Herstellung und Untersuchung lokal-gewachsener Chalkopyrit-Absorber für Konzentratoranwendungen

Abstract

Chalkopyrit-Absorber für Dünnschichtsolarzellen bestehen üblicherweise aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen und/oder Schwefel. Aufgrund der direkten Bandlücke des Materials und der daraus resultierenden hohen Absorption können Effizienzen von über 22 % erreicht werden. Allerdings sind die hohen Kosten von seltenen Materialien wie Indium und Gallium eine Herausforderung für die industrielle Produktion. Um den Verbrauch von Indium signifikant zu senken, werden in dieser Arbeit statt eines flächigen Dünnschichtabsorbers, der eine Schichtdicke von typischerweise 1,5 µm–2 µm besitzt, lokal gewachsene, kreisförmige Mikroabsorber untersucht. Für diese Mikroabsorber wird dieselbe Schichtdicke wie die flächigen Absorber angestrebt, während ihre Durchmesser nur einige 10 µm betragen. Da in dieser Konfiguration nur ein Bruchteil des Substrates durch den Absorber bedeckt ist, muss das einfallende Licht, um es vollständig nutzen zu können, auf das Absorbermaterial konzentriert werden. Die Forschung erfolgte im Rahmen eines Kooperationsprojektes der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG). Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Prozessierung von lokalen metallischen Vorläufern, welche durch zwei verschiedene Methoden hergestellt werden, zu Mikroabsorbern. Die resultierenden Absorber werden des Weiteren umfangreich charakterisiert. Beim ersten Ansatz der Vorläuferherstellung werden am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) Indium und/oder Gallium auf ein laserstrukturiertes, molybdänbeschichtetes Glassubstrat lokal abgeschieden (Nukleationsmethode). Beim zweiten Ansatz werden an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) metallische Vorläuferschichten durch Laserübertrag auf ein mit molybdänbeschichtetes Substrat aufgebracht (LIFT Methode). Der Schwerpunkt meiner Arbeit liegt auf der Weiterverarbeitung dieser Vorläufer aus der Nukleationsmethode zu CuInSe2 (CISe)- und Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe)-Absorbern sowie aus der LIFT Methode zu CIGSe-Absorbern. Dies umfasst das Hinzufügen von Kupfer, die anschließende Selenisierung und die Untersuchung der Mikroabsorbereigenschaften. Auch werden die Absorber zu funktionierenden Solarzellen weiterverarbeitet und elektrisch charakterisiert. Um die Qualität der Mikroabsorber zu prüfen, wird die Homogenität der Morphologie, der Komposition und der opto-elektrischen Aktivität untersucht. Hierbei werden die Phasenkomposition, die Oberflächentopographie und die opto-elektronischen Eigenschaften der Mikroabsorber untersucht und mit denen der flächigen Absorber verglichen. Erste Strom-Spannungs-Messungen der Mikrokonzentratorsolarzellen zeigen unter Lichtkonzentration einen signifikanten Anstieg der Effizienz.

Chalcopyrite solar cells are usually made of copper, indium, gallium and selenium or sulfur and are used in thin-film photovoltaics. Due to the direct band gap of the material and the resulting high absorption, they can achieve the highest efficiency (22.7%) among the thin film solar cells. Nevertheless, the cost of rare materials, such as indium and gallium, is a major challenge for industrial production. To reduce the consumption of indium, micro absorbers instead of thin film absorbers are examined, in this work. These micro absorbers have the same layer thickness as the flat absorbers, i.e. 1.5 µm-2 µm, while the diameter is only a few tens of micro-meters. Since only a small fraction of the substrate is covered by absorber material in this configuration, the incident light will be concentrated onto the absorber in order to take full advantage of the incoming light. The research is carried out in the framework of a collaborative project of the Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG). The present thesis describes the processing of local metallic precursors, towards micro absorbers prepared by two different methods. The resulting absorbers were characterized extensively in this thesis. In the first method, indium and/or gallium is applied to a laser- patterned, molybdenum coated substrate (nucleation method) at the Leibniz- Institut für Kristallzüchtung (IKZ). The second method is based on the laser transfer of a metallic precursor layer onto a molybdenum-coated substrate performed at the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). The focus of this thesis is the further processing of the precursors from the nucleation method to CuInSe2 (CISe)- and Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe)-absorbers as well as from the LIFT method to CIGSe-absorbers. This comprises the addition of copper, subsequent selenization and the investigation of the micro absorber properties. Based on these absorbers, solar cells were fabricated and electrically characterized. In order to prove the quality of the micro absorbers, the morphology as well as the homogeneity of composition and optical activity is investigated. Here, phase composition, surface topography and optoelectronic properties of the micro absorbers are investigated and compared with those of the planar absorbers. In addition, preliminary devices for micro concentrator solar cells exhibit I-V characteristics with significant efficiency increase for operation under enhanced light concentration.