Kesterite zur Revolutionierung kostengünstiger Solarzellen
Dünnfilmsolarzellen basieren heute auf Chalcogeniden wie etwa Kupfer-Indium-Gallium-Selen (copper-indium-gallium-selenium, CIGS) und Cadmiumtellurid (cadmium telluride, CdTe). Diese Solarzellen weisen jedoch einen wesentlichen Nachteil auf, da sie die seltenen und teuren Elemente Indium und Tellurium beinhalten. Cadmium ist zudem hochtoxisch, was zu großen Umweltbedenken führt. Die Forscher des Projekts PVICOKEST (International cooperative programme for photovoltaic kesterite based technologies) berücksichtigten ein alternatives Absorbermaterial für fortschrittliche Dünnfilmphotovoltaiktechniken. CIGS weist nahezu die gleiche Struktur auf, wie eine Klasse kristallinen Materials, die als Kesterite bezeichnet werden. Diese kann Chemikalien wie z. B. Kupfer, Zink, Zinn, Selen und Schwefel beinhalten – jedoch kein Indium. Kesterit-Solarzellen zeigen eine Effizienz, die im Vergleich zu den Pendants CIGS und CdTe nicht sonderlich beeindruckend ist (9.6 %). Was diese dünnen Filme allerdings einzigartig macht, ist, dass diese aus einem günstigen, zahlreich vorhandenen und umweltfreundlicheren Material bestehen. Das PVICOKEST-Team entwickelte erfolgreich Filme und Kristalle aus ternären, quaternären und pseudoquaternären Kesterit-Verbindungen und fügte diese in Prototypensolarzellengeräte ein. Der Fokus lag auf einer Untersuchung, wie sich deren physikochemische und strukturelle Eigenschaften auf die Solarzellenleistung auswirken. Unter Verwendung verschiedener Mikroskopie- und Spektroskopieverfahren beleuchtete das Team die elektronischen und strukturellen Kestrit-Eigenschaften näher. Die Kesterit-Phasendiagramme und Kristallmodifikationen stellen im Allgemeinen eine Herausforderung dar. Forscher identifizierten die wichtigsten Kesterit-Schwingungsmodi für verschiedene Kesterit-Filme und -Kristalle und brachten diese mit der Präsenz geordneter und ungeordneter Phasen in Verbindung. Es wurde ebenfalls eine Methodologie für die Beurteilung der Zink-Schwefel-Kristallgrößen in der Grenzflächenregion und der Rückkontaktschicht entwickelt. Forscher erlangten wertvolle Informationen über die elektronische Bandstruktur von Kesteriten, welche Zinn und Germanium beinhalten. Eine interessante Erkenntnis war, dass es möglich ist, in einem Kesteriten eine Bandlücke herzustellen, die Zinn beinhaltet, indem das Metall durch Halbleiter-Germanium ersetzt wird. Dies ist insbesondere für die Synthethisierung von Tandemsolarzellen wichtig. Auf Kesteriten basierende Photovoltaiktechniken können den Anforderungen hinsichtlich Kosten, Effizienz und Nachhaltigkeit für eine Massenproduktion von Solarzellen gerecht werden. Die PVICOKEST-Forschungsaktivitäten trugen dazu bei, Europa auf dem Kurs zu halten, eine führende Rolle im Bereich der Solarenergie einzunehmen.
Schlüsselbegriffe
Kesterite, Solarzellen, Absorbermaterial, Indium, Photovoltaik
