Auf dem Weg zu preiswerten biegsamen Solarmodulen

  • 18. December 2017

Neutronenbeugung liefert Erkenntnisse über Defekte in Kesterit-Halbleitern.

Kesterite sind preisgünstige und umweltfreundliche Materialien, die halbleitend sind und Licht in Strom um­wan­deln können. Vom strukturellen Aufbau her ähneln Kesterite den Chalkopyrit-Halbleitern mit der Sum­men­for­mel Cu(In,Ga)Se2. In Kesteriten (wie zum Beispiel Cu2ZnSnSe4 abgekürzt CZTSe) werden die seltenen Elemente Indium und Gallium jedoch durch Zink und Zinn ersetzt, die viel häufiger in der Erdkruste vor­kommen und weit­aus bil­li­ger sind. Aktuell erreichen die besten Kesterit-­basierten Dünn­schicht-­Solar­zellen Wir­kungs­grade bis zu 12,6 Prozent, und dies mit Kesterit-­Schich­ten von nur einem Mikro­meter Dicke. Dies macht sie zu inte­res­santen Kan­di­da­ten für sehr preis­werte und sogar bieg­same Solar­module, die un­giftig und ro­bust sind. Ein­kristal­line Silizium-Solar­zellen oder Chalko­pyrit-Dünn­schichten schaffen zwar Wirkungs­grade weit über 20 Pro­zent, sind aller­dings deutlich teurer.

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Abb.: Das Bild (backscattered electron micrograph) zeigt CZTSe-Kristalle (grau) in einer Epoxid-Matrix (schwarz). (Bild: HZB)

Bei den Kesterit-Dünn­schicht-Solar­zellen werden die höchsten Wirkungs­grade mit Hilfe von CZTSe-­Ab­sor­ber­schicht­ten erreicht, die im Vergleich zur Summen­formel etwas weniger Kupfer und etwas mehr Zink ent­hal­ten, also eine kupfer­arme und zink­reiche Zusammen­setzung aufweisen. Eine solche Stöchio­metrie­ab­weich­ung führt zwangs­läufig zu Fehl­stellen in der Kristall­struktur, die aber offenbar den Wir­kungs­grad erhöhen. „Wir haben nun mit Hilfe von Neutronen­beugungs­experi­menten diese Fehl­stellen genau charak­terisiert und ihre lokalen Konzen­tratio­nen ermittelt“, erklärt Dr. Galina Gurieva aus der HZB-Abteilung Struk­tur und Dynamik von Energiematerialien.

Dafür ist die Methode der Neutronen­beugung ideal geeignet: Die beiden Ele­mente (Cu+ und Zn2+) lassen sich mit Neu­tro­nen sehr gut von­einander unter­scheiden, was mittels konven­tioneller Röntgen­diffrak­to­metrie nicht der Fall ist. Das Team hat 29 CZTSe-Pulver­proben unter­sucht und an den Neutronen­quellen SNS am Oak Ridge National Labo­ratory, USA, und am BER II des HZB Experi­mente durch­geführt. Dabei gelang es ihnen, verschie­dene Defekt-Typen genau zu kata­logi­sieren. So konnten sie Plätze in der Kristall­struktur identi­fizieren, auf denen ein Kupfer­atom fehlte (Kupfer-Leer­stellen, VCU), aber auch Plätze, die statt mit dem vorge­sehenen Ele­ment mit einem anderen besetzt waren, zum Beispiel einem Zink-­Atom anstelle eines Zinn-­Atoms („ZnSn anti site").

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Abb.: Ausmaß der Cu/Zn Unordnung in der Kesterit-Phase in Abhän­gigkeit von den Verhält­nissen (Cu/(Zn+Sn) und Zn/Sn. (Bild: HZB)

Neben den Punktdefekten, deren Auftreten durch Stöchio­metrie­ab­weichun­gen erklärt werden kann, spielt auch die soge­nannte Cu/Zn Unordnung (hier besetzten ein Teil der Kupfer­atome Zink­plätze in der Kristall­struktur und umge­kehrt) eine wichtige Rolle. Diese Un­ord­nung kann durch eine Tempe­ratur­behand­lung (Annealing) reduziert werden, was sich wiederum positiv auf die Effi­zienz einer CZTSe-basierten Solar­zelle auswirken kann.

„Tatsächlich stimmen die experi­mentell ermittelten Punkt­defek­te recht gut mit dem theore­tischen Modell zu möglichen Defek­ten überein“, erklärt Gurieva. „Wir können aus dieser Studie konkrete Hinweise ableiten, welche Art und Konzen­tration von Punkt­defekten in einer gegebenen Zusammen­setzung der Kesterit-Dünn­schichten erwartet werden können. Dies hilft dabei, Kesterit-basierte Solar­zellen gezielt zu opti­mieren“, sagt Gurieva.

HZB / LK

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