Kësterit – Material der nächsten Generation für hocheffiziente Tandem-Solarzellen
Solarzellentechnologien werden bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität zunehmend billiger und effizienter. Weitere Fortschritte hängen jedoch davon ab, ob es gelingt, die derzeitigen Technologien auf neue Art und Weise zu verbessern und dabei gleichzeitig kostengünstige und stabile Materialien zu verwenden. „Eine Möglichkeit, höhere Leistungen zu erzielen, ist der Einsatz von Tandem-Solarzellen, wobei zwei Solarzellen übereinander verwendet werden“, so Prof. Bart Vermang, Leiter des EU-finanzierten Projekts SWInG. Im Gegensatz zu Konkurrenztechnologien arbeiteten die Forscher an der Entwicklung von Kësterit-basierten Solarzellen, die auf weltweit häufig vorkommende, ungiftige Elemente angewiesen sind. Diese komplexen quaternären Verbindungshalbleiter eignen sich als Ersatz für die indiumhaltigen Absorberschichten in Dünnschicht-Tandem-Solarzellen. Bessere Kësterit-Solarzellen mit Germanium Kësterite sind Halbleiterverbindungen, die aus den Elementen Kupfer, Zinn, Zink und Selen bestehen. Diese Halbleiter können mit einem relativ hohen maximalen Wirkungsgrad von 12,6 % als optisches Absorbermaterial in Tandem-Solarzellen eingesetzt werden. Ihre Verwendung ist äußerst beliebt, da sie aus herkömmlichen Elementen anstelle von Indium bestehen, wodurch das potenzielle Risiko eines Versorgungsengpasses vermieden wird. Spezifische Änderungen in der Zusammensetzung von Kësterit-Halbleitern machten es zudem möglich, ihre Eignung als Absorberschichten in Solarzellen noch zu verbessern. „Trotz ihrer interessanten Schlüsselmaterialeigenschaften haben Kësterite nur eine kleine Bandlücke von weniger als 1,5 eV. Der Austausch von Zinnatomen gegen Germanium kann in Kombination mit einer Zelle mit kleiner Bandlücke in einer Tandemstruktur die optische Bandlücke vergrößern, sodass das Material einen höheren Anteil an Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln kann“, bemerkt Prof. Vermang. Das Projektteam zeigte, dass die Verwendung von Germanium anstelle von Zinn in Kësterit zu funktionellen Solarzellen führte, die eine Leistungsumwandlungseffizienz von bis zu 8,4 % erreichten, was der Weltrekordwert für dieses Material ist. Bewältigung aktueller Herausforderungen mit Kësterit-Solarzellen Das Projektteam konzentrierte sich maßgebend auf die Entwicklung von Verfahren zur Synthese von Kësterit-Solarzellen mit breiter Bandlücke unter Verwendung von Germanium sowie auf das Verständnis der physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Absorberschicht zur Steigerung der Umwandlungseffizienz. Eine der wichtigsten Forschungsherausforderungen bestand in der Entwicklung skalierbarer Verfahren und Spezifikationen für die Synthese von hochwertigen Absorbern mit breiter Bandlücke sowie für geeignete Rückkontakt- und Pufferschichten. Für die chemische und elektronische Strukturanalyse der neu entwickelten Absorberschichten und ihrer Grenzflächen haben die Forscher Methoden der harten und weichen Röntgenspektroskopie angewandt. Ihre Arbeit wurde durch moderne elektrische Methoden sowie durch Methoden zur Materialcharakterisierung ergänzt, um die Eigenschaften von Kësterit auf atomarer Ebene zu untersuchen. All diese Daten führten zum Entwurf eines Solarzellenmodells, das die im Rahmen von SWInG entwickelte Solarzellenstruktur beschreibt. SWInG erweiterte das Verständnis grundlegender Fragen zur Energieumwandlungseffizienz von Kësterit-Solarzellen mit breiter Bandlücke. „Darüber hinaus entwickelte SWInG originelle, innovative Ideen, die neue technologische Wege für die Energieproblematik in Europa und weltweit aufzeigen. Dieses Projekt ist ein entscheidender erster Schritt, um die Leistung aktueller Photovoltaik-Technologien durch einen angemessenen Anstieg der Herstellungskosten signifikant zu verbessern und die Entwicklung des Dünnschicht-Photovoltaikmarktes in Europa zu fördern“, schließt Prof. Vermang.
Schlüsselbegriffe
SWInG, Germanium, Kësterit-Solarzelle, Absorberschicht, Energieumwandlungseffizienz, große Bandlücke, Zinn
