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Photovoltaikmodule Analytische Methoden in der Produktion und Charakterisierung von CIGS-Modulen

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Damit Photovoltaikmodule einen hohen Wirkungsgrad erzielen, muss bei der Produktion auf größtmögliche Reinheit der eingesetzten Materialien und der Umgebung geachtet werden. Verschiedene analytische Methoden helfen dabei, diese Kriterien zu erfüllen.

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Abb. 2: SNMS-Tiefenprofile von CIGS-Schichten mit verschiedenen Ga-Gehalten. Für niedrigere Ga-Gehalte wird verstärkt Se an der CIGS/Mo-Grenzfläche gefunden. (Bild: ZSW)
Abb. 2: SNMS-Tiefenprofile von CIGS-Schichten mit verschiedenen Ga-Gehalten. Für niedrigere Ga-Gehalte wird verstärkt Se an der CIGS/Mo-Grenzfläche gefunden. (Bild: ZSW)

Photovoltaikmodule, deren photovoltaisch aktive Schichten aus nur wenigen Mikrometer dünnen Materialien bestehen, die mittels großflächiger Dünnschichttechnik abgeschieden werden, bezeichnet man als Dünnschichtmodule. Für deren Herstellung kommen Abscheidemethoden zum Einsatz, die größtenteils aus der Display- und Architekturglasbeschichtung bereits bekannt sind. Die Produktionseinheiten haben mindestens Quadratmetermaßstab, sind also um zwei Größenordnungen größer als die Fläche eines Siliziumwafers. Die extrem dünnen Schichten sind mechanisch nicht selbst tragend und müssen deshalb auf eine Trägerplatte (Substrat) aufgebracht werden. In der Regel wird dafür Fensterglas verwendet. Es kommen aber auch flexible Folien aus Kunststoffen oder Metallen zum Einsatz, was eine fertigungstechnisch vorteilhafte Rolle-zu-Rolle-Beschichtung ermöglicht. Ganz wichtig ist auch, dass die Verschaltung der Einzelzellen zum Modul in den Herstellprozess integriert realisiert werden kann. Dieses meist mit Lasern durchgeführte Verfahren heißt „monolithische Verschaltung“. Damit ist die Technologie kosteneffizienter zu automatisieren und variabler in der Produktgestaltung.

Dünnschichtsolarzellen

Es gibt im Wesentlichen drei Technologietypen von Dünnschichtsolarzellen, die sich schon auf dem Markt behaupten konnten: Sie basieren auf amorphem/mikrokristallinem Silizium, Kadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (bzw. -Sulfid). Letzteres, kurz CIS oder CIGS genannt, liefert die höchsten Wirkungsgrade für die Umwandlung von Solarenergie in elektrischen Strom. Der aktuelle Rekord liegt bei 20,3 Prozent und wurde am ZSW (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg) erreicht [1]. Seit über 20 Jahren treibt das ZSW die Entwicklung von CIGS-Solarzellen und die großflächige Umsetzung der Technologie für die industrielle Produktion voran. Wichtig für diesen Fortschritt sind die Analytikmethoden, die für den speziellen Einsatz in der Charakterisierung von dünnen Schichten sowie der Prozessüberwachung weiterentwickelt wurden. In diesem Beitrag werden einige dieser Methoden und ihr Einsatz in der Entwicklung bzw. Produktion von CIGS-Photovoltaikmodulen beschrieben.

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Schichtaufbau

Die wesentlichen Komponenten einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle zeigt die eingefärbte REM-Bruchkantenaufnahme in Abbildung 1. Auf einem Glassubstrat werden die aktiven Schichten sukzessiv mit der für die jeweilige Schicht optimierten Beschichtungsmethode aufgebracht. Der Molybdän-Rückkontakt wird aufgesputtert, der CIGS-Absorber wird im Hochvakuum aufgedampft oder in einem sequenziellen Prozess aufgebracht, die CdS-Pufferschicht wird in der Regel in einem nasschemischen Bad abgeschieden, und der transparente Frontkontakt aus einer Kombination von i-ZnO und ZnO:Al wird ebenfalls gesputtert. Bei allen Schichten kommt es unter anderem auf die korrekte Dicke und Zusammensetzung an. Die quaternäre CIGS-Schicht ist dabei besonders anspruchsvoll. Mehrere Elemente sind hier zu kontrollieren, und ein bestimmter Verlauf derer Verhältnisse hat sich als vorteilhaft für das Schichtwachstum erwiesen. Die Qualität der CIGS-Schicht und seine Grenzfläche zum Cadmiumsulfid (CDS) hat einen starken Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solarzelle. Die Ladungsträgerpaare werden durch Absorption von Photonen hauptsächlich in der CIGS-Schicht erzeugt – daher wird diese als „Absorber“ bezeichnet. Defekte in diesem Bereich (Kristallstörungen sowie Verunreinigungen) vereinfachen die Rekombination von Ladungsträgerpaaren, sodass diese für die Stromerzeugung verloren gehen. Eine fehlerhafte Zusammensetzung, Verunreinigungen oder unerwünschte Nebenphasen können schädliche Defekte erzeugen.

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