Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Durchbruch bei Dünnfilm-Solarzellen: Neue Erkenntnisse zum Indium-Gallium-Rätsel

13.07.2010
Forschungskooperation erwartet deutliche Verbesserung des
Wirkungsgrads bei CIGS-Dünnfilm-Solarzellen

Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist ein wichtiger Durchbruch bei der Suche nach effizienteren Dünnfilm-Solarzellen gelungen. Computersimulation zum sogenannten Indium-Gallium-Rätsel weisen einen neuen Weg zur Effizienzsteigerung von CIGS-Dünnfilm-Solarzellen.

Bisher liegt der Wirkungsgrad der CIGS-Zellen bei etwa 20 Prozent, während im Prinzip Wirkungsgrade von über 30 Prozent möglich sind. Die Arbeiten der Mainzer Wissenschaftler, die im Rahmen des mit Bundesmitteln geförderten comCIGS-Projekts erfolgen, wurden in der jüngsten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Dünnfilm-Solarzellen haben einen stetig wachsenden Anteil am Solarzellen-Markt. Da sie nur wenige Mikrometer dick sind, sparen sie Material- und Herstellungskosten. Den höchsten Wirkungsgrad von derzeit etwa 20 Prozent erzielen CIGS-Dünnfilm-Solarzellen, in denen das Sonnenlicht durch eine dünne Schicht absorbiert wird, die aus Kupfer, Indium, Gallium, Selen und Schwefel besteht. Der theoretisch mögliche Wirkungsgrad ist aber noch lange nicht erreicht.

In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Claudia Felser werden an der Universität Mainz die Eigenschaften des CIGS-Materials, dessen genaue Formel Cu(In,Ga)(Se,S)2 lautet, mit Hilfe von Computersimulationen untersucht. Die Arbeiten sind Teil des vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten comCIGS-Projektes, in dem die Firmen IBM Mainz und die Schott AG gemeinsam mit der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und der Universität Jena an der Optimierung von CIGS-Solarzellen forschen. Dabei beschäftigte die Wissenschaftler speziell das seit Jahren ungeklärte Indium-Gallium-Rätsel: Obwohl bisherige Rechnungen ein optimales Indium-Gallium-Verhältnis von 30:70 vorhergesagt haben, findet man in der Praxis die höchste Effizienz bei einem genau umgekehrten Verhältnis von 70:30.

Unterstützt durch die IBM Mainz stellte Christian Ludwig im Arbeitskreis Felser nun neue Rechnungen mit Hilfe eines Hybridverfahrens an, das eine Kombination aus Dichte-Funktional-Rechnungen und Monte-Carlo-Simulationen ist. „Mit Dichte-Funktional-Rechnungen werden quantenmechanisch die Energien lokaler Strukturen berechnet. Die Ergebnisse dienen dazu, um mit Monte-Carlo-Simulationen Temperatureffekte auf großen Längenskalen zu bestimmen“, erläutert Dr. Thomas Gruhn, Leiter der Theoriegruppe im Arbeitskreis Felser, die verwendete Methode. Christian Ludwig bedient sich bei seinen Untersuchungen eines Großrechners, den die Universität kürzlich von IBM im Rahmen eines Shared University Research (SUR) Wissenschaftspreises erhalten hat.

Produktion bei höheren Temperaturen fördert die Homogenität des Materials

Mit Hilfe der Simulationen wurde gefunden, dass die Indium- und Gallium-Atome nicht gleichmäßig im CIGS-Material verteilt sind. Knapp unterhalb der normalen Raumtemperatur existiert eine Phase, in der Indium und Gallium komplett getrennt vorliegen. Oberhalb der Entmischungstemperatur bilden sich verschieden große Cluster aus Indium- oder Gallium-Atomen. Je höher die Temperatur, desto homogener wird das Material. Es konnte nun gezeigt werden, dass das galliumreiche CIGS stets inhomogener als das indiumreiche CIGS ist. Die höhere Inhomogenität verschlechtert die optoelektronischen Eigenschaften des galliumreichen Materials, was zu der bis dato unverstandenen schlechten Effizienz der galliumreichen CIGS-Zellen beiträgt. Aus den Berechnungen ergibt sich auch ein konkreter Hinweis für die Herstellung der CIGS-Solarzellen. Findet der Herstellungsprozess bei höherer Temperatur statt, so wird das Material deutlich homogener. Wenn es danach hinreichend schnell abgekühlt wird, bleibt die gewünschte Homogenität erhalten.

In der Praxis war die Prozesstemperatur bisher stets durch die begrenzte Hitzebeständigkeit des Glases limitiert, das als Substrat für die Solarzellen dient. In dieser Hinsicht ist nun kürzlich ein entscheidender Durchbruch gelungen. Die Schott AG hat ein spezielles Glas entwickelt, mit dem die Prozesstemperatur auf deutlich über 600°C erhöht werden konnte. Das Ergebnis sind wesentlich homogenere Zellen. Ein neuer Effizienzrekord für die Zellen ist damit zum Greifen nah. Aber das comCIGS-Projekt denkt schon weiter. „Zurzeit wird an großformatigen Solarzellen gearbeitet, die die marktüblichen Zellen an Effizienz überbieten sollen“, kündigte Gruhn an. „Die Chancen dafür stehen gut.“

Veröffentlichung:
Christian D. R. Ludwig, Thomas Gruhn, Claudia Felser, Tanja Schilling, Johannes Windeln, Peter Kratzer
Indium-Gallium Segregation in CuInxGa1-xSe2: An Ab Initio–Based Monte Carlo Study
Physical Review Letters 105, 025702, 9 July 2010
DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.025702
Weitere Informationen:
PD Dr. Thomas Gruhn
Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-22703
Fax +49 6131 39-26267
E-Mail: gruhn@uni-mainz.de

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.staff.uni-mainz.de/gruhn/gruhn.html
http://www.superconductivity.de/
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v105/i2/e025702

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Leuchtende Nanoarchitekturen aus Galliumarsenid
22.02.2018 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Neuer Sensor zur Messung der Luftströmung in Kühllagern von Obst und Gemüse
22.02.2018 | Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics