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Synchrotron-Analytik bei BESSY
Synchrotrondiagnostik zur Unterstützung der Material- und Technologieentwicklung für kostengünstige Cu(In,Ga)(S,Se)2-Photovoltaikmodule
Inhalt
Synchrotronstrahlung verbessert Verständnis von Grenzflächen in Dünnschichtsolarzellen
Die Arbeitsgruppe CIS-Synchrotron-Diagnostik („CISSY“) des Instituts für Heterogene Materialsysteme arbeitet bei BESSY II, dem Elektronenspeicherring in Berlin-Adlershof. Sie nutzt Röntgenstrahlung mit einer Energie zwischen 30 eV und 10000 eV, um die Grenzflächen in Dünnschichtsolarzellen mit solchen spektroskopischen Methoden zu untersuchen, die auf Synchrotronstrahlung angewiesen sind. Ziel dieser Arbeiten ist die Untersuchung realer Solarzellen in enger Kooperation mit der Industrie.
Die CISSY-Apparatur
In der CISSY-Apparatur können einzelne Schritte der Präparation von Dünnschichtsolarzellen durchgeführt und anschließend die so hergestellten Schichten ohne Transport durch die Luft und damit ohne Kontamination unmittelbar analysiert werden. Präparationsmethoden, die möglichst den in der Industrie eingesetzten entsprechen sollen, sind das Magnetronsputtern (für transparente Fensterschichten), das am HMI entwickelte ILGAR-Verfahren und verschiedene nasschemische Depositionsverfahren (für Pufferschichten zwischen dem absorbierenden Solarzellenbasismaterial und den Fensterschichten).
Da die Strahlzeiten am Synchrotronstrahlrohr pro Nutzergruppe jeweils nur für wenige Wochen im Jahr vergeben werden und das Strahlrohr anschließend für andere Gruppen zur Verfügung gestellt wird, muss die ganze Apparatur transportabel sein; mit vier Rollen ausgestattet, lässt sich die zwei Tonnen schwere Anlage an das Strahlrohr heranrollen und nach Ablauf der Strahlzeit wieder in das nur wenige hundert Meter entfernte Labor für die nächsten Vorversuche bringen.
Abb.: CISSY-Apparatur (J. Reichardt)
Die Analytik
Zwei Spektrometer werden zur Analyse eingesetzt: Ein oberflächenempfindliches Photoelektronenspektrometer (PES) (Informationstiefe ca. 5 nm) und ein eher tiefensensitives Röntgenemissionsspektrometer (XES) mit einer materialabhängigen Informationstiefe von ungefähr 100 nm. Dieses ermöglicht die Analyse von verborgenen Grenzflächen in Schichtsystemen, wie zum Beispiel der Pufferschicht/Absorber-Grenzfläche in Chalkopyritsolarzellen. Beide Verfahren ermöglichen es, das Vorhandensein von Elementen aufgrund charakteristischer Spektren nachzuweisen. Weiterhin kann aber auch die chemische Umgebung bestimmt werden, d.h. der Oxidationszustand des fraglichen Elements und die Elemente der Bindungspartner können ebenfalls aus den Spektren ermittelt werden. Damit verfügt CISSY über ein hochempfindliches Instrumentarium, um die Vorgänge bei der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen, aber auch bei unter Umständen auftretenden Degradationen zu untersuchen. Durch die direkt an die Anlage angeschlossenen Präparationsmodule ist es möglich, schrittweise Schichtensysteme aufzubauen und immer wieder spektroskopisch zu untersuchen, ohne die Proben durch die Luft zu transportieren und damit zu verunreinigen. Durch die Nutzung BESSY-eigener Apparaturen (HIKE, LIQUIDROM, SURICAT) wird das Spektrum der Untersuchungsmethoden noch wesentlich erweitert.
Bisherige Arbeiten der CISSY-Gruppe
Eine Vielzahl von Untersuchungen wurde in den letzten beiden Jahren an der CISSY-Apparatur durchgeführt. Von den Möglichkeiten der CISSY-Apparatur profitieren inzwischen nicht nur die Forschergruppen aus dem Institut für Heterogene Materialsysteme, sondern auch Wissenschaftler aus anderen Abteilungen des HMI und sogar aus ganz Deutschland.
