Steigert Unordnung die Effizienz von Solarzellen?
Dünnschichtsolarzellen aus Chalkopyriten, so genannte CIS-Zellen (wie z.B. Kupfer-Indium-Sulfid und Kupfer-Indium-Selenid) weisen in der polykristallinen Form im Gegensatz zu Silizium-Zellen höhere Effizienzen auf als in der monokristallinen Form. Forscher des Hahn- Meitner-Instituts Berlin haben nun erstmals einen Nachweis geliefert, der dieses Phänomen erklären könnte.
Hindernisse für den Ladungstransport - Korngrenzen in Halbleiterkristallen
In polykristallinen Materialien bilden sich Korngrenzen, wenn zwei Kristalle aufeinander stoßen. Diese Korngrenzen sind Kristallstörungen und bilden elektrisch geladene Defekte. Sie sind für die Qualität der Bauelemente schädlich, da sie die Anzahl der vom Licht generierten Ladungsträger durch Rekombination reduzieren. Bei diesem Effekt treffen zwei Ladungsträger mit entgegengesetzten Vorzeichen aufeinander und "löschen sich aus". Rekombinierte Ladungsträger können nicht mehr zum elektrischen Strom beitragen. Außerdem stellen Korngrenzen eine Barriere für den Ladungstransport dar.
Vor kurzem wurden auch Korngrenzen theoretisch vorhergesagt, die keine elektrische Ladung, aber trotzdem eine Barriere aufweisen. "Wir haben speziell für den Nachweis dieser neutralen Korngrenzenbarriere Kristalle aufgewachsen und konnten an diesen nun erstmals überhaupt eine neutrale Korngrenzenbarriere nachweisen", erläutert Projektleiterin Dr. Susanne Siebentritt vom Hahn- Meitner-Institut Berlin. Was die Forscher erstaunt, ist der Umstand, dass diese neutralen Grenzen ein Hindernis für den Ladungstransport bilden: "Bisher gingen wir davon aus, dass nur geladenen Korngrenzen eine Barriere darstellen. Dass neutrale Grenzen ebenso ein Hindernis für den Ladungstransport darstellen, könnte weit reichende Konsequenzen haben", berichtet Dr. Sascha Sadewasser, Mitentdecker der neuen Struktur.
Die neutrale Korngrenzenbarriere könnte einer der Gründe sein, warum in Chalkopyriten unerwarteterweise polykristalline Solarzellen effizienter sind als einkristalline: An der Barriere wird wahrscheinlich die Rekombination unterdrückt. "Dieser erste Nachweis wird der Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen aus Chalkopyriten wichtige Entwicklungsimpulse liefern", so Siebentritt weiter.
Mono- und polykristalline Halbleiter
Die meisten heutzutage eingesetzten Halbleiter, wie z.B. Computerchips, sind monokristallin, das heißt sie bilden ein einheitliches, homogenes Kristallgitter. Auch die effizientesten Solarzellen aus Silizium sind monokristallin. Im Gegensatz dazu bestehen polykristalline Schichten aus vielen kleinen Einzelkristallen, die durch die so genannten Korngrenzen voneinander getrennt werden. Polykristalline Schichten sind deutlich einfacher und kostengünstiger zu produzieren. Daher konzentriert sich die Entwicklung von preiswerten Solarzellen zunehmend auf polykristalline Materialien. Chalkopyrite stehen an der Schwel- le zur Massenproduktion, da sie neben der polykristallinen Struktur auch vielfach dünnere Schichten und so erhebliche Material- und Kostenersparnisse ermöglichen. "Für uns Forscher und auch für Produzenten von Solarzellen sind diese Materialien sehr interessant, da hier unter anderem die polykristallinen Zellen effizienter sind als die monokristallinen", schließt Siebentritt.
Die Ergebnisse der Berliner Forscher wurden als Titelbeitrag in der renommierten Fachzeitschrift "Physical Review Letters" Anfang Oktober 2006 präsentiert.
- Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen (HIPOLE Jena) eröffnetAm 17. Juni 2024 ist in Jena das Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen (HIPOLE Jena) im Beisein von Wolfgang Tiefensee, Minister für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft des Freistaates Thüringen, feierlich eröffnet worden. Das Institut wurde vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) in Kooperation mit der Friedrich-Schiller-Universität Jena gegründet: Es widmet sich der Entwicklung nachhaltiger Polymermaterialien für Energietechnologien. Diese sollen eine Schlüsselrolle bei der Energiewende spielen und Deutschlands Ziel unterstützen, bis 2045 klimaneutral zu werden.
- „Forschung und Entwicklung ist auch in Kriegszeiten entscheidend!“Am 11. und 12. Juni fand die Ukraine Recovery Conference in Berlin statt. Begleitend diskutierten Vertreter*innen von Helmholtz, Fraunhofer und Leibniz, wie Forschung zu einem nachhaltigen Wiederaufbau der Ukraine beitragen kann. In diesem Interview spricht Bernd Rech, wissenschaftlicher Geschäftsführer am HZB, über die Bedeutung von Forschung während des Krieges und Projekten wie Green Deal Ukraina.
- MXene als Energiespeicher: Chemische Bildgebung blickt nun tieferEine neue Methode in der Spektromikroskopie verbessert die Untersuchung chemischer Reaktionen auf der Nanoskala, sowohl auf Oberflächen als auch im Inneren von Schichtmaterialien. Die Raster-Röntgenmikroskopie (SXM) an der MAXYMUS-Beamline von BESSY II ermöglicht den hochsensitiven Nachweis von chemischen Gruppen, die an der obersten Schicht (Oberfläche) adsorbiert oder in der MXene-Elektrode (Volumen) eingelagert sind. Die Methode wurde von einem HZB-Team unter der Leitung von Dr. Tristan Petit entwickelt. Das Team demonstrierte die Methode nun an MXene-Flocken, einem Material, das als Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt wird.