Wissenschaftsbild des Monats

Lästige Körner verbessern Solarzellen

Um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln, brauchen wir Solarzellen. Ein internationales Team mit Beteiligung des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat nun untersucht, welche Prozesse bei der Herstellung spezieller Dünnschicht-Solarzellen besonders wichtig sind, um den Wirkungsgrad zu steigern.

Das Bild zeigt Messungen der Photonenenergie, die ein Team um Roland Mainz vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) am Elektronenspeicherring Bessy II bei der schrittweisen Beschichtung von so genannten CIGSe-Solarzellen aufgenommen hat. Diese Solarzellen bestehen aus den Metallen Kupfer, Indium, Gallium und Selen (Copper, Indium, Gallium, Selen).

Das Abscheiden der dünnen CIGSe-Filmen ist ein komplexer Prozess, bei dem Kupfer und Selen erst im zweiten Schritt dazukommen. Dadurch bildet sich zunächst eine kupferarme Phase mit vielen Fehlstellen (unteres Signal im Bild). Dann, bei weiterer Zugabe von Kupfer bildet sich die gewünschte Schicht aus kleinen kristallinen CIGSe-Körnern. Gibt man noch mehr Kupfer hinzu, dann lagern sich zusätzliche Kupfer-Selen-Körner auf der CIGSe-Schicht ab. Eigentlich ist dies lästig, denn die Körner müssen im Anschluss wieder aufwändig entfernt werden. Doch offenbar haben sie eine wichtige Funktion für das fast vollständige Verschwinden der Defekte. Dies geschieht nach etwa 120 Minuten (siehe Bild).

Denn die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass der Wirkungsgrad der Solarzellen sich verbessert, wenn weiter Kupfer eingebracht wird

„Die Vernichtung der Defekte erfolgt sehr schnell, sobald sich Kupfer-Selen-Körner an der Oberfläche des CIGSe-Filmes ablagern und wir in die kupferreiche Phase eintreten“, erklärt Roland Mainz vom HZB. „Bisher haben wir die kupferreiche Phase nur als wichtig für das Wachsen der Körner verstanden, nun wissen wir, dass sie auch eine große Rolle beim Abbau der Defekte spielt.“ Die Temperatur während des Herstellungsprozesses spielt dagegen keine entscheidende Rolle.

Dabei konnten die Forscher das Wachstum der winzigen Kristalle in den dünnen Solarzellenschichten am Elektronenspeicherring BESSY II in Echtzeit beobachten. Sie fanden so die entscheidenden Hinweise darauf, wann sich Defekte bilden und unter welchen Umständen sie ausheilen. Ihre Erkenntnisse können nun dazu beitragen, auch den industriellen Herstellungsprozess zu optimieren.

Zur Pressemeldung des HZB mit Originalbild: Dünnschicht-Solarzellen: Wie Defekte in CIGSe-Zellen entstehen und verschwinden

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