Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

HZB-Team entwickelt Chalkopyrit-Solarzellen ohne Kadmium-haltige Pufferschicht

19.12.2013
Eine einzige Schicht übernimmt die Funktion von vormals zwei Schichten, das nasschemische Verfahren entfällt. Trotz der vereinfachten Herstellung sind Wirkungsgrade von über 18 Prozent erreichbar.

Eine Chalkoyprit-Dünnschichtsolarzelle besteht in der Regel aus fünf Schichten, die jeweils eine ganz bestimmte elektronische Funktion erfüllen. Jede dieser Schichten ist über die Jahre optimiert worden, so dass Chalkopyrit-Solarzellen inzwischen sehr hohe Wirkungsgrade von mehr als 20 Prozent erreichen.


Chalkoyprit-Dünnschichtsolarzellen bestehen in der Regel aus fünf Schichten (links). Am HZB ist es gelungen, die kadmium-haltige Pufferschicht einzusparen. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess. R. Klenk/HZB

Andererseits ist es wirtschaftlich interessant, die Produktionsschritte zu reduzieren und die Funktionalität verschiedener Schichten in einer Einzelnen zusammenzufassen. „Eine Schicht, die man besonders gerne einsparen würde, ist die Pufferschicht aus einer Kadmium-Schwefel-Verbindung“, erklärt Dr. Reiner Klenk vom Institut für Heterogene Materialsysteme am HZB. Denn diese Schicht wird in einem nass-chemischen Verfahren hergestellt, das problematische Chemikalien benötigt und sich schlecht in die Kette der ansonsten trockenen, physikalischen Abscheidemethoden integrieren lässt.

Die HZB-Forscher haben nun die über der Pufferschicht liegende i-Zinkoxid-Schicht so modifiziert, dass sie die Funktion der Pufferschicht mit übernimmt. Diese Zinkoxid-Schicht wird dadurch hergestellt, dass ein Zinkoxid-Target als Kathode mit Plasma zerstäubt wird und sich auf der Probe ablagert.

Dieser Prozess ist als Sputtern bekannt. Ob es auch funktionieren würde direkt auf die Chalkopyrit-Absorberschicht zu sputtern, war allerdings unklar. Denn die Chalkopyrit-Schicht gilt als empfindlich, eine Aufgabe der Pufferschicht sollte gerade darin bestehen, diese empfindliche Schicht vor dem Beschuss mit energetischen Teilchen während der Kathodenzerstäubung zu schützen. Tatsächlich war in früheren Arbeiten stets ein Verlust an Wirkungsgrad zu beobachten.

„Der Durchbruch wurde schließlich dadurch erzielt, dass wir für die i-Schicht eine Verbindung aus Zink (Zn), Sauerstoff (O) und Schwefel (S) gewählt haben“, erklärt Alexander Steigert. Dafür zerstäubten sie zunächst in einer Anlage mit angeflanschtem Oberflächenanalysesystem („CISSY“) eine ZnS-Kathode in Gasgemischen mit unterschiedlichem Sauerstoffanteil.

Die Schichteigenschaften als Funktion des S/(S+O) Verhältnisses wurden bestimmt und erste Bauelemente gefertigt, die gut funktionierten. Nachdem das optimale Verhältnis gefunden war, wurde ein entsprechend gemischtes Target eingebaut. Klenk: „Wir haben gezeigt, dass das funktioniert. In der Produktion müsste man lediglich das ZnO-Target durch ein ZnO/ZnS-Target mit festem Mischungsverhältnis ersetzen und könnte dadurch auf die vorangehende Abscheidung einer dedizierten Pufferschicht vollständig verzichten. Ein trockener, Cd-freier in-line Prozess wäre ohne große Investition realisiert.“

Im Labor funktioniert dies jetzt ohne Einbußen an Wirkungsgrad. Bis zu 18.3% haben die HZB-Forscher erreicht, was Messungen durch das renommierte ISE. Fraunhofer-Institut in Freiburg bestätigt haben. Im Gegensatz zu anderen Ansätzen für Kadmium-freie Solarzellen ist weder eine Vorbehandlung der Oberfläche noch eine nachträgliche Temperaturbehandlung erforderlich. „Es gibt sogar noch Spielraum, um den Wirkungsgrad des Standard-Modules zu verbessern“, meint Klenk.

„Neben dem wissenschaftlichen Interesse hat uns auch durchaus die Perspektive motiviert, dass dieses Verfahren für die Industrie viel einfacher wäre. Wir haben unsere Technologie erfolgreich auf Substraten aus industrieller Produktion getestet. Im NeuMaS-Projekt (Manz, Bosch CISTech) wollen wir mehrere Ansätze für Cd-freie Module bewerten, um zu bestimmen, welche Technologie am besten in der Produktion eingesetzt werden kann“, erklärt Prof. Dr. Martha Lux-Steiner, die das Institut für Heterogene Materialsysteme leitet.

Die Hersteller bereiten sich darauf vor, dass zukünftig Kadmium im Modul nicht mehr enthalten sein darf, sodass eine Umstellung der Technologie voraussichtlich unvermeidlich ist. Es wird geschätzt, dass die Abscheidung der Pufferschicht bis zu 5 Cent bezogen auf ein Watt Nennleistung des Modules kostet. „Bei einer größeren Produktionsanlage (1 GWp/a) könnten mit unserer Technologie potentiell jährlich mehrere Millionen € eingespart werden“, so Klenk.

So könnte in der industriellen Produktion die Zink-Oxid-Sulfid Schicht aufgesputtert werden und danach einfach die nächste Schicht mit einem Aluminium-dotierten Zinkoxid-Target. Der nasschemische Prozess für die Pufferschicht entfällt. „Wir haben nicht nur gezeigt, dass das funktioniert, sondern auch, dass diese Zellen das Potential für höchste Wirkungsgrade besitzen“, betont Christian Kaufmann, in dessen Gruppe Chalkopyrit-Schichten von hoher Qualität erforscht werden.

Jetzt baut die Gruppe um Klenk eine Sputteranlage um, um auch größere Flächen gleichmäßig beschichten zu können. „Dann können wir CIGSe-Module von 30 auf 30 Zentimetern produzieren und werden auch die Langzeitstabilität untersuchen, schließlich geht es uns perspektivisch darum, dass dieses neue umweltfreundlichere Verfahren auch für die Industrie interessant ist und hocheffiziente, stabile Solarmodule liefern kann“, sagt Klenk.

Weitere Informationen:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pip.2445/abstract
Prog. Photovolt. (2013) DOI: 10.1002/pip.2445
http://www.epj-pv.org/articles/epjpv/abs/2012/01/pv120005/pv120005.html
Weitere Informationen über erste Tests mit industriell gefertigen Chalkopyrit-Schichten

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-berlin.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Elektromobilität: Forschungen des Fraunhofer LBF ebnen den Weg in die Alltagstauglichkeit
27.03.2017 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

nachricht Wärme in Strom: Thermoelektrische Generatoren aus Nanoschichten
16.03.2017 | Universität Duisburg-Essen

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: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

Zweites Symposium 4SMARTS zeigt Potenziale aktiver, intelligenter und adaptiver Systeme

27.03.2017 | Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fließender Übergang zwischen Design und Simulation

27.03.2017 | HANNOVER MESSE

Industrial Data Space macht neue Geschäftsmodelle möglich

27.03.2017 | HANNOVER MESSE

Neue Sicherheitstechnik ermöglicht Teamarbeit

27.03.2017 | HANNOVER MESSE