Von Nanostäbchen zur Solarzelle in Sekunden

  • 23. January 2014

Polykristalline Kesterit-Dünnschichten lassen sich leicht aus einem Teppich geordneter Nanostäbchen herstellen.

Forscherteams aus dem HZB und der University of Limerick, Irland, haben einen neuen Weg gefunden, polykristalline Kesterit-Dünnschichten bei niedrigerer Temperatur herzustellen: Sie erzeugten zunächst einen Teppich aus geordneten Nanostäbchen mit Wurtzitstruktur. Diese Stäbchen besitzen chemisch die gleiche Zusammensetzung wie Kesterit, nur ihre Kristallstruktur ist unterschiedlich. Diese wandelt sich aber bei Erwärmung in eine stabile Kesterit-Struktur um. Mit BESSY-II konnten die Wissenschaftler diesen Prozess in Echtzeit beobachten. Binnen weniger Sekunden bildeten sich aus den Wurtzit-Stäbchen Kesterit-Kristallite. Entscheidend war dabei nicht die Höhe der Temperatur, sondern die Heizrate: Je rascher die Wurtzit-Stäbchen erhitzt wurden, desto größer wuchsen die Kristallite. So gelang es Kesterit-Schichten aus fast mikrometergroßen Kristalliten zu erzeugen, welche in Dünnschicht-Solarzellen zum Einsatz kommen könnten.

Der Übergang von der Schicht aus dichtgepackten Nanorods (links oben) in eine polykristalline Halbleiter-Dünnschicht (rechts oben) lässt sich über in-situ Röntgenbeugung am in Echtzeit beobachten.

Abb.: Der Übergang von der Schicht aus dichtgepackten Nanorods (links oben) in eine polykristalline Halbleiter-Dünnschicht (rechts oben) lässt sich über in-situ Röntgenbeugung am in Echtzeit beobachten. Die Intensitäten der Röntgensignale sind in der unteren Abbildung farblich kodiert. Eine genaue Analyse der Signale verriet, dass die Umwandlung der Nanorods in Kesterit-Kristallite nur 9 bis 18 Sekunden dauert. (Bild: R. Mainz & A. Singh)

Als Ausgangsmaterial für die Bildung der Kesterit-Schicht dient ein „Teppich aus Nanostäbchen“: Die Chemiker um Ajay Singh und Kevin Ryan an der Universität Limerick haben mit Hilfe lösungsbasierter chemischer Verfahren hochgeordnete Schichten aus Wurtzit-Nanostäbchen hergestellt, welche exakt die gleiche Zusammensetzung wie Cu2ZnSnS4-Kesterit besitzen. HZB-Physiker um Roland Mainz und Thomas Unold konnten nun mit Hilfe von Echtzeit-Röntgenbeugung an der EDDI-Beamline am BESSY II beobachten, wie sich durch einen Phasenübergang aus der metastabilen Wurtzitphase in die stabile Kesteritphase die makroskopisch angeordneten Nanostäbchen in Kesterit-Dünnschichten mit nahezu mikrometer-großen Kristalliten umwandeln. „Das Besondere ist, dass die Bildung der gesamten Kesterit-Schicht sehr schnell abläuft und gleichzeitig ein schnelles Kornwachstum ausgelöst wird“, sagt Mainz. Und je schneller die Proben hochgeheizt werden, desto größer wachsen die Kristallite. Mainz sagt: „Bei einer niedrigen Heizrate beginnt die Umwandlung von Wurtzit in Kesterit schon bei einer tieferen Temperatur, bei der sich viele kleine Kristallite bilden – statt weniger großer. Hierbei bilden sich auch vermehrt Defekte aus. Beim schnellen Heizen ist dafür keine Zeit, die Umwandlung findet erst bei einer höheren Temperatur statt, bei der sich direkt eine defektärmere Struktur ausbildet.“

Wie der Vergleich der Phasenumwandlung bei langsamer und bei schneller Heizrate zeigt, löst die Phasenumwandlung nicht nur das Kornwachstum aus, sondern andersherum beschleunigt auch das Kornwachstum die Phasenumwandlung. Die HZB-Physiker haben ein Modell entwickelt, das diese Beobachtung erklären kann, und anhand von Modellrechnung die Übereinstimmung mit den gemessenen Daten überprüft.

Die Arbeit zeigt einen neuen Weg, dünne mikrokristalline Schichten aus Halbleiter-Nanostrukturen ohne aufwändige Vakuumtechnik herzustellen. Kesterit-Halbleiter gelten als vielversprechende Alternative für die Chalkopyrit-Solarzellen, die bereits Laborwirkungsgrade über zwanzig Prozent erreichen. Kesterite besitzen ähnliche physikalische Eigenschaften wie Chalkopyrit-Halbleiter, kommen jedoch ohne die vergleichsweise weniger verfügbaren Elemente Indium und Gallium aus. Das neue Verfahren könnte auch für die Herstellung von mikro- und nanostrukturierten photoelektrischen Bauelementen, sowie für Halbleiterschichten aus anderen Materialien interessant sein, meint Mainz. „Wir bleiben aber an den Kesteriten dran, denn die sind im Moment wirklich ein spannendes Thema.“

HZB / OD

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