Themen: Solarenergie (240) HZB-Eigenforschung (95)

Science Highlight    29.03.2018

Solarzellen aus Kesteriten: Germanium statt Zinn verspricht bessere optoelektronische Eigenschaften

Die Einblendung zeigt den typischen Aufbau eines Kristalls mit Kesteritstruktur, im Hintergrund sind die Kristallstruktur und die Elementarzelle angedeutet.
Copyright: HZB

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

Weitere Neuigkeiten aus der Kesterit-Forschung

arö


           



Das könnte Sie auch interessieren
  • <p>Das Enzym MHETase ist ein riesiges komplex gefaltetes Molek&uuml;l. MHET-Molek&uuml;le aus PET-Kunststoff docken an einer aktiven Stelle im Inneren der MHETase an und werden dort aufgespalten.</p>SCIENCE HIGHLIGHT      12.04.2019

    „Molekulare Schere“ für den Plastikmüll

    Ein Team der Universität Greifswald und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) hat an BESSY II die Struktur eines wichtigen Enzyms ("MHETase") entschlüsselt. Die MHETase wurde in einem Bakterium entdeckt und ist in der Lage, zusammen mit einem zweiten Enzym, der PETase, den weit verbreiteten Kunststoff PET in seine Grundbausteine zu zerlegen. Die 3D-Struktur der MHETase ermöglichte es den Forschern bereits, die Aktivität dieses Enzyms gezielt zu optimieren, um es zusammen mit der PETase für das nachhaltige Recycling von PET zu nutzen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. [...]


  • <p>Die Rasterelektronenmikroskopie zeigt einen Molybd&auml;nsulfidfilm, der bei Raumtemperatur aufgebracht wurde.</p>SCIENCE HIGHLIGHT      04.04.2019

    Katalysatorforschung für Solare Brennstoffe: Amorphes Molybdänsulfid funktioniert am besten

    Für die Produktion von Wasserstoff mit Sonnenlicht werden effiziente und preisgünstige Katalysatoren gebraucht. Molybdänsulfide gelten als gute Kandidaten. Nun hat ein Team am HZB aufgeklärt, welche Prozesse während der Katalyse an  Molybdänsulfiden ablaufen und wieso ausgerechnet amorphes Molydänsulfid am besten funktioniert. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal ACS-Catalysis veröffentlicht. [...]




Newsletter