Optik der CuGaSe2-Solarzelle für hocheffiziente Tandemkonzepte

Abstract

Ein grundlegendes Ziel der Solarenergieforschung ist die möglichst effiziente Ausnutzung des einfallenden Sonnenlichts. Für eine Einfachsolarzelle besteht nach Shockley und Queisser ein Effizienzlimit von 30 %. Das einzige bislang realisierte Konzept zur Überschreitung dieser Grenze ist - abgesehen von der Konzentration des Sonnenlichts - die Multispektralsolarzelle. Eine Mehrfachsolarzelle bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich: Die breitbandige obere Solarzelle (Topzelle) muss effiziente Lichtabsorption im Bereich kurzer Wellenlängen aufweisen. Gleichzeitig muss eine ausreichende Transparenz für lange Wellenlängen gewährleistet sein, die dann von der schmalbandigen unteren Solarzelle (Bottomzelle) effektiv genutzt werden. In Tandemsolarzellen ist eine perfekt abgestimmte Lichtaufteilung zu Top- und Bottomzelle von fundamentaler Bedeutung. Diese Arbeit konzentriert sich auf Chalkopyrit-basierte Tandemsolarzellen. Für die IR-transparente ZnO:Al/i-ZnO/CdS/CuGaSe2/SnO2:F/Glas-Solarzelle wurde ein optisches Modell entwickelt. Ausgehend von der Modellierung jeder einzelnen Schicht des Stapels konnte das gesamte Dünnschichtsystem der Topzelle beschrieben werden. Sorgfältig ausgewählte Schichtkombinationen und der Vergleich von experimentellen und berechneten Daten erlaubte die Zuordnung von Transmissionsverlusten zu spezifischen Materialeigenschaften. Defekte im Absorber sind von großer Bedeutung, aber auch freie Ladungsträgerabsorption in Front- und Rückkontakt tragen erheblich zu den optischen Verlusten bei. Die Quantifizierung der Verluste ergibt sich durch Berechnung des Einflusses reduzierter Topzellen-Transmission auf die Photostromdichte einer vereinfachten Bottomzelle. Eine Erweiterung des optischen Modells erlaubte die Berechnung der effektiven Absorption in den einzelnen Schichten, sowie die Bestimmung der Reflexionsverluste an den einzelnen Grenzflächen. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurde ein optimierter Topzellen-Stapel abgeleitet, der charakterisiert ist durch A) Simulation der monolithischen Integration von Top- und Bottomzelle, B) verringerte Schichtdicken soweit mit elektrischen Aspekten vereinbar, C) Hinzufügen einer Antireflexbeschichtung und D) Optimierung der Schichtdicken im Hinblick auf Antireflexeigenschaften für langwelliges Licht. Der optimierte Stapel verspricht eine Steigerung der Transparenz der Topzelle unterhalb ihrer Bandlücke von 60 auf 80 % bei Berücksichtigung realistischer Materialeigenschaften. Durch monolithische Verknüpfung mit einer Cu(In,Ga)Se2-Bottomzelle zur Modellierung des Chalkopyrit-Tandems wurde die fundamentale Forderung der Stromanpassung von Top- und Bottomzelle untersucht. Geeignete CuGaSe2/Cu(In,Ga)Se2-Tandemkombinationen lassen sich identifizieren und mögliche Wirkungsgrade berechnen. Sie sagen einen maximal erreichbaren Tandemwirkungsgrad von 26 % für den Fall realer Materialien voraus. Weiterhin erfolgten erste experimentelle Realisierungen der optimierten Stapel. Ihre optischen Eigenschaften sind in Übereinstimmung mit dem Modell. Auch gemessene und modellierte Photostromdichten in einer mechanisch verbundenen Cu(In,Ga)Se2-Bottomzelle, die durch die verschiedenen Topzellen abgeschattet wird, decken sich in einem Fehlerbereich von 5 %. Eine maximale Effizienz von 6.3 % wurde für die abgeschattete Bottomzelle gemessen. Eine grundlegende Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Chalkopyrit-Tandems fordert jedoch neue Konzepte. Perspektiven durch die Integration von Nanoteilchen als Mediatoren plasmonischer Kopplung sind aufgezeigt. Theoretische und experimentelle Grundlagen zur Integration plasmonischer Effekte in die dünnschichtoptische Modellierung stehen bereit. Es ließen sich Schlüsse ziehen über die am besten geeigneten Größen der Teilchen, sowie ihre erfolgversprechendste Position im Stapel der ZnO:Al/i-ZnO/CdS/CuGasSe2/SnO2:F /Glas-Solarzelle: Für einen 200 nm dicken Absorber verspricht die Integration von Silber-Nanoteilchen mit Radien über 50 nm, eingebracht an der Grenzfläche SnO2:F - Glas, eine Absorptionsverstärkung von 28 %.

A principle aim of solar cell research lies in optimizing the exploitation of the incident solar light. Yet, for single junction solar cells there exists an efficiency limit as described by Shockley and Queisser. The only concept realized so far to overcome this threshold is – apart from concentration – the multijunction solar cell. However, any kind of multijunction design poses new challenges: The upper wide-gap solar cell (top cell) needs to show efficient light absorption in the short-wavelength region. At the same time sufficient transmission for long-wavelength light is required which then needs to be absorbed effectively by the low-gap bottom cell. In tandem solar cells a proper light management in top and bottom solar cell is of great importance. This work focuses on chalcopyrite-based tandem solar cells. For the wide- bandgap IR-transparent ZnO:Al/i-ZnO/CdS/CuGaSe2/SnO2:F/glass solar cell an optical model has been established. Starting from modeling each of the individual layers building the stack the optical behavior of the complete thin film system of the top cell could be described. Carefully selected layer combinations and comparison of experimental and calculated data allowed for the attribution of transmission losses to the distinct material properties. Defects in the absorber are of crucial importance but also free carrier absorption in the window and in the transparent back contact contribute significantly to optical losses. The quantification of the losses was achieved by calculating the effects of reduced top cell transmission on the photo current of a simplified bottom cell. An extension of the optical model allowed to calculate the effective absorption in the individual layers and to determine reflection losses at the interfaces. From these results an optimized top cell stack was derived which is characterized by A) simulation of the monolithic integration, B) reduced layer thicknesses wherever possible from the electrical point of view, C) addition of an antireflection coating and D) optimization of layer thicknesses with respect to anti-reflection behavior for the long-wavelength light. The optimized stack promises an increase in sub-gap transparency of the top cell from 60 to 80 % considering realistic material properties. Monolithically connecting a Cu(In,Ga)Se2 based bottom cell for simulating the chalcopyrite tandem, the fundamental requirement of current match for top and bottom cell was investigated. Suitable CuGaSe2/Cu(In,Ga)Se2 tandem combinations are identified and potential efficiencies calculated. They predict a maximum achievable tandem efficiency of 26 % in the case of realistic materials. Furthermore first experimental realizations of the optimized top cell stack were carried out. Their optical properties coincide with the model. Also measured and modeled photo current densities in a mechanically connected Cu(In,Ga)Se2 bottom cell shaded by various CuGaSe2 top cell stacks are in agreement within an error range of 5 %. A highest efficiency of 6.3 % was measured for the shaded bottom cell. However, for fundamental improvement of the chalcopyrite tandem performance novel concepts are required. Prospects of integrating nanoparticles as mediators of plasmonic absorption enhancement are given. Theoretical and experimental background is provided to integrate plasmonic effects in the thin film multilayer modeling. Conclusions about the most suitable size and the best position of the nanoparticles within the stack of the ZnO:Al/i-ZnO/CdS/CuGaSe2/SnO2:F/glass solar cell could be derived: for a 200 nm thick absorber the integration of silver nanoparticles with radii over 50 nm deposited at the interface SnO2:F – glass promises an absorption enhancement of 28 %.