Para­dig­ma auf dem Prüf­stand

Mikroskopische Aufnahme des aus einem Kristall hergestellten Solarzellenabsorbers (schwarzweiß) und zugehörige chemische Analyse, die die Konzentration von Gallium (orange) und Indium (violett) zeigt. (Klick f. größere Version; Bild: U. Luxemburg)

Ein von der Universität Luxemburg geleitetes Forschungs­projekt untersuchte das Herstellungs­verfahren von Solar­zellen. Die Forscher konnten nach­weisen, dass Annahmen über die chemischen Prozesse, die über die letzten zwanzig Jahre bei Forschern und Herstellern weit verbreitet waren, unzutreffend sind. Photo­voltaische Paneele funktionieren über das Zusammen­wirken von mehreren Halb­leiter­schichten und Metallen. Die Solar­zellen werden in einem auf­wändigen Prozess hergestellt, bei dem verschiedene Chemikalien, meist durch eine Verdunstungs­technik, auf einen Glas­träger aufgetragen werden. Dadurch „wächst“ eine Solar­zelle Schicht für Schicht.

In der Vergangenheit haben Wissenschaftler zufällig entdeckt, dass sich die Effizienz bei einer bestimmten Art von Zellen stark erhöht, wenn der licht­absorbierenden Schicht Natrium hinzugefügt wird. Gleich­zeitig beobachteten sie, dass Natrium das Wachstum dieser Schicht und das Zusammen­wirken der anderen Chemikalien beeinflusst, indem es die Vermischung von Gallium und Indium verlangsamt. Dies führt zu weniger homogenen Schichten, was wiederum die Ergebnisse beeinträchtigt. Bisher glaubten Wissenschaftler und Hersteller daher, der optimale Fertigungs­ablauf für Solarzellen wäre, Natrium erst hinzuzufügen, wenn der Wachstums­prozess beendet ist.

Forscher der Physics and Materials Science Research Unit an der Universität Luxemburg wählten einen anderen Ansatz und konnten zusammen mit vier inter­nationalen Partnern nun zeigen, dass die Wirklich­keit differenzierter ist. Während normaler­weise die licht­absorbierende Schicht aus tausenden verschiedenen Kristallen zusammen­gesetzt ist, entschied sich die Forschungs­gruppe für eine anspruchs­vollere Herstellungs­methode und legte die Schicht mit lediglich einem einzigen großen Kristall an.

„Im Grunde zeigen wir mit dieser Forschungs­arbeit, dass, wenn der Absorber aus nur einem Kristall hergestellt wird, es ausreicht, eine kleine Menge Natrium hinzuzufügen, um die Verteilung der Elemente zu homogenisieren“, sagt Diego Colombara, inzwischen Marie Curie Research Fellow am Inter­national Iberian Nano­technology Laboratory und Projekt­leiter der Studie. „Das ist wirklich über­raschend, denn mehr als zwanzig Jahre voran­gegangener Forschung zeigten durch­gängig den entgegen­gesetzten Effekt bei Absorbern, die aus vielen Kristallen hergestellt sind.“

Die Forscher schließen daraus, dass Natrium eine zweifache Wirkung hat: Es homogenisiert die Elemente in jedem Kristall, aber es verlangsamt die Homo­genisierung bei Wechsel­wirkungen zwischen den Körnern. „Dies ermöglicht uns zu über­denken, wie wir Solar­zellen herstellen. Diese Erkenntnisse könnten zu künftigen Verbesserungen im Herstellungs­prozess führen“, so Phillip Dale, Leiter der Forschungs­gruppe am Laboratory for Energy Materials (LEM) an der Universität Luxemburg und Attract Fellow des Luxembourg National Research Fund (FNR). (Quelle: U. Luxemburg / optik-photonik.de)

Referenz: D. Colombara et al.: Sodium enhances indium-gallium interdiffusion in copper indium gallium diselenide photovoltaic absorbers, Nat. Commun. 9, 826 (2018); DOI: 10.1038/s41467-018-03115-0

Link: Physics and Materials Science Research Unit, Universität Luxemburg

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