Grüne Energie: Wie Solarzellen leistungsfähiger werden

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Wirkungsgrad erhöhen

Wie kann der Anteil grüner Energie in industriellen Prozessen gesteigert werden? Wie kann man etwa den Wirkungsgrad von Solarzellen erhöhen und damit den Weg für höhere Nutzung regenerativer Energie ebnen? Torsten Schwarz aus der Gruppe „Nanoanalytik und Grenzflächen“ am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) , beschäftigt sich zwei Medienmitteilungen (deutsch – englisch) zufolge mit der Effizienzsteigerung von Solarzellen. Er untersuchte gemeinsam mit einem internationalen Forschungsteam aus Luxemburg und Portugal die Beziehung zwischen der Oberflächenbehandlung und der Defektkonzentration von Chalkogenid-Halbleitern, die in Solarzellen verwendet werden. Die Defektkonzentration beeinflusst nämlich maßgeblich die Leistungsfähigkeit von Solarzellen. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications und Nano Energy veröffentlicht.

PV-Modul (Polysilizium) – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Schwarz analysierte anhand der Oberflächenbehandlung von Chalkogenid-Halbleitern deren Defektkonzentrationen,  welche Anpassungen bei der Herstellung von Solarzellen notwendig sind, um bessere Leistungen zu erzielen: „Das Verständnis der Natur von Defekten, ihrer Konzentration und Mobilität während des Wachstums ist entscheidend für das Design vieler Technologien. Wir wissen bereits, dass wir die Eigenschaften von Halbleitern, die in der Photovoltaik eingesetzt werden, durch subtile Änderungen ihrer Wachstumsbedingungen während der Herstellung beeinflussen können. Gleichzeitig impliziert die Änderung der Wachstumsbedingungen ein variierendes chemisches Potenzial, was zu instabilen Grenzflächen führen kann, die schädliche chemische Reaktionen begünstigen. Im Falle des von uns verwendeten Chalkogenid-Halbleiters CuInSe2 (CISe) können solche schädlichen Reaktionen an der Oberfläche auftreten“, erklärt Schwarz.

Oberflächenbehandlung verursacht Defekte

Das Wachstum von CIS-Dünnschichten verläuft typischerweise an der Phasengrenze von Cu-arm zu Cu-reich und zurück zu Cu-arm, um die überlegene Mikrostruktur von Cu-reichen Schichten und die überlegenen elektrischen Eigenschaften von Cu-armen Schichten zu kombinieren und so die höchste Solarzelleneffizienz zu erreichen. Doch obwohl Cu-reiche Filme einen besseren Fingerabdruck ihrer optischen Eigenschaften zeigen, war bisher unbekannt, warum diese Filme eine schlechtere Leistung als ihre Cu-armen Gegenstücke zeigten. Eine weitere ungelöste Frage betrifft den Einfluss von Defektkonzentrationen auf die Leistung des Bauelements. Diese Defekte werden durch Oberflächenbehandlungen während der Herstellung der Solarzelle verursacht, insbesondere während die Zelle der Umgebungsluft, chemischen Ätzmitteln und Nachbehandlungen ausgesetzt wird, bevor sie durch eine Pufferschicht geschützt wird.

„Unsere Arbeit zeigt, dass die Einwirkung von Umgebungsluft auf die CISe-Oberfläche bereits bei Raumtemperatur die spontane Bildung von In2O3– und Cu2Se-Sekundärphasen bewirkt. Diese Reaktion findet in den Cu-reichen Proben viel schneller statt, da sie vermutlich durch die sehr mobilen und überschüssigen Cu-Atome katalysiert wird“, so Schwarz. Ein Schlüssel zu diesem Ergebnis war der Einsatz der Atomsondentomographie, um nachzuweisen, dass tatsächlich Domänen von wenigen Nanometern Größe mit einem Überschuss an Cu existieren. Das Cyanid-Ätzen ist notwendig, um das schädliche Cu2Se zu entfernen, das sonst zu einem Versagen des fertigen Bauelements führen würde. Dieser notwendige Ätzschritt entfernt jedoch nicht nur Cu2Se an der Oberfläche, sondern auch Cu- und Se-Atome bis zu einigen zehn Nanometern unterhalb der Oberfläche. Die Cu- und Se-Verarmung führt zur Bildung von Cu-Se-Divacancies-Defekten. Diese Defekte verursachen einen signifikanten Verlust der Leerlaufspannung. Sie existieren auch in Cu-armen CISe-Filmen, allerdings in einer viel geringeren Konzentration, und können durch Abscheidung einer Pufferschicht vollständig entfernt werden. „Gezielte chemische Behandlungen mit Elementen der Gruppe VI, wie O, S und Se, können die Anionenlücken besetzen und so die Divacancies passivieren. Wenn wir diesen Nachbehandlungen besondere Aufmerksamkeit schenken, können wir die Leistung der Solarzellen erhöhen“, sagt Schwarz.

Wirkungsgrad von Tandemsolarzellen mit CuInS2 (CIS)-Dünnschichten erhöhen

In einer weiteren Arbeit (in Science Direct) untersuchten Schwarz und seine Kollegen in Tandemsolarzellen eingesetzte CuInS2 (CIS)-Dünnschichten. Die Frage war hier, welche weiteren Anpassungen vorgenommen werden können, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, wenn die durch die Nachbehandlung verursachten Defekte überwunden werden können. Deshalb hat das Wissenschaftlerteam die Mikrostruktur dieser Schichten untersucht, insbesondere die Zusammensetzung von Defekten wie Korngrenzen. „Wir haben korrelierte Atomsondentomographie und Elektronenrückstreubeugung eingesetzt, um die Beziehung zwischen der Chemie und der Struktur dieser Defekte zu untersuchen. In unserer Arbeit zeigen wir, dass die Korngrenzen in Cu-reichen und Cu-armen Filmen sehr konträre Zusammensetzungen haben. Während sogenannte zufällige Korngrenzen in der Cu-armen Schicht Cu-Verarmung und In-Anreicherung zeigen, weisen diese Korngrenzen in der Cu-reichen Schicht Cu-Anreicherung und In-Verarmung auf. Dieses Phänomen konnten wir auch für einen speziellen Typ von Korngrenzen, die sogenannten ?9-Zwillingsgrenzen, bestätigen. Aber noch interessanter ist, dass wir, obwohl beide Filme auf einem Glassubstrat gewachsen waren und daher die gleichen Verunreinigungen an zufälligen Korngrenzen vermutet wurden, nur in der Cu-armen Probe Na- und K-Verunreinigungen nachweisen konnten. Im Gegensatz dazu fanden wir in den Cu-reichen Filmen unerwartet C an zufälligen Korngrenzen zusätzlich zu Na. Außerdem zeigten die ?3-Zwillingsgrenzen in beiden Filmen keinerlei chemische Fluktuationen“, erklärt Schwarz.

Die Wissenschaftler machen sich nun auf den Weg, den Ursprung und die Auswirkungen der Nachbehandlung und der Passivierung von Korngrenzen in Cu-reichen CIS-Schichten auf die Gesamtleistung von Solarzellen zu erforschen. (Text: Torsten Schwarz, Yasmin Ahmed Salem)

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