Warum steigert Unordnung die Effizienz?

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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.

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.

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 Schwelle 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 unlängst als Titelbeitrag in der renommierten Fachzeitschrift "Physical Review Letters" Anfang Oktober präsentiert.

Quelle: Hahn-Meitner-Institut Berlin GmbH

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Susanne Siebentritt et al., Evidence for a Neutral Grain-Boundary Barrier in Chalcopyrites, Phys. Rev. Lett. 97, 146601 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.146601
• Hahn-Meitner-Institut Berlin GmbH:
  http://www.hmi.de