Atomwanderung im Grenzgebiet: Mit bislang unerreichter Auflösung analysieren Forscher Korngrenzen in Dünnschichtsolarzellen

In CIS/CIGSe-Solarzellen ist die Dichte an Korngrenzen hoch.<br />HZB-Wissenschaftler konnten mit bislang unerreichter Aufl&ouml;sung<br />Atomlagen unmittelbar an den Grenzfl&auml;chen analysieren.<br />Foto: HZB

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<br />

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.“

Das könnte Sie auch interessieren

  • Stabilität von Perowskit-Solarzellen erreicht den nächsten Meilenstein
    Science Highlight
    27.01.2023
    Stabilität von Perowskit-Solarzellen erreicht den nächsten Meilenstein
    Perowskit-Halbleiter versprechen hocheffiziente und preisgünstige Solarzellen. Allerdings reagiert das halborganische Material sehr empfindlich auf Temperaturunterschiede, was im normalen Außeneinsatz rasch zu Ermüdungsschäden führen kann. Gibt man jedoch eine dipolare Polymerverbindung zur Vorläuferlösung des Perowskits hinzu, verbessert sich die Stabilität enorm. Dies zeigt nun ein internationales Team unter der Leitung von Antonio Abate, HZB, im Fachjournal Science. Die so hergestellten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von deutlich über 24 Prozent, die selbst bei dramatischen Temperaturschwankungen zwischen -60 und +80 Grad Celsius über hundert Zyklen kaum sinken. Das entspricht etwa einem Jahr im Außeneinsatz.

  • NETZWERKTAG der Allianz für Bauwerkintegrierte Photovoltaik
    Nachricht
    24.01.2023
    NETZWERKTAG der Allianz für Bauwerkintegrierte Photovoltaik
    Der 2. Netzwerktag der Allianz BIPV findet statt am

    14.02.2023
    10:00 - ca. 16:00 Uhr

    Das HZB, Mitglied in der Allianz BIPV, freut sich, Gastgeber des branchenweiten Austausches zu sein. Neben Praxiserfahrungen von Vertretenden aus Architektur, Fassadenbau und angewandter Forschung steht der direkte Austausch und die Diskussion im Vordergrund.

  • Webinar | Ausgezeichnete Solararchitektur: Ausgewählte Projekte aus dem Architekturpreis gebäudeintegrierte Solartechnik 2022
    Nachricht
    17.01.2023
    Webinar | Ausgezeichnete Solararchitektur: Ausgewählte Projekte aus dem Architekturpreis gebäudeintegrierte Solartechnik 2022
    Die Solarenergienutzung an Gebäuden ist ein zentrales Thema auf dem Weg zur Klimaneutralität. Solartechnische Systeme sollten selbstverständliche Bestandteile innovativer Gebäudehüllen wie auch Bausteine energetischer Sanierung sein.