Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Solarzellen beim Wachsen zusehen

27.06.2013
Erstmals ist es Wissenschaftlern um Dr. Roland Mainz und Dr. Christian Kaufmann am HZB gelungen, das Wachstum von hocheffizienten Chalcopyrit-Dünnschichtsolarzellen in Echtzeit zu beobachten und zu untersuchen, wie sich Defekte und Fehlstellen bilden und auflösen, die den Wirkungsgrad mindern können.

Sie haben dafür eine Messkammer am Berliner Elektronenspeicherring BESSY II entwickelt, in der sie verschiedene Messmethoden kombinieren können. Ihre Ergebnisse zeigen, in welchen Stadien das Wachstum beschleunigt werden könnte und wann mehr Zeit wichtig ist, um Defekte zu reduzieren. Die Arbeit wurde nun in den Advanced Energy Materials online veröffentlicht.


Das Wachstum der Schichten lässt sich über in-situ Röntgenstreuung und Fluoreszenzsignale analysieren. Bild: R. Mainz/C.Kaufmann/HZB


In der eigens konstruierten Ko-Verdampfungskammer lässt sich mit Synchrotronlicht aus BESSY II in Echtzeit untersuchen, wie CIGS-Dünnschichtsolarzellen wachsen und wie dabei Defekte entstehen und wieder abgebaut werden. Bild: R. Mainz/HZB

Chalkopyrit-Dünnschichtzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid erreichen heute schon sehr gute Wirkungsgrade von mehr als 20 Prozent. Um solche extrem dünnen, polykristallinen Schichten zu produzieren, hat sich der Prozess der „Ko-Verdampfung“ bewährt: Dabei werden jeweils zwei verschiedene Elemente gleichzeitig aufgedampft, im ersten Schritt Indium (oder Gallium) und Selen, im zweiten Schritt Kupfer und Selen und im dritten Schritt nochmals Indium (oder Gallium) und Selen. So bildet sich ein Teppich aus Kristallen, die nur wenige Defekte aufweisen.

„Bis vor kurzem wussten wir jedoch nicht genau, was bei diesem gleichzeitigen Verdampfen eigentlich passiert“, sagt Dr. Roland Mainz vom Institut für Technologie des HZB. Der Physiker und seine Kollegen haben drei Jahre lang daran gearbeitet, um diese Frage durch Messungen vor Ort und in Echtzeit untersuchen zu können.

Neuartige Versuchskammer mit Vakuum und Heizelementen

Dafür haben sie zunächst eine neuartige Versuchskammer konstruiert, die es erlaubt, während der Ko-Verdampfung die Bildung der polykristallinen Chalkopyrit-Schicht im Synchrotronlicht von BESSY II zu untersuchen. Diese Vakuum-Kammer enthält neben den Zuführungen für die zu verdampfenden Elemente auch Heiz- und Kühlvorrichtungen, um den Verdampfungsprozess zu steuern. „Eine Schwierigkeit war es, die Kammer mit ihrem Gewicht von rund 250 Kilogramm auf zehn Mikrometer in der Höhe genau zu justieren“, sagt Mainz: Schon allein aufgrund von thermischen Ausdehnungen während des Aufdampfungsprozesses muss die Höhenposition im Sekundentakt vollautomatisch nachjustiert werden.

Fluoreszenzsignale und Röntgendiffraktion
Damit gelang es ihnen, weltweit zum ersten Mal, das Wachstum der polykristallinen Schichten mit „in-situ“-Röntgendiffraktion und Fluoreszenzanalyse während der Ko-Verdampfung in Echtzeit zu beobachten. „Wir sehen nun, wie sich die kristallinen Phasen während der verschiedenen Verdampfungsstadien ineinander umwandeln und wie sich dabei Fehlstellen ausbilden. Aber wir können auch erkennen, wann sich diese Fehlstellen wieder abbauen.“ Dies geschieht im zweiten Schritt, wo Kupfer und Selen aufgedampft werden. Dabei hilft überschüssiges Kupfer, das sich als Kupferselenid an der Oberfläche abscheidet, die Defekte abzubauen.
„Das war schon aus früheren Experimenten bekannt, aber wir konnten nun an Hand der Fluoreszenzsignale und numerischer Modellrechnungen zeigen, dass das Kuperselenid dabei in die Kupfer-Indium-Selenid-Schicht eindringt“, erklärt Mainz. Hier zeigten sich jedoch deutliche Unterschiede zwischen Kupfer-Indium-Selenid- und Kupfer-Gallium-Selenid-Schichten: Während Kupfer in die Kupfer-Indium-Selenid-Schicht sehr gut eindringen kann, bleibt es bei der ansonsten recht ähnlichen Verbindung Kupfer-Gallium-Selenid an der Oberfläche. Dies könnte ein Grund sein, warum mit reinem Kupfer-Gallium-Selenid bisher keine hohen Solarzellenwirkungsgrade erzielt werden konnten.

Gezielte Optimierung des Wachstumsprozesses

„Jetzt wissen wir, wo man ansetzen muss, um den Prozess zu optimieren, nämlich am Übergang in die kupferreiche Phase. Bis jetzt hat man den Prozess in allen Phasen sehr langsam ablaufen lassen, damit sich Defekte abbauen können. Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass man einige Prozessphasen beschleunigen kann, und der Prozess nur dort langsam ablaufen muss, wo Defekte optimal abgebaut werden“, erklärt Mainz. Er freut sich schon auf das Zukunftsprojekt EMIL, das gerade an BESSY II aufgebaut wird. Denn dann werden noch weitaus mächtigere Werkzeuge zur Verfügung stehen, um die komplexen Prozesse beim Wachstum von neuartigen Solarzellen in-situ und in Echtzeit zu untersuchen.

Die Ergebnisse sind in den Advanced Energy Materials veröffentlicht unter: http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201300339


Weitere Informationen:
Dr. Roland Mainz
Institut Technologie
Tel.: +49 (0)30-8062-42737
roland.mainz@helmholz-berlin.de

Dr. Christian Kaufmann
Institut Technologie
Tel.: +49 (0)30-8062-43241
kaufmann@helmholtz-berlin.de

Pressestelle
Dr. Antonia Rötger
Tel.: +49 (0)30-8062-43733
Fax: +49 (0)30-8062-42998
antonia.roetger@helmholtzberlin.de

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Bioabbaubare Polymer-Beschichtung für Implantate
06.12.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Studie InLight: Einblicke in chemische Prozesse mit Licht
22.11.2016 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bund fördert Entwicklung sicherer Schnellladetechnik für Hochleistungsbatterien mit 2,5 Millionen

06.12.2016 | Förderungen Preise

Innovationen für eine nachhaltige Forstwirtschaft

06.12.2016 | Agrar- Forstwissenschaften

Diabetesforschung: Neuer Mechanismus zur Regulation des Insulin-Stoffwechsels gefunden

06.12.2016 | Biowissenschaften Chemie