Solution-producible depleted heterojunction solar cells made of copper indium disulfide and zinc oxide nanocrystals
Final Report Abstract
Kupferindiumdisulfid (CuInS2) ist ein aus der anorganischen Dünnschichtphotovoltaik bekanntes Material, welches aber in innovativen Nanopartikel-Solarzellen bislang relativ wenig Beachtung gefunden hat. Hier dominieren Cadmium- und Bleichalkogenide die Forschung. Mit Pb-basierten Verbindungshalbleitern erreichen Laborsolarzellen mit einem ladungsträgerverarmten Heteroübergang (engl.: depleted heterojunction solar cells) Energiekonversionseffizienzen in der Größenordnung von 10%. Es steht die Frage im Raum, ob ähnliche Wirkungsgrade nicht auch mit Nanopartikeln aus CuInS2 als einem weniger toxischen Material realisierbar sind. Dies systematisch zu erforschen, war Ziel des Forschungsprojektes. Aus eigenen Vorarbeiten und bestehender Literatur war zu vermuten, dass die Gestaltung der Nanopartikeloberfläche eine entscheidende Rolle für die Effizienz der Energiekonversion spielt. Aus diesem Grunde wurden Verfahren zur Modifikation der Oberfläche kolloidal hergestellter CuInS2-Nanopartikel mit verschiedenen Liganden erarbeitet und erforscht. Dabei ergab sich die Problematik, einerseits den Ligandenaustausch in kolloidaler Lösung quantitativ zu realisieren und andererseits Kolloide zu erhalten, welche sich auch nach erfolgreichem Austausch noch zur Filmherstellung aus flüssiger Phase eignen. Für viele Verbindungen, die als potentielle Liganden getestet wurden, konnten nicht beide Bedingungen erfüllt werden. Als ein vielversprechender Ligand stellte sich 4-Methylbenzolthiol (4-MBT) heraus. Mit diesem Liganden konnten CuInS2-Nanokristalle, welche ursprünglich von langkettigem Dodecanthiol umgeben waren, derart modifiziert werden, dass ein nahezu vollständiger Austausch gelang. Die resultierenden Kolloide wiesen eine dünnere Ligandenhülle auf und waren in Dichlorbenzol stabil, einem gängigen Lösungsmittel im Bereich der organischen Photovoltaik. Hierdurch konnte eine Schichtabscheidung aus flüssiger Phase realisiert werden. Laborsolarzellen mit Heteroübergängen aus ZnO-Nanopartikeln und CuInS2-Nanopartikeln mit 4-MBT als neuem Liganden wurden präpariert und detailliert untersucht. Dabei zeigte sich allerdings, zunächst überraschend, dass der Ligandenaustausch keinen signifikanten Einfluss auf die elektrischen Kenngrößen der Solarzelle hatte. Tiefergehende physikalische Untersuchungen zum Ladungstransport deuteten darauf hin, dass die Absorberschichten eine hohe Dichte an elektronischen Defektzuständen aufweisen. Möglicherweise kann 4-MBT Oberflächenzustände durch freie Bindungsvalenzen weniger effizient eliminieren, was den Vorteil durch die geringere Dicke der Ligandenhülle nivelliert. Die Untersuchungen haben damit gezeigt, dass bei der Suche nach geeigneten Liganden einerseits die Dicke der Hülle, andererseits aber auch die Fähigkeit zur Passivierung von Oberflächendefekten von Bedeutung ist. Als ein alternativer Ansatz wurden Absorberschichten aus CuInS2 hergestellt, indem eine aus kolloidaler Lösung deponierte Schicht anschließend bei ca. 400°C gesintert wurde. Strukturelle Untersuchungen belegten, dass hiermit homogene Schichten erhalten werden können, auch wenn im Rahmen des Forschungsprojektes mit diesem Ansatz keine funktionierenden Laborsolarzellen realisiert werden konnten. Abschließend ist festzuhalten, dass das Forschungsvorhaben in seinen wesentlichen Zügen durchgeführt werden konnte und neue wissenschaftliche Erkenntnisse zu Ligandenaustauschverfahren sowie zum Sinterverhalten von CuInS2-Nanopartikeln geliefert hat. Die Realisierung von Laborsolarzellen, welche mit ihren „Vorbildern“ aus Bleichalkogeniden konkurrieren könnten, bleibt jedoch eine Herausforderung.
Publications
- Shorter Is Not Always Better: Analysis of a Ligand Exchange Procedure for CuInS2 Nanoparticles as the Photovoltaic Absorber Material, J. Phys. Chem. C 124, 19922-19928 (2020)
H. Reinhold, U. Mikolajczak, I. Brand, C. Dosche, H. Borchert, J. Parisi, and D. Scheunemann
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c04489)
