Der Einbau von Fremdelementen (Ansatz)
Die gezielte Modifikation der Absorberschichten durch Fremdelemente führt zu einer starken Änderung der elektro-optischen Eigenschaften des Absorbermaterials und der Solarzellenparameter.
Einerseits kann die Leitfähigkeit des Absorbermaterials, durch Fremddotierung mit Silber erniedrigt werden wodurch der Abfall des Wirkungsgrads bei verminderter Beleuchtungsintensität verbessert wird. Andererseits wird, durch die Beimischung von Zink bei der Absorberherstellung die offene Klemmspannung der Solarzelle erhöht. Letzteres kann auch durch die Legierung des CuInS2 mit Gallium erreicht werden.
Während die theoretisch maximalen Kurzschlussströme von CuInS2 -Solarzellen annähernd erreicht werden, ist die Erhöhung der Leerlaufspannung der Schlüssel zur Steigerung der Effizienz. Der Einbau von beispielsweise Zink und Magnesium führt zu einer Erhöhung der Leerlaufspannung von bis zu 100 mV. Allerdings wird bislang eine gleichzeitige Abnahme der Kurzschlussstromdichte beobachtet (siehe Abbildung 1). Die gezielte Beimengung von Fremdelementen ist dennoch ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung des Wirkungsgrads.
Von materialwissenschaftlicher Seite ist besonders die Beobachtung drastischer Änderungen der optischen und strukturellen Eigenschaften des Absorbermaterials interessant. Schon geringe Mengen (<1at.%) von Zink führen im Photolumineszenzspektrum zu einer neuen dominierenden Emissionslinie, welche im Modell fluktuierender Potentiale erklärt wird (siehe Photolumineszenzspektroskopie).
Messungen der Ramanspektroskopie zeigen einerseits eine unveränderte Halbwertsbreite und Position der A1-CH-Mode, welche in Standard-CuInS2 das Spektrum dominiert. Andererseits wird eine Intensitätszunahme einiger Nebenmoden gefunden. Der strukturelle Einfluss wird besonders deutlich bei Cu-arm präparierten Dünnschichten: In unbehandelten CuInS2 taucht neben der A1-CH-Mode eine A1-CuAu-Mode, welche durch die Umordnung des Kationenuntergitters entsteht, im Ramanspektrum auf. Durch den Einbau von 0.5at.% Zink kann diese A1-CuAu-Mode unterdrückt werden (siehe Abbildung 2).
Der Einbau von Zink (in der Abbildung 0.5 at.%) führt zu einer deutlichen Erhöhung der Leerlaufspannung. Andererseits beobachtet man auch einen Einbruch in der Kurzschlussstromdichte.
Bei Cu-armen Schichten findet man im Ramanspektrum durch den Einbau Zink (in der Abbildung 0.5 at.%) eine starke strukturelle Veränderung. Während bei Standardproben die CuAu-Mode deutlich im Spektrum bei etwa 305 cm-1 zu erkennen ist, wird diese durch den Einbau von Zink in die Absorberschicht stark unterdrückt.
