Lokal gewachsene Cu(In,Ga)Se2-Mikroinseln für Konzentratorsolarzellen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Torsten Boeck; Dr. Jörg Krüger; Professorin Dr. Martina Schmid
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254390113

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Anordnungen von Chalkopyrit-Halbleiterinseln im Mikrometer-Maßstab (400-10000 µm2) bilden, in Kombination mit dem Einsatz lichtkonzentrierender Optiken, eine ganz neue Klasse leistungsstarker und materialeffizienter Dünnschichtsolarzellen. Dünnschichtsolarzellen auf Basis von Chalkopyriten (Cu(In1-xGax)(Se1-ySy)2, kurz CIGS) profitieren von deutlichen Prozess- und Verfahrensvorteilen in ihrer Herstellung und ermöglichen dadurch eine signifikante Material-, Energie- und Kosteneinsparung. Ziel des Projektes war es, µCIGS-Inseln mit zwei unterschiedlichen, laserunterstützten Abscheidemethoden in einem bottomup-Prozess herzustellen und dabei die physikalischen Grundlagen dieser Prozesse zu untersuchen. Einerseits wurde ein Nukleationsansatz, basierend auf der Anordnung von metallischen Vorläuferinseln durch Wachstum auf laserstrukturierten Substraten evaluiert. Indium tendiert bei der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) auf glatten Molybdänsubstraten zum Inselwachstum und lagert sich bevorzugt an lasererzeugten Unebenheiten an. Für das gewünschte Wachstum von flachen und homogenen Indium-Inseln liefert bereits eine leichte Aufrauhung der Substratoberfläche die besten Ergebnisse. Derartige Spots weisen eine poröse Oberflächenstruktur auf mit zur Mitte zunehmender Rauhigkeit. Dass die Benetzung mit Indium im Zentrum dieser Strukturen beginnt, weist darauf hin, dass das induzierte Inselwachstum durch Kondensation von Indium in den kapillarähnlichen Strukturen getrieben wird. Die Inseln wachsen durch Materialtransport aus einem Einzugsgebiet von bis zu mehreren hundert Mikrometern. Andererseits wurde der sogenannte Laser-induzierte Vorwärtstransfer (LIFT) angewendet. Bei diesem Verfahren wird Laserstrahlung genutzt, um Teile eines Donorfilms, der vorher auf ein transparentes Trägermedium aufgebracht wurde, auf ein Zielsubstrat räumlich strukturiert zu übertragen. Mit der LIFT-Technologie lassen sich prinzipiell die für Mikrosolarzellen erforderlichen Präkursorstrukturen herstellen. Für den LIFT-Prozess wurden Einzelschichten aus Kupfer oder Indium sowie kombinierte Cu-In-Schichtstapel verwendet, wobei bei Nutzung der Stapel homogenere und kompaktere Präkursoren hergestellt werden konnten. Durch die Wahl der Materialverhältnisse, der Selenisierungsparameter und der Substrattemperatur können die Absorber in ihrer Zusammensetzung und Homogenität beeinflusst werden. Strukturelle Untersuchungen der µCIGS-Inseln wurden u.a. mittels Röntgendiffraktometrie und Rasterelektronenmikroskopie incl. energiedispersiver Röntgenmikroskopie durchgeführt. Ein mindestens stöchiometrischer Kupferanteil sowie hohe Selenisierungstemperaturen zeigten sich dabei vorteilhaft für die Herstellung hochqualitativer Absorber mit guter Durchmischung der Elemente. Dies bestätigten Photolumineszenz-Messungen, die für Mikroabsorber (hergestellt im Nukleationsansatz) optoelektronische Eigenschaften vergleichbar zur planaren Referenz identifizierten. Zur elektrischen Charakterisierung im Bauteil wurden die Mikroabsorber in Solarzellen integriert. Die einzelnen Absorber wurden in einer Parallelverschaltung zunächst elektrisch voneinander isoliert, bevor die Frontkontaktschichten (CdS, i-ZnO, ZnO:Al) flächig aufgebracht wurden. An den Mikrosolarzellen gemessene Strom-Spannungs-Kennlinien wiesen eine klar erkenntliche Dioden-Kennlinie auf. Für die Absorber aus den verschiedenen laserunterstützten Herstellungsprozessen wurden Effizienzen zwischen 1,5‰ und 2,9% bei einer Sonne sowie Effizienzsteigerung unter Lichtkonzentration gemessen. Zu beachten ist hier, dass planare Referenzen unter 10% Wirkungsgrad limitiert waren. Die Tatsache, dass mit beiden verfolgten laserbasierten Ansätzen (Nukleation und LIFT) funktionsfähige Solarzellen hergestellt werden konnten, stellt eine aussichtsreiche Basis für die zukünftige Forschung dar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Regularly arranged indium islands on glass/molybdenum substrates upon femtosecond laser and physical vapor deposition processing, Applied Physics Letters 108, 111904 (2016)
  F. Ringleb, K. Eylers, Th. Teubner, T. Boeck, C. Symietz, J. Bonse, S. Andree, J. Krüger, B. Heidmann, M. Schmid, M. Lux-Steiner
  
• Femtosecond laser pulses for photovoltaic bottom-up strategies, Tagungsband zur 10. Mittweidaer Lasertagung an der Hochschule Mittweida, Scientific Reports der Hochschule Mittweida Nr. 2, 1-4 (2017)
  S. Andree, B. Heidmann, F. Ringleb, K. Eylers, J. Bonse, T. Boeck, M. Schmid, J. Krüger
  
• Growth and shape of indium islands on molybdenum at micro-roughened spots created by femtosecond laser pulses, Applied Surface Science 418, 548-553 (2017)
  F. Ringleb, K. Eylers, Th. Teubner, H.-P. Schramm, C. Symietz, J. Bonse, S. Andree, B. Heidmann, M. Schmid, J. Krüger, T. Boeck
  
• Growth of crystalline semiconductor structures on amorphous substrates for photovoltaic applications, Crystal Research and Technology 52, 1600239 (2017)
  T. Boeck, F. Ringleb, R. Bansen
  
• Local growth of CuInSe2 micro solar cells for concentrator application, Materials Today Energy 6, 238-247 (2017)
  B. Heidmann, F. Ringleb, K. Eylers, S. Levcenco, J. Bonse, S. Andree, J. Krüger, T. Unold, T. Boeck, M.C. Lux-Steiner, M. Schmid
  
• Production of precursors for micro-concentrator solar cells by femtosecond laser-induced forward transfer, Applied Physics A 123, 670 (2017)
  S. Andree, B. Heidmann, F. Ringleb, K. Eylers, J. Bonse, T. Boeck, M. Schmid, J. Krüger
  
• Fabrication of regularly arranged chalcopyrite micro solar cells via femtosecond laser-induced forward transfer for concentrator application, ACS Applied Energy Materials 1, 27-31 (2018)
  B. Heidmann, S. Andree, S. Levcenko, T. Unold, D. Abou-Ras, N. Schäfer, J. Bonse, J. Krüger, M. Schmid
  
• Femtosecond laser-based production of micro-concentrator solar cells, Beilstein Journal of Nanotechnology 9, 3025-3038 (2018)
  F. Ringleb, S. Andree, B. Heidmann, J. Bonse, K. Eylers, O. Ernst, T. Boeck, M. Schmid, J. Krüger
  
• Locally grown Cu(In,Ga)Se2 micro islands for concentrator solar cells, Proceedings of SPIE, Physics, Simulation, and Photonic Engineering of Photovoltaic Devices VII 10527, 1052707 (2018)
  M. Schmid, B. Heidmann, F. Ringleb, K. Eylers, O. Ernst, S. Andree, J. Bonse, T. Boeck, J. Krüger