Vermessung von Dünnschicht-Solarzellen im Vergleich
Prüfmethoden auf dem Prüfstand: 18 Techniken zur Quantifizierung von dünnen Multischichten in Studie analysiert.
Es stehen verschiedene Messmethoden zur Verfügung, mit denen man auf unterschiedliche Art und Weise untersuchen kann, wie homogen zum Beispiel eine Schicht in einer Solarzelle ist und wie die beteiligten chemischen Elemente in ihr verteilt sind. Ein internationales Wissenschaftler-Team um Daniel Abou-Ras vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat nun einen Test vorgelegt, bei dem 18 solcher Messmethoden miteinander verglichen wurden.
Abb.: Mikroskopaufnahme einer Schicht aus Kupfer-Indium-Sulfid (CIS) (Bild: HZB)
Über 30 Forscher aus sechs Ländern haben sich an der umfassenden Vergleichsanalyse beteiligt. Sie vermaßen alle dieselbe Dünnschichtprobe aus Kupfer-(Indium,Gallium)-Selenid, wie sie als Absorberschicht in Solarzellen verwendet wird. Dabei haben die Teams Nachweisgrenzen, Orts- und Tiefenauflösungen sowie die Messgeschwindigkeit der einzelnen Verfahren gegenüber gestellt.
Daniel Abou-Ras, der Koordinator der Studie, weist darauf hin, dass die Analysemethoden nicht nur zur Untersuchung von Dünnschicht-Solarzellen eingesetzt werden. Man könne alle Multischichtsysteme mit diesen Techniken untersuchen, zum Beispiel Schichten in optoelektronischen Elementen wie LEDs.
Speziell bei der Entwicklung von Dünnschicht-Solarzellen benötigen Wissenschaftler Informationen darüber, wie sich die Elemente innerhalb der Kupfer-Indium-Gallium-Selen-Schicht verteilen und wie sie sich an den Grenzen zwischen den einzelnen Schichten verhalten. Die Verteilung von Indium und Gallium hat dabei Einfluss auf die optischen Eigenschaften der Absorberschicht. Die Kupfer- und Selen-Verteilung wiederum beeinflusst entstehende Sekundärphasen. Ebenso wirken Verunreinigungen durch Natrium- und Kaliumspuren auf die elektrischen Eigenschaften der Solarzellen.
Eine der wichtigsten Erkenntnisse aus der Studie: Es gibt keine Technik, die alleine in der Lage ist, Elementverteilungen zuverlässig quantitativ zu detektieren. In jedem Fall ist es empfehlenswert, mindestens zwei Methoden zu kombinieren. Der Anwendungsfall entscheidet dann darüber, welche Techniken besonders geeignet sind.
Für die industrielle Qualitätssicherung sind zum Beispiel vor allem Methoden gefragt, die innerhalb weniger Minuten Ergebnisse liefern, dabei aber trotzdem zuverlässig sind wie etwa die Glimmentladungsspektroskopie. Massenspektroskopietechniken haben sehr geringe Nachweisgrenzen und können deshalb für die Analyse von Spurenelementen eingesetzt werden. Es gibt auch Techniken wie die Röntgendiffraktometrie unter strahlendem Einfall oder die Ellipsometrie, welche die Probe nicht zerstören. Die Ramanspektroskopie kann herangezogen werden, wenn man Aussagen zur Phasenverteilung in einer Dünnschicht benötigt.
IH / HZB / PH
