Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

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Forschung

Ein Forschungsschwerpunkt der Fachgruppe sind Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Chalkogeniden. Die lichtabsorbierenden Schichten des Typs Cu(In,Ga)(Se,S)2, Cu2ZnSn(Se,S)4 oder anderer Chalkogenide sind dabei in eine dünne Heterostrukturschicht eingebunden, ähnlich wie in Abb. 1 gezeigt. Forschungsschwerpunkte hier sind:

  • Verbesserung der Effizienz moderner Cu(In,Ga)(Se,S)2 – Solarzellen
  • Verständnis der Begrenzung der Stromausbeute
  • Untersuchung von Prozessabläufen zur Erreichung hoher Produktivität bei geringen Kosten
  • In-line und off-line Verfahren zur Prozesskontrolle und Qualitätsbeurteilung
  • Entwicklung neuer Heterostrukturkomponenten, insbesondere Absorberschichten
  • Modellierung des elektronischen Transportes
Abb. 1 Rasterelektronenmikroskopische Querschittsaufnahme einer Mo/Cu(In,Ga)Se2/CdS/ZnO – Solarzelle auf Glas. Die dünnen Schichten aus MoSe2 (~10 nm) and CdS (~50 nm) sind in der Aufnahme nicht sichtbar. Das Prinzip der Heterostruktur-Solarzelle ist einfach: Durch asymmetrische Kontakte (auf der einen Seite CdS/ZnO und auf der anderen Mo) fließen die Ladungsträger, Elektronen und Löcher, in entgegengesetzte Richtungen. Dadurch entsteht der Photostrom, der als Energiequelle nutzbar ist.

Abb. 1 Rasterelektronenmikroskopische Querschittsaufnahme einer Mo/Cu(In,Ga)Se2/CdS/ZnO – Solarzelle auf Glas. Die dünnen Schichten aus MoSe2 (~10 nm) and CdS (~50 nm) sind in der Aufnahme nicht sichtbar. Das Prinzip der Heterostruktur-Solarzelle ist einfach: Durch asymmetrische Kontakte (auf der einen Seite CdS/ZnO und auf der anderen Mo) fließen die Ladungsträger, Elektronen und Löcher, in entgegengesetzte Richtungen. Dadurch entsteht der Photostrom, der als Energiequelle nutzbar ist.

Abb. 1 Rasterelektronenmikroskopische Querschittsaufnahme einer Mo/Cu(In,Ga)Se2/CdS/ZnO – Solarzelle auf Glas. Die dünnen Schichten aus MoSe2 (~10 nm) and CdS (~50 nm) sind in der Aufnahme nicht sichtbar. Das Prinzip der Heterostruktur-Solarzelle ist einfach: Durch asymmetrische Kontakte (auf der einen Seite CdS/ZnO und auf der anderen Mo) fließen die Ladungsträger, Elektronen und Löcher, in entgegengesetzte Richtungen. Dadurch entsteht der Photostrom, der als Energiequelle nutzbar ist.

Zur Dünnschichtherstellung in unserer Gruppe wird die Gasphasenabscheidung im Vakuum genutzt, eine Technik, die auch in der kommerziellen Produktion angewendet wird. Verschiedene Dämpfe chemischer Elemente werden zum beheizten Substrat gerichtet (Abb. 2). In-situ Techniken wie Laserlichtstreuung geben ein Echtzeitsignal über das  Schicht-wachstum. Verwendbar sind verschiedene Substrate. Im in Abb. 2 gezeigten Aufbau werden nur die Absorberschichten wie Cu(In,Ga)Se2 hergestellt. Andere Abscheidungsmethoden für die in Abb. 1 gezeigte Zelle sind Sputtern (Mo, ZnO) und chemische Bäder (CdS), die in verschiedenen Konfigurationen durchgeführt werden. Die dünne Schicht MoSe2 ist ein Reaktionsprodukt der polykristallinen Molybdänschicht mit der Selen-Atmosphäre.

Abb. 2 Skizze einer physikalischen Gasabscheidung (PVD - physical vapour deposition) für die gleichzeitige Verdampfung von verschiedenen Elementen. In der Regel werden nicht-kristalline Substrate verwendet, die ein polykristallines Schichtwachstum hervorrufen. Das Aufwachsen einer Halbleiterschicht erfordert kristalline Substrate und wird nur gelegentlich zu Forschungszwecken durchgeführt.

Abb. 2 Skizze einer physikalischen Gasabscheidung (PVD - physical vapour deposition) für die gleichzeitige Verdampfung von verschiedenen Elementen. In der Regel werden nicht-kristalline Substrate verwendet, die ein polykristallines Schichtwachstum hervorrufen. Das Aufwachsen einer Halbleiterschicht erfordert kristalline Substrate und wird nur gelegentlich zu Forschungszwecken durchgeführt.

Abb. 2 Skizze einer physikalischen Gasabscheidung (PVD - physical vapour deposition) für die gleichzeitige Verdampfung von verschiedenen Elementen. In der Regel werden nicht-kristalline Substrate verwendet, die ein polykristallines Schichtwachstum hervorrufen. Das Aufwachsen einer Halbleiterschicht erfordert kristalline Substrate und wird nur gelegentlich zu Forschungszwecken durchgeführt.

Ein weiterer Forschungsaspekt sind quaternäre Halbleiter auf Basis von Kupfer, Zink, Zinn und Schwefel bzw. Selen (sogenannte Kesterite). Sie können eine interessante Alternative zu konventionellen Absorbern für Dünnschichtsolarzellen sein, da deren Ausgangsmaterialien ungiftig und in großer Menge auf der Erde vorhanden sind. In der Fachgruppe werden Absorber aus Kesteriten entwickelt und die Eigenschaften daraus hergestellter Solarzellen untersucht (Abb. 3). Dafür steht ebenfalls eine PVD-Anlage zur Verfügung, in der die dünnen Schichten mittels thermischem Koverdampfen abgeschieden werden. Diese ist mit einem Röntgendiffraktometer kombiniert, das eine in-situ Untersuchung der Schichtbildungsprozesse ermöglicht.

Im Fokus stehen insbesondere:

  • die Untersuchung der Prozesse der Schichtbildung mittels in-situ und ex-situ Methoden
  • die Entwicklung neuer Präparationspfade mit verbesserten Schichteigenschaften
  • die Entwicklung von Verfahren zur in-situ Prozesskontrolle
  • die Untersuchung der Verlustmechanismen von Kesterit-Solarzellen
Abb. 3 zeigt links die rasterelektronenmikroskopische Querschnittsaufnahme einer Absorberschicht aus Cu2ZnSnSe4 (CZTS) und rechts den Aufbau einer CZTS-Solarzelle.

Abb. 3 zeigt links die rasterelektronenmikroskopische Querschnittsaufnahme einer Absorberschicht aus Cu2ZnSnSe4 (CZTS) und rechts den Aufbau einer CZTS-Solarzelle.

Abb. 3 zeigt links die rasterelektronenmikroskopische  Querschnittsaufnahme einer Absorberschicht aus Cu2ZnSnSe4 (CZTS) und rechts den Aufbau einer CZTS-Solarzelle.

Die Forschungsschwerpunkte werden in verschiedenen Projekten bearbeitet, so in

  • REM-Solar  "Reduction of Erth Metals in Chalkopyrite-based Solar Cells", BMBF, 2012 - 2017
  • EFFCIS „Effizienzoptimierung von CIS-basierten Dünnschichtsolarzellen und –modulen“ BMWi, 2016 – 2019
  • STARCELL „ Advances Strategies for Substitution of Critical Raw Materials in Photovoltaics“, EC-Horizon 2020, 2017-2019,  www.starcell.eu
  • DFG-Projekt “ Mikroskopisches Transportmodell für reale Solarzellenstrukturen: Einfluss struktureller Unordnung und Defekte auf Ladungsträgertransport und -dynamik in CuIn1-xGaxSe2“ DFG, 2015-2018

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