Solarzellen aus Kesteriten: Germanium statt Zinn verspricht bessere optoelektronische Eigenschaften

Durch gezielte Veränderungen der Zusammensetzung von Kesterit-Halbleitern lässt sich ihre Eignung als Absorbermaterial in Solarzellen verbessern. Wie ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin zeigte, gilt dies besonders für Kesterite, in denen Zinn durch Germanium ersetzt wurde. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchten die Proben mit Hilfe von Neutronenbeugung am BER II und weiteren Methoden. Die Arbeit wurde für das Titelblatt der Zeitschrift CrystEngComm ausgewählt.

Kesterite sind Halbleiterverbindungen aus den Elementen Kupfer, Zinn, Zink und Selen. Diese Halbleiter lassen sich als Absorbermaterial in Solarzellen nutzen, schaffen aber bisher nur Wirkungsgrade von maximal 12,6 Prozent, während Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) bereits über 20 Prozent erreichen. Dennoch gelten Kesterite als interessante Alternative zu CIGS-Solarzellen, weil sie aus häufig vorkommenden Elementen bestehen, so dass keine Engpässe zu erwarten sind. Ein Team um Professor Dr. Susan Schorr am HZB hat nun eine Reihe von „nicht-stöchiometrischen“ Kesterit-Proben untersucht und den Zusammenhang zwischen Zusammensetzung und optoelektronischen Eigenschaften beleuchtet. Bei der Synthese der Proben am HZB wurden die Zinn-Atome durch Germanium ersetzt.

Mit Neutronen Elemente klar unterscheiden

Diese Proben untersuchten die Forscher mit Neutronenbeugung am BER II. Denn mit dieser Methode lassen sich die Elemente Kupfer, Zink und Germanium besonders gut voneinander unterscheiden und ihre Positionen im Kristallgitter verorten. Die Diagnose: Kesterite mit einer leicht Kupfer-armen und Zink-reichen Zusammensetzung, wie sie auch in Solarzellen mit den höchsten Wirkungsgraden zu finden ist, weisen die geringste Konzentration an Punktdefekten sowie die niedrigste Kupfer-Zink-Unordnung auf. Je Kupfer-reicher die Zusammensetzung wird, desto mehr steigt die Konzentration von anderen Punktdefekten, die als eher abträglich für die Leistungsfähigkeit von Solarzellen gelten. Weitere Untersuchungen zeigten, wie die so genannte Energiebandlücke von der Zusammensetzung der Kesterit-Pulverproben abhängt.  

Germanium wirkt

 „Diese Bandlücke ist eine Eigenschaft der Halbleiter und bestimmt, welche Lichtfrequenzen im Material Ladungsträger freisetzen“, erklärt René Gunder, Erstautor der Arbeit.  „Wir wissen nun, dass Germanium die optische Bandlücke vergrößert und damit dem Material ermöglicht, einen größeren Anteil des Sonnenlichts in elektrische Energie umzuwandeln.“

Kesterite: Kandidaten für Solarzellen und Photokatalysatoren

„Wir sind davon überzeugt, dass solche Kesterite sich nicht nur für Solarzellen eignen, sondern auch für andere Anwendungen in Frage kommen: So könnten Kesterite als Photokatalysatoren mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten und Solarenergie in Form von chemischer Energie speichern“, führt Susan Schorr aus.  

Die Arbeit wurde in CrystEngComm (2018) publiziert: “Structural characterization of off-stoichiometric kesterite-type Cu₂ZnGeSe₄ compound semiconductors: From cation distribution to intrinsic point defect density”; R. Gunder, J. A. Márquez-Prieto, G. Gurieva, T. Unold and S. Schorr

DOI: 10. 1039/c7ce02090b

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