Tintendruck-Verfahren für Kesterit-Solarzellen
Die Zeichnung skizziert das Tintendruck-Verfahren für eine Kesterit-Schicht. © HZB
Querschnitt mit dem Rasterelektronenmikroskop durch eine gedruckte Kesterit-Solarzelle: auf einem Mo-Substrat befindet sich die aufgedruckte Kesterit-Schicht (CZTSSe). © HZB
Ein Team aus dem HZB hat ein neues Verfahren entwickelt, um mit einer speziellen Tinte Kesterit-Absorberschichten (CTZSSe) Tropfen für Tropfen auszudrucken. Solarzellen mit so produzierten Absorberschichten erreichten Wirkungsgrade von 6,4 %. Auch wenn dies noch deutlich unter den Rekordwerten für Kesterit-Solarzellen liegt, ist das Tintendruck-Verfahren interessant für die industrielle Produktion, da es extrem ökonomisch ist und kaum Abfälle erzeugt.
Ein Tintendrucker platziert Material genau dort, wo es benötigt wird. Daher verspricht dieses Verfahren eine deutliche Minimierung der Materialkosten. Zudem lässt sich das Verfahren auch für Rolle-zu-Rolle-Beschichtungen bei der industriellen Massenfertigung nutzen.
Kesterit-Tinte für das Aufschleuderverfahren verbessert
Dr. Xianzhong Lin vom Institut für Heterogene Materialsysteme des HZB hat nun mit einer Kesterit-Tinte gearbeitet, die ursprünglich entwickelt wurde, um auf ein rotierendes Substrat aufgeschleudert und verteilt zu werden. Dieses so genannte „Spin coating“ ist ein etabliertes Verfahren, bei dem allerdings ein erheblicher Teil der wertvollen Ausgangsmaterialien verschwendet wird. Lin optimierte die Kesterit-Tinte nun für ein am HZB entwickeltes Tintendruck-Verfahren. Dabei gelang es ihm, die Viskosität der Tinte gezielt zu beeinflussen, bis sie perfekt zum Produktionsverfahren passte, bei dem der Tintendruckkopf schrittweise über das Substrat geführt wird. Der so entstandene homogene Cu-Zn-Sn-S Vorläuferfilm wurde anschließend zu einer homogenen Kesterit-Schicht verbacken. Schon eine erste Optimierung führte zu Solarzellen mit Wirkungsgraden um 6,4 %.
Ökonomisch und umweltfreundlich: Kaum Abfall
„Der große Vorteil des Tintendruckverfahrens besteht darin, dass vergleichsweise wenig Material verloren geht: So sind weniger als 20 Mikroliter Tinte nötig, um eine Fläche von rund 6,5 Quadratzentimetern mit einer Kesterit-Schicht von einem Mikrometer zu beschichten“, sagt Lin. “Auch wenn der Wirkungsgrad jetzt noch weit von den 12,7% entfernt ist, die Kesterit-Zellen erreichen können, sehen wir in diesem Verfahren enorme Chancen für die industrielle Massenproduktion.”
Das Team arbeitet nun daran, das Verfahren zu optimieren und den Wirkungsgrad zu steigern. Ihr Ziel ist es, komplette Solarzellen auszudrucken, ohne auf teure Vakuum-Technologie angewiesen zu sein. „Die Arbeit zeigt einen neuen Weg, um einfach, preiswert und umweltfreundlich Dünnschicht-Solarzellen auf Kesterit-Basis zu produzieren“, sagt Institutsleiterin Prof. Dr. Martha Lux-Steiner.
Die Ergebnisse sind nun hier publiziert: X. Lin, J. Kavalakkatt, M. C. Lux-Steiner, A. Ennaoui, Inkjet-printed Cu2ZnSn(S, Se)4 solar cells, Adv. Sci. 2015.
DOI: 10.1002/advs.201500028
Former results have been published here : X. Lin, J. Kavalakkatt, N. Brusten, M. C. Lux-Steiner, A. Ennaoui, Inkjet printing of Kesterite and Chalcopyrite thin film absorbers for low cost photovoltaic application, in 29th Eur. PV Solar Energy Conf., Vol. 3DV.2.64, Amsterdam 2014, 1876.
- BESSY II: Phosphorketten – ein 1D-Material mit 1D elektronischen EigenschaftenErstmals ist es einem Team an BESSY II gelungen, experimentell eindimensionale elektronische Eigenschaften in einem Material nachzuweisen. Die Proben bestanden aus kurzen Ketten aus Phosphoratomen, die sich auf einem Silbersubstrat selbst organisiert in bestimmten Winkeln bilden. Durch eine raffinierte Auswertung gelang es, die Beiträge von unterschiedlich ausgerichteten Ketten voneinander zu trennen und zu zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften tatsächlich einen eindimensionalen Charakter besitzen. Berechnungen zeigten darüber hinaus, dass ein spannender Phasenübergang zu erwarten ist. Während das Material aus einzelnen Ketten halbleitend ist, wäre eine sehr dichte Kettenstruktur metallisch.
- Ein innerer Kompass für Meereslebewesen im PaläozänVor Jahrmillionen produzierten einige Meeresorganismen mysteriöse Magnetpartikel von ungewöhnlicher Größe, die heute als Fossilien in Sedimenten zu finden sind. Nun ist es einem internationalen Team gelungen, die magnetischen Domänen auf einem dieser „Riesenmagnetfossilien” mit einer raffinierten Methode an der Diamond-Röntgenquelle zu kartieren. Ihre Analyse zeigt, dass diese Partikel es den Organismen ermöglicht haben könnten, winzige Schwankungen sowohl in der Richtung als auch in der Intensität des Erdmagnetfelds wahrzunehmen. Dadurch konnten sie sich verorten und über den Ozean navigieren. Die neue Methode eignet sich auch, um zu testen, ob bestimmte Eisenoxidpartikel in Marsproben tatsächlich biogenen Ursprungs sind.
- Was vibrierende Moleküle über die Zellbiologie verratenMit Infrarot-Vibrationsspektroskopie an BESSY II lassen sich hochaufgelöste Karten von Molekülen in lebenden Zellen und Zellorganellen in ihrer natürlichen wässrigen Umgebung erstellen, zeigt eine neue Studie von einem Team aus HZB und Humboldt-Universität zu Berlin. Die Nano-IR-Spektroskopie mit SNOM an der IRIS-Beamline eignet sich, um winzige biologische Proben zu untersuchen und Infrarotbilder der Molekülschwingungen mit Nanometer-Auflösung zu erzeugen. Es ist sogar möglich, 3D-Informationen, also Infrarot-Tomogramme, aufzuzeichnen. Um das Verfahren zu testen, hat das Team Fibroblasten auf einer hochtransparenten SiC-Membran gezüchtet und in vivo untersucht. Die Methode ermöglicht neue Einblicke in die Zellbiologie.