Solar­zel­len aus Kes­te­ri­ten

Durch gezielte Veränderungen der Zusammen­setzung von Kesterit-Halb­leitern lässt sich ihre Eignung als Absorber­material in Solar­zellen ver­bessern. Wie ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin zeigte, gilt dies besonders für Kesterite, in denen Zinn durch Germanium ersetzt wurde. Die Forscher unter­suchten die Proben mit Hilfe von Neutronen­beugung am BER-II und weiteren Methoden.

Die Einblendung zeigt den typischen Auf­bau eines Kristalls mit Kesterit­struktur, im Hinter­grund sind die Kristall­struktur und die Elementar­zelle ange­deutet. (Bild: HZB)

Kesterite sind Halbleiterverbindungen aus den Elementen Kupfer, Zinn, Zink und Selen. Diese Halb­leiter lassen sich als Absorber­material in Solar­zellen nutzen, schaffen aber bisher nur Wirkungs­grade von maximal 12,6 Prozent, während Solar­zellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid bereits über zwanzig Prozent erreichen. Dennoch gelten Kesterite als inte­res­sante Alter­native zu CIGS-Solar­zellen, weil sie aus häufig vor­kom­menden Elementen bestehen, so dass keine Eng­pässe zu erwarten sind. Ein Team um Susan Schorr am HZB hat jetzt eine Reihe von nicht-stöchio­metrischen Kesterit-Proben unter­sucht und den Zusammen­hang zwischen Zusammen­setzung und opto­elektro­nischen Eigen­schaften beleuchtet. Bei der Synthese der Proben am HZB wurden die Zinn-Atome durch Germanium ersetzt.

Diese Proben untersuchten die Forscher mit Neutronen­beugung am BER-II. Denn mit dieser Methode lassen sich die Elemente Kupfer, Zink und Germanium besonders gut von­ein­ander unter­scheiden und ihre Posi­ti­onen im Kristall­gitter ver­orten. Die Diagnose: Kesterite mit einer leicht kupfer­armen und zink­reichen Zusammen­setzung, wie sie auch in Solar­zellen mit den höchsten Wirkungs­graden zu finden ist, weisen die geringste Konzen­tra­tion an Punkt­defekten, sowie die niedrigste Kupfer-Zink-Unord­nung auf. Je kupfer­reicher die Zusammen­setzung wird, desto mehr steigt die Konzen­tra­tion von anderen Punkt­defekten, die als eher abträg­lich für die Leistungs­fähig­keit von Solar­zellen gelten. Weitere Unter­suchungen zeigten, wie die Energie­band­lücke von der Zusammen­setzung der Kesterit-Pulver­proben abhängt.

„Diese Bandlücke ist eine Eigenschaft der Halb­leiter und bestimmt, welche Licht­frequenzen im Material Ladungs­träger frei­setzen“, erklärt Team-Mitglied René Gunder. „Wir wissen nun, dass Germanium die optische Band­lücke ver­größert und damit dem Material ermög­licht, einen größeren Anteil des Sonnen­lichts in elek­trische Energie umzu­wandeln.“ Und Susan Schorr ergänzt: „Wir sind davon über­zeugt, dass solche Kesterite sich nicht nur für Solar­zellen eignen, sondern auch für andere Anwen­dungen in Frage kommen. So könnten Kesterite als Photo­kata­lysa­toren mit Hilfe von Sonnen­licht Wasser in Wasser­stoff und Sauer­stoff auf­spalten und Solar­energie in Form von chemischer Energie speichern.“ (Quelle: HZB / pro-physik.de)

Referenz: R. Gunder et al.: Structural characterization of off-stoichiometric kesterite-type Cu2ZnGeSe4 compound semiconductors: From cation distribution to intrinsic point defect density, CrystEngComm 20, 1491 (2018); DOI: 10.1039/c7ce02090b

Link: Abt. Struktur und Dynamik von Energiematerialien (S. Schorr), Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, Berlin