Atomwanderung im Grenzgebiet: Mit bislang unerreichter Auflösung analysieren Forscher Korngrenzen in Dünnschichtsolarzellen
In CIS/CIGSe-Solarzellen ist die Dichte an Korngrenzen hoch.
HZB-Wissenschaftler konnten mit bislang unerreichter Auflösung
Atomlagen unmittelbar an den Grenzflächen analysieren.
Foto: HZB
Aufbau einer CIGSe-Solarzelle
© HZB
Dünnschichtsolarzellen werden zukünftig einen großen Anteil am Photovoltaik-Markt haben, davon sind viele Experten überzeugt. Die Zellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid oder -Sulfid (CIGSe, CIS) unterscheiden sich in vielen Dingen von der klassischen Siliziumsolarzelle. So tragen in kristallinen Siliziumsolarzellen Korngrenzen substantiell zum Stromverlust bei. Mit CIGSe-Absorbern werden dagegen Wirkungsgrade von mehr als 20 Prozent erreicht, obwohl die polykristallinen Dünnschicht-Materialien eine hohe Dichte an Korngrenzen aufweisen. Woran das liegt, ist bislang noch ungeklärt.
Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) konnten nun erstmals experimentell belegen, wie die Korngrenzen innerhalb einer Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Dünnschichtsolarzelle atomar tatsächlich aussehen. Diese Einblicke hat das HZB-Team zusammen mit britischen Kollegen vom SuperSTEM (EPSRC National Facility for Aberration Corrected STEM) gewonnen und in der Fachzeitschrift Physical Review Letters publiziert (DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.075502).
Mit hochauflösender Mikroskopie haben die Wissenschaftler um Daniel Abou-Ras Regionen an den Korngrenzen identifiziert, die im Vergleich zum Korninneren eine andere chemische Zusammensetzung haben. Das Besondere daran: solche Regionen mit veränderter Komposition sind zum Teil weniger als ein Nanometer breit. „Noch nie hat jemand mit einer solchen Auflösung Informationen über die Struktur und Zusammensetzung von Korngrenzen an CIGSe-Material erhalten“, berichtet Daniel Abou-Ras vom Institut für Technologie des HZB.
„Wir können erkennen, dass sich in den Atomlagen direkt an den Korngrenzen Atome umlagern. Zum Beispiel diffundieren Kupfer-Atome weg, dafür nehmen Indium-Atome deren Plätze im Kristallgitter ein, und umgekehrt“, erläutert Abou-Ras. Ebenso können Selen-Atome verschwinden und durch Sauerstoffatome ersetzt werden, die als Verunreinigung aus dem Glassubstrat in die Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Schicht diffundieren.
„Eine solche atomare Rekonstruktion an der Korngrenze wird seit einigen Jahren kontrovers diskutiert. Jetzt konnten wir diese erstmals mit Auflösungen im Subnanometerbereich experimentell belegen“, sagt Daniel Abou-Ras.
Die neuen Erkenntnisse wollen die Forscher nun nutzen, um aussagekräftige Bauelementsimulationen an Solarzellen durchzuführen. „Dies alles ist immer noch Grundlagenforschung“, so der Physiker. „Aber sie bringt uns weiter, um die Funktionsweise von Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Solarzellen besser zu verstehen.“
- Hatice Mutlu an das Helmholtz-Institut HIPOLE in Jena berufenProf. Dr. Hatice Mutlu ist neue Professorin für Nachhaltige Polymerchemie am HIPOLE Jena, dem Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen. Am 17. August 2026 besuchte sie den HZB-Campus in Berlin-Adlershof, besichtigte die Röntgenquelle BESSY II und tauschte sich mit Forschenden und der Geschäftsführung über die künftige Zusammenarbeit aus.
- Grüner Wasserstoff mit PEC-Elektrolyseuren: Die Transportprozesse im BlickEine Option, um die Energie des Sonnenlichts zu speichern, ist die Erzeugung von Wasserstoff in PEC-Elektrolyseuren. Die Aufskalierung dieser Technologie ist allerdings noch eine Herausforderung. Ein Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat nun mit 2D-Fluoreszenz-Bildgebung und Partikelvelozimetrie beobachtet, wie sich Ionen und gelöste Gase im Elektrolyten während der Elektrolyse bewegen. Die Einblicke sind neu und können bei der Entwicklung von größeren PEC-Elektrolyseuren nützlich sein.
- Neues Kontaktmaterial steigert Wirkungsgrad von Perowskit-SolarzellenEin neu entwickeltes Material für den Elektronenkontakt verbessert die Wirkungsgrade von Perowskit-Einzelsolarzellen und Perowskit/Silizium Tandemsolarzellen. Das neue Material basiert auf einem Carboran-Molekül und bietet gegenüber dem bisher genutzten Standardmaterial aus so genannten Fußballmolekülen eine Reihe von Vorteilen, zeigt die Studie, die federführend von einem Team um Steve Albrecht erarbeitet wurde. Inzwischen ist das Material patentiert und kommerziell erhältlich.