Ein Beitrag zu Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Cu(In, Ga)Se 2

Transkript

1 1. Seminarvortrag Graduiertenkolleg 1 Seminarvortrag Graduiertenkolleg Neue Hochleistungswerkstoffe für effiziente Energienutzung Ein Beitrag zu Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Cu(In, Ga)Se 2 Jens Müller Arbeitsgruppe Dr.H.Schmitt Technische Physik Geb.38 Universität des Saarlandes

2 1. Seminarvortrag Graduiertenkolleg 2 Gliederung I. Allgemeine Grundlagen Das solare Spektrum Funktionsweise einer Solarzelle Kennlinie II. Dünnschichtsolarzellen Dünnschicht-Solarzellen vs. Silizium Wachstumsmethoden Cu(In, Ga)Se 2 (CIGS) Zellenaufbau III. Problemstellungen und erste angestrebte Ziele

3 1. Seminarvortrag Graduiertenkolleg 3 1. Das solare Spektrum 3,0x ev 2,5x10 10 Energiedichte 2,0x ,5x ,0x ,0x10 9 sichtbar 0, Infrarot Ultraviolett Photonenenergie / ev Energiestrom von Sonne auf Erde beträgt ca. 1.3kW/m 2 Spektrum folgt in etwa dem Planck schen Strahlungsgesetz (T s =5800K, Modifikation durch Emissions- und Absorptionslinien): 3 ( hν) ρ( T, ν) dν = 8π 2 3 hc e hν kt 1 1 dν Wünschenswert wäre Solarzelle, die im Bereich des Maximums ( 1.41 ev) mit hoher Quantenausbeute absorbiert

4 1. Seminarvortrag Graduiertenkolleg 4 2. Funktionsweise einer Solarzelle Schmale Frontkontakte für möglichst geringe Abschattung Bei Lichteinfall: Erzeugung von Elektron-Loch- Paaren im Absorber Diffusion von Elektronen mit L<L Diff über RLZ ins n-gebiet! n-hl wird negativ, p-hl positiv aufgeladen Bei geschlossenem Stromkreis erfolgt Ladungsausgleich! Strom fließt

5 1. Seminarvortrag Graduiertenkolleg 5 3. Kennlinie eu AkT jq = jsp e 1 j sc Maximum Power Point (MPP): Entspricht maximaler Leistung der Solarzelle Füllfaktor FF: Verhältnis der elektrischen Leistung j mp U mp zur maximal möglichen chemischen Leistung j sc U oc Gewünscht: Hohe Werte für U oc, j sc und FF

6 1. Seminarvortrag Graduiertenkolleg 6 4. Dünnschicht vs. Silizium Si-Solarzellen erreichen bisher Wirkungsgrade von η=24% (Laborzelle) Nachteile: Rohstoff:Kristallines Si Materialverlust durch Sägen Häufig verwendet: Ausschußwafer Verknappung von (billigem) Solar-Silizium durch steigenden Bedarf Si ist indirekter Halbleiter! Für gute Lichtabsorption ist hohe Schichtdicke von ca µm erforderlich Dünnschichtzellen: Direkter Halbleiter! Schichtdicke nur ca. 1-5 µm! Hohe Materialersparnis Beschichtung von Flächen möglich Bsp: α-si, CdTe, Cu 2 S, CuIn 1-x Ga x Se 2 Teilw. komplexe Wachstumsprozesse, dafür Herstellungsverfahren rel. einfach

7 1. Seminarvortrag Graduiertenkolleg 7 5. Wachstumsmethoden Verschiedene Methoden zum Aufbringen dünner Schichten auf Substrat: Aufdampfen Elektrolytische Abscheidung Sputtern: Schichtelemente in Target werden durch Plasma abgetragen und auf Substrat (Glas) abgeschieden

8 1. Seminarvortrag Graduiertenkolleg 8 Vorteile bei Sputtern: Methode ist einfach, billig und industrietechnisch ausgereift Kombination mit anderen Methoden möglich, z.b. - Hybrid-Sputtern (Sputtern+Verdampfen) - Reaktives Sputtern (mit Aktionsgas) Nachteile: Schichten aus reinem Sputtern sind oft mit hoher Defektdichte behaftet (z.b. durch Beschuß mit Atomen aus Se-Target)! Erhöhter Anteil an Rekombinationszentren! geringer Wirkungsgrad

9 1. Seminarvortrag Graduiertenkolleg 9 6. Cu(In,Ga)Se 2 (CIGS) I-III-VI Verbindungshalbleiter Direkter Halbleiter Bandlücke: 1.05 ev (CuInSe 2 ) bis 1.68 ev (CuGaSe 2 )! Anpassung auf Maximum des solaren Spektrums bei 1.41 ev möglich Bester Wirkungsgrad bisher: η max =17% (Laborzelle), 11% für Module Bandlücke / ev 1,8 Bandlücke Cu(In,Ga)Se2 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 CuInSe2 In Ga CuGaSe2

10 1. Seminarvortrag Graduiertenkolleg Zellstruktur Aufbau einer CIGS-Zelle auf Molybdänsubstrat und mit Zinkoxid als Fensterschicht ZnO: Verbesserung der Oberflächenleitfähigkeit zur schnelleren Sammlung von Elektronen an Frontkontakten Fensterschicht muß höhere Bandlücke als Absorber haben Struktur der CIGS-Schicht: polykristallin Angestrebt:! Große Körner " Wenig Korngrenzen und Rekombinationszentren! Vorzugsrichtung Substrat (Säulenwachstum, Korngrenzen Lichteinfall)

11 1. Seminarvortrag Graduiertenkolleg Problemstellungen Haftung auf Substrat Defektdichte der Absorberschicht Steuerung der Korngröße Parameter beeinflussen sich gegenseitig Bsp: Änderung der Zusammensetzung zur Erhöhung von U oc bringt nicht automatisch höheren Wirkungsgrad mit sich U.a. auch Beeinflussung von: - Konzentration - Beweglichkeit - Diffusionslänge der Ladungsträger Frage der Langzeitstabilität von CIGS- Solarzellen

12 1. Seminarvortrag Graduiertenkolleg Erste angestrebte Ziele Wachstum dünner Cu(In,Ga)Se 2 -Schichten auf Molybdän Besseres Verständnis der Prozesse bei Wachstum und Energieumwandlung η von ca. 10% angestrebt Ersetzen des n-halbleiters CdS durch anderen Halbleiter, z.b. ZnS oder ZnSe Grund: Schlechte Umweltverträglichkeit von Cd (giftig)