschäftigen. Neben der experimentellen Bestimmung der Kraftkonstanten steht vor allem die Frage nach einem Zusammenhang zwischen Schwingungsanisotropie, der in diesen Verbindungen beobachteten negativen thermischen Ausdehnung und grundlegenden Materialparametern wie Ionizität und Massen- bzw. Größenverhältnis der Konstituenten im Vordergrund. In einem zweiten Teil des Projektes werden die Kraftkonstanten für pseudo-binäre Mischsysteme in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung bestimmt und mit theoretischen Vorhersagen verglichen. Die Erkenntnisse dieser systematischen Untersuchungen werden entscheidend zu einem besseren grundlegenden Verständnis der atomaren Struktur komplexer, mehrkomponentiger Halbleiterverbindungen beitragen. Darüber hinaus bilden die in diesem Projekt bestimmten Kraftkonstanten die Grundlage für eine theoretische Modellierung dieser Materialien und ihrer Eigenschaften. Sowohl das Verständnis als auch die Modellierung dieser Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ist unerlässlich, um in Zukunft das volle Potential dieser vielseitigen Materialsysteme für technologische Anwendungen ausschöpfen zu können.

Institut für Festkörperphysik / AG Photovoltaik
Rotes Haus
Helmholtzweg 3
07743 Jena
Telefon
+49 3641 9-47300
Postanschrift:
Max-Wien-Platz 1
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