Germanium statt Zinn in Solarzellen aus Kesteriten

Bessere optoelektronische Eigenschaften

Gezielte Veränderungen der Zusammensetzung von Kesterit-Halbleitern verbessern ihre Eignung als Absorbermaterial in Solarzellen. Wie ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin zeigte, gilt dies besonders für solche Kesterite, in denen Zinn durch Germanium ersetzt wurde. Die Wissenschaftler untersuchten die Proben mit Hilfe von Neutronenbeugung am BER II und weiteren Methoden. Die Arbeit wurde für das Titelblatt der Zeitschrift CrystEngComm ausgewählt.

Kesterite sind preisgünstige und umweltfreundliche Halbleiterverbindungen aus den Elementen Kupfer, Zinn, Zink und Selen. Vom strukturellen Aufbau her ähneln Kesterite den Chalkopyrit-Halbleitern mit der Summenformel Cu(In,Ga)Se2. In Kesteriten (z. B. Cu2ZnSnSe4 abgekürzt CZTSe) werden die seltenen Elemente Indium und Gallium jedoch durch Zink und Zinn ersetzt, die viel häufiger in der Erdkruste vorkommen und weitaus billiger sind. Aktuell erreichen die besten Kesterit-basierten Dünnschicht-Solarzellen Wirkungsgrade bis zu 12,6 Prozent, und dies mit Kesterit-Schichten von nur einem Mikrometer Dicke. Dies macht sie zu interessanten Kandidaten für sehr preiswerte und sogar biegsame Solarmodule, die ungiftig und robust sind. Einkristalline Silizium-Solarzellen oder Chalkopyrit-Dünnschichten schaffen zwar Wirkungsgrade weit über 20 Prozent, sind allerdings deutlich teurer.

[note Typischer Aufbau eines Kristalls mit Kesteritstruktur, im Hintergrund angedeutet: Kristallstruktur und Elementarzelle – Bild © HZB]

Dennoch gelten Kesterite als interessante Alternative zu CIGS-Solarzellen, weil sie aus häufig vorkommenden Elementen bestehen, so dass keine Engpässe zu erwarten sind. Ein Team um Prof. Dr. Susan Schorr am HZB hat nun eine Reihe von „nicht-stöchiometrischen“ Kesterit-Proben untersucht und den Zusammenhang zwischen Zusammensetzung und optoelektronischen Eigenschaften beleuchtet. Bei der Synthese der Proben am HZB wurden die Zinn-Atome durch Germanium ersetzt.

Mit Neutronen Elemente klar unterscheiden

Diese Proben untersuchten die Forscher mit Neutronenbeugung am Forschungsreaktor BER II. Denn mit dieser Methode lassen sich die Elemente Kupfer, Zink und Germanium besonders gut voneinander unterscheiden und ihre Positionen im Kristallgitter verorten. Die Diagnose: Kesterite mit einer leicht Kupfer-armen und Zink-reichen Zusammensetzung, wie sie auch in Solarzellen mit den höchsten Wirkungsgraden zu finden ist, weisen die geringste Konzentration an Punktdefekten sowie die niedrigste Kupfer-Zink-Unordnung auf. Je Kupfer-reicher die Zusammensetzung wird, desto mehr steigt die Konzentration von anderen Punktdefekten, die als eher abträglich für die Leistungsfähigkeit von Solarzellen gelten. Weitere Untersuchungen zeigten, wie die so genannte Energiebandlücke von der Zusammensetzung der Kesterit-Pulverproben abhängt.

Germanium wirkt

„Diese Bandlücke ist eine Eigenschaft der Halbleiter und bestimmt, welche Lichtfrequenzen im Material Ladungsträger freisetzen“, erklärt René Gunder, Erstautor der Arbeit.  „Wir wissen nun, dass Germanium die optische Bandlücke vergrößert und damit dem Material ermöglicht, einen größeren Anteil des Sonnenlichts in elektrische Energie umzuwandeln.“

Kesterite: Kandidaten für Solarzellen und Photokatalysatoren

Susan Schorr: „Wir sind davon überzeugt, dass solche Kesterite sich nicht nur für Solarzellen eignen, sondern auch für andere Anwendungen in Frage kommen: So könnten Kesterite als Photokatalysatoren mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten und Solarenergie in Form von chemischer Energie speichern“.

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