Atomare Struktur von Kesteriten

• Antragstellerin: Professorin Dr. Claudia Sarah Schnohr
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278882382

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Photovoltaik ist eine der zentralen Technologien, um in Zukunft eine nachhaltige Energieversorgung der Weltbevölkerung sicherstellen zu können. Sogenannte Kesterite, wie beispielsweise Cu2ZnSn(Se,S)4, sind vielversprechende Absorbermaterialien für Dünnschichtsolarzellen, da sie hauptsächlich aus ungiftigen Elementen mit großer Verfügbarkeit bestehen. Allerdings sind ihre Wirkungsgrade im Vergleich zu anderen Materialien noch deutlich geringer. Eine mögliche Ursache für dieses Defizit sind Fremdphasen und strukturelle Defekte in der Absorberschicht. Das Auftreten von Fremdphasen hängt von der Herstellungsart, den Wachstumsbedingungen und der Zusammensetzung der Dünnschicht ab. Zur Vermeidung struktureller Defekte und zur gezielten Optimierung der Materialeigenschaften wird der Austausch bestimmter Elemente, beispielsweise Sn durch Ge oder Cu durch Ag, verfolgt. Allerdings ist von anderen Mischsystemen bekannt, dass dabei die lokalen Anordnungen der Atome häufig von der langreichweitigen Kristallstruktur abweichen, was wiederum die Eigenschaften des Materials beeinflusst. Daher wurde in diesem Projekt ein umfangreicher Satz von Kesteritmaterialien hinsichtlich ihrer lokalen Struktur und deren Einfluss auf die Materialeigenschaften sowie in Bezug auf Fremdphasen und chemische Inhomogenitäten untersucht. Die atomare Struktur auf der Subnanometer-Skala wurde mittels synchrotronbasierter Röntgenabsorptionsspektroskopie bestimmt. Dabei zeigt sich, dass sich die elementspezifischen Bindungslängen für die verschiedenen Kation-Anion-Paare mitunter drastisch unterscheiden, selbst wenn die Atome den gleichen Gitterplatz bevölkern. Als Folge dessen hängt die Position der Anionen von der Art der umgebenden Kationen ab und variiert erheblich für die verschiedenen lokalen Konfigurationen, die im Material koexistieren. Theoretische Rechnungen zeigen zudem, dass die Anionenposition einen starken Einfluss auf die Bandlücke des Materials besitzt, eine der zentralen Eigenschaften für die Leistung einer Solarzelle. Fremdphasen und lokale Schwankungen in der Zusammensetzung wurden mittels ortsaufgelöster Röntgenfluoreszenzanalyse mit einem Synchrotron-Nanostrahl sowie verschiedenen elektronenmikroskopischen Methoden untersucht. Abhängig von der Herstellungsart und der integralen Materialzusammensetzung, weisen die Schichten sowohl Fremdphasenausscheidungen als auch Kesteritbereiche und Korngrenzen mit unterschiedlicher lokaler Zusammensetzung im Submikrometerbereich auf. Im Gegensatz dazu können mit einer anderen Herstellungsmethode homogene Kesterit-Dünnschichten ohne Sekundärphasen oder Schwankungen in der lokalen Zusammensetzung produziert werden. Die Ergebnisse dieses Projektes liefern somit einzigartige und wertvolle Erkenntnisse über die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften komplexer Kesterit-Materialien auf der Mikrometer- bis Subnanometer-Skala. Darüber hinaus geben sie Hinweise auf geeignete Herstellungsmethoden und -bedingungen zur Realisierung leistungsfähiger Dünnschichtsolarzellen für eine nachhaltige Energieversorgung der Zukunft.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Insights into interface and bulk defects in a high efficiency kesterite-based device, Energy Environ. Sci. 14, 507 (2021)
  R. Fonoll-Rubio, J. Andrade-Arvizu, J. Blanco-Portals, I. Becerril-Romero, M. Guc, E. Saucedo, F. Peiro, L. Calvo-Barrio, M. Ritzer, C. S. Schnohr, M. Placidi, S. Estrade, V. Izquierdo-Roca, A. Perez-Rodriguez
  
• Discrepancy between integral and local composition in offstoichiometric Cu2ZnSnSe4 kesterites: A pitfall for classification, Appl. Phys. Lett. 110, 043901 (2017)
  P. Schöppe, G. Gurieva, S. Giraldo, G. Martínez-Criado, C. Ronning, E. Saucedo, S. Schorr, C. S. Schnohr
  
• Atomic scale structure and its impact on the band gap energy for Cu2Zn(Sn,Ge)Se4 kesterite alloys, J. Phys.: Energy 2, 035004 (2020)
  K. Ritter, S. Eckner, C. Preiß, G. Gurieva, T. Bischoff, E. Welter, S. Botti, S. Schorr, C. S. Schnohr
  
• Interplay of performance-limiting nanoscale features in Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cells, Phys. Stat. Sol. A 217, 2000456 (2020)
  M. Ritzer, S. Schönherr, P. Schöppe, G. Larramona, C. Choné, G. Gurieva, A. Johannes, K. Ritter, G. Martínez-Criado, S. Schorr, C. Ronning, C. S. Schnohr
  
• On the germanium incorporation in Cu2ZnSnSe4 kesterite solar cells boosting their efficiency, ACS Appl. Energy Mater. 3, 558 (2020)
  M. Ritzer, S. Schönherr, P. Schöppe, W. Wisniewski, S. Giraldo, G. Gurieva, A. Johannes, C. T. Plass, K. Ritter, G. Martínez-Criado, S. Schorr, E. Saucedo, C. Ronning, C. S. Schnohr
  
• Atomic scale structure of (Ag,Cu)2ZnSnSe4 and Cu2Zn(Sn,Ge)Se4 kesterite thin films, Front. Energy Res. 9, 656006 (2021)
  K. Ritter, G. Gurieva, S. Eckner, C. Preiß, M. Ritzer, C. J. Hages, E. Welter, R. Agrawal, S. Schorr, C. S. Schnohr