Dünnfilmsolarzellen in Luxembourg

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1 Dünnfilmsolarzellen in Luxembourg Susanne Siebentritt Université du Luxembourg Was sind Dünnfilmsolarzellen? Wie machen wir Solarzellen? Wozu brauchen wir Defekte? Wie untersuchen wir Defekte? LPV und Freunde 1

2 Was sind Dünnfilmsolarzellen? 2

3 Die erste Generation: Si-Solarzellen stabile, zuverlässige Technologie % Wirkungsgrad 3

4 Dünnfilmsolarzellen 3 μm 220 μm Glas Haar deutlich weniger Material deutlich weniger Energie einfachere Herstellungsverfahren deutlich geringere Kosten flexible und leichtgewichtige Module Helmholtz-Zentrum Berlin 4

5 Dünnfilmtechnologien verfügbar seit Wirkungsgrad Laborrekord amorphes Silizium, a-si etwa % 13,0 % Cadmiumtellurid, CdTe % 16,5 % Chalcopyrit, CIS, Cu(In,Ga)Se % 20,0 % Sulfurcell United Solar First Solar 5

6 Indium ein Problem? In ist relativ selten und teuer Suche nach alternativen Materialien Cu 2 SnZn(S,Se) 4 CZTS, Kesterit Kristallstruktur ähnlich wie CIS ähnliche elektronische Struktur? reichlich vorhandene Elemente nicht-toxische Elemente erste Solarzellen mit 7% Wirkungsgrad 6

7 Wie machen wir Solarzellen? 7

8 Der Aufbau von Dünnfilmsolarzellen Aufdampfen: Fensterschichten CIS oder CZTS Rückkontakt Glas Epitaxie: + sehr gut kontrollierbar + industriell anwendbar - aufwändige Vakuumanlage Elektrodeposition: + keine Vakuumtechnik + industriell anwendbar - Kontrolle und Reinheit + einkristalline Schichten + sehr gute Kompositionskontrolle - aufwändiges System - langsam 8

9 Ziele und erste Ergebnisse Entwicklung von CIS und CZTS Solarzellen Materialphysik von CIS and CZTS low-cost Prozess: Elektrodeposition Hocheffizienz-Ansatz: Aufdampfen Epitaxie und opto-elektronische Defektspektroskopie CZTS: 3,2% CIS: 12% Prozesse, die industriell entwickelt werden können Zellen und Halbleiter verstehen 9

10 Wozu brauchen wir Defekte? 10

11 Halbleiter und elektrische Felder Atommodell: als Energieschema: Leitungsband Valenzband in Halbleitern r r r 11

12 Halbleiter dotieren mit Bor p-dotiert Silizium-Atom Silizium-Kristall mit Phosphor n-dotiert absichtlich eingebaute Defekte, um Funktionalität zu erreichen 12

13 Solarzelle als Diode n-seite (P) viele Elektronen Fermi-Niveau Elektronen p-seite (B) wenig Elektronen P + P + P + P + P + B - B - B - B - B - elektrisches Feld eine pn-diode Basis für Solarzellen, LEDs, Laserdioden, etc. 13

14 Wie untersuchen wir Defekte? 14

15 Defekte in CIS CIS ist von selbst dotiert native Defekte mit Kupferleerstelle viele Defekte möglich: Leerstellen Zwischengitterplätze Fehlbesetzungen z.b. Cu auf In-Platz ganz ähnlich im CZTS nur mehr! 15

16 Defekte sehen Photolumineszenz (PL) E E CZTS CZTS Defekte ähnlich wie CIS 16

17 LPV und Freunde 17

18 Das Team 18

19 und Freunde HZB UNN HZB Fensterschichten CIS oder CZTS Rückkontakt Glas HUT Kollaborationen: und Projekte in Vorbereitung mit deutschen Partnern WUT U Magdeburg HZB U Saarland 19