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Dünnnschichtsolarzelle Korngrenzen in Dünnschichtsolarzellen analysieren

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Mithilfe hochauflösender Mikroskopie ist es Helmholtz-Forschern erstmals gelungen, Korngrenzen in Dünnschichtsolarzellen zu analysieren. Dies soll den Wissenschaftlern dabei helfen, aussagekräftige Bauelementsimulationen an Solarzellen durchzuführen.

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In CIS/CIGSe-Solarzellen ist die Dichte an Korngrenzen hoch. HZB-Wissenschaftler konnten mit bislang unerreichter Auflösung Atomlagen unmittelbar an den Grenzflächen analysieren. (Bild: HZB)
In CIS/CIGSe-Solarzellen ist die Dichte an Korngrenzen hoch. HZB-Wissenschaftler konnten mit bislang unerreichter Auflösung Atomlagen unmittelbar an den Grenzflächen analysieren. (Bild: HZB)

Berlin – Dünnschichtsolarzellen werden zukünftig einen großen Anteil am Photovoltaik-Markt haben, davon sind viele Experten überzeugt. Die Zellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid oder -Sulfid (CIGSe, CIS) unterscheiden sich in vielen Dingen von der klassischen Siliziumsolarzelle. So tragen in kristallinen Siliziumsolarzellen Korngrenzen substanziell zum Stromverlust bei. Mit CIGSe-Absorbern werden dagegen Wirkungsgrade von mehr als 20 Prozent erreicht, obwohl die polykristallinen Dünnschicht-Materialien eine hohe Dichte an Korngrenzen aufweisen.

Woran das liegt, ist bislang noch ungeklärt. Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) konnten nun erstmals experimentell belegen, wie die Korngrenzen innerhalb einer Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Dünnschichtsolarzelle atomar tatsächlich aussehen.

Kupfer-Atome werden im Kristallgitter durch Indium-Atome ersetzt

Diese Einblicke hat das HZB-Team zusammen mit britischen Kollegen vom SuperSTEM (EPSRC National Facility for Aberration Corrected STEM) gewonnen aktuell publiziert.

Mit hochauflösender Mikroskopie haben die Wissenschaftler um Daniel Abou-Ras Regionen an den Korngrenzen identifiziert, die im Vergleich zum Korninneren eine andere chemische Zusammensetzung haben. Das Besondere daran: Solche Regionen mit veränderter Komposition sind zum Teil weniger als ein Nanometer breit. „Noch nie hat jemand mit einer solchen Auflösung Informationen über die Struktur und Zusammensetzung von Korngrenzen an CIGSe-Material erhalten“, berichtet Daniel Abou-Ras vom Institut für Technologie des HZB. „Wir können erkennen, dass sich in den Atomlagen direkt an den Korngrenzen Atome umlagern. Zum Beispiel diffundieren Kupfer-Atome weg, dafür nehmen Indium-Atome deren Plätze im Kristallgitter ein, und umgekehrt“, erläutert Abou-Ras. Ebenso können Selen-Atome verschwinden und durch Sauerstoffatome ersetzt werden, die als Verunreinigung aus dem Glassubstrat in die Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Schicht diffundieren. „Eine solche atomare Rekonstruktion an der Korngrenze wird seit einigen Jahren kontrovers diskutiert. Jetzt konnten wir diese erstmals mit Auflösungen im Subnanometerbereich experimentell belegen“, sagt Daniel Abou-Ras.

Die neuen Erkenntnisse wollen die Forscher nun nutzen, um aussagekräftige Bauelementsimulationen an Solarzellen durchzuführen. „Dies alles ist immer noch Grundlagenforschung“, so der Physiker. „Aber sie bringt uns weiter, um die Funktionsweise von Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Solarzellen besser zu verstehen.“

Originalpublikation: „Direct insight into grain boundary reconstruction in polycrystalline Cu(In,Ga)Se2 with atomic resolution.“ http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.075502.

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