Institut für Angewandte Physik - Arbeitsgruppe Prof. Dr. Kalt

CIGS-Solarzellen

Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS)-Solarzellen gehören zu den etablierten Solarzellen der Dünnschicht-Photovoltaik und erreichen Rekord-Wirkungsgrade von 23,4%. Einer der größten Vorteile des Absorbermaterials Cu(In,Ga)(S,Se)2 ist die Möglichkeit der Beeinflussung dessen Bandlücke durch die Variation des Ga/(Ga+In)-Verhältnisses, wodurch das Sonnenspektrum besser ausgenutzt werden kann. Aufgrund des hohen Absorptionskoeffizienten des Absorbermaterials ist eine 2 µm dicke Schicht für die Stromerzeugung ausreichend. Dadurch ergeben sich zahlreiche neue Anwendungsgebiete für die Solarzellen. So können CIGS-Dünnschichtsolarzellen in Fassaden integriert und in flexiblen, leichten Solarmodulen für Outdoor-Aktivitäten verwendet werden.

Unsere Forschungsgruppe arbeitet in enger Kooperation mit Projektpartnern aus der Industrie und weiteren Forschungsinstituten an der Optimierung der einzelnen Schichten der Solarzellen, um den Wirkungsgrad weiter zu steigern. Hierfür liegt unser Fokus zum einen auf der Untersuchung des Einflusses verschiedener Zusammensetzungen des Absorbers und zum anderen auf der Erforschung alternativer Materialien für die Cadmiumsulfid-Pufferschicht für die Reduktion der Absorptionsverluste in dieser Schicht. Letzteres hat zusätzlich die Substitution des giftigen Cadmiums zum Ziel.

Die CIGS-Solarzellen mit unterschiedlichen Absorberkompositionen und Puffermaterialien werden mit Hilfe der Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie (KPFM) und der Elektroreflektanz-Spektroskopie (ER) untersucht. Der Einsatz der Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie ermöglicht es, den Potentialverlauf entlang aller Schichten der Solarzelle zu messen, sowie Informationen über wichtige physikalische Eigenschaften wie z.B. die Lokalisierung und Breite der Raumladungszone sowie die Abhängigkeit des Ferminiveaus vom Galliumgehalt zu erhalten. Die Elektroreflektanz-Spektroskopie ist eine Art der Modulationsspektroskopie und wird für die zerstörungsfreie Bestimmung der Bandlückenenergien der Absorber- und Pufferschichten angewandt. Zusätzlich ermöglicht diese Methode die Detektion von Sekundärphasen, die sich aufgrund von Diffusionsprozessen bilden können.

Publikationen:

J. Seeger et al., "Averaged angle-resolved electroreflectance spectroscopy on Cu(In,Ga)Se2 solar cells: Determination of buffer bandgap energy and identification of secondary phase", Appl. Phys. Lett. 115, 263901 (2019)

J. Seeger et al., "Cross-sectional Kelvin probe force microscopy on Cu(In,Ga)Se2 solar cells: Influence of RbF and KF post-deposition treatment on the surface potential of the absorber layer", Appl. Phys. Lett. 117, 243901 (2020)

 

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Funktionsweise der winkelaufgelösten Elektroreflektanz-Spektroskopie und Aufbau einer CIGS-Solarzelle (J. Seeger et al., Appl. Phys. Lett. 115, 263901 (2019))
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Detektion der Bandlückenenergien von Pufferschicht und Sekundärphase einer CIGS-Solarzelle (J. Seeger et al., Appl. Phys. Lett. 115, 263901 (2019))

Perowskit-Solarzellen

Perowskit-basierte Dünnschichtsolarzellen sind bis heute die am schnellsten wachsende Photovoltaiktechnologie der Geschichte. Ausgehend von einer Effizienz von 3% im Jahr 2009 konnte der Wirkungsgrad bis heute auf Werte von über 20% gesteigert werden.

Der Hauptfokus unserer Forschung im Bereich der Perowskit-Solarzellen beschäftigt sich mit der Untersuchung fundamentaler optoelektronische Eigenschaften des Perowskit-Absorbermaterials mittels fortgeschrittener optischer Spektroskopie. Das Ziel besteht darin, wertvolle Erkenntnisse über die physikalischen Prozesse sowohl im Absorbermaterial als auch der gesamten Solarzelle zu gewinnen und sie mit den makroskopischen Eigenschaften und Leistungsvermögen zu korrelieren. Dafür setzen wir verschiedene spektroskopische Techniken ein, wie z.B. Absorptionsspektroskopie, (zeitaufgelöste) Photolumineszenz-Messungen (PL) und Modulationsspektroskopie.

Beispielsweise erlaubt es die Modulationsspektroskopie (und insbesondere Elektroreflektanz- (ER) und Elektroabsorptionsspektroskopie (EA)), die Bandlücke eines Halbleiters sehr genau zu bestimmten sowie die elektronische Struktur besser zu verstehen. Mittels dieser Techniken sind wir in der Lage komplette Solarzellen zerstörungsfrei zu untersuchen. Das grundsätzliche Prinzip besteht darin, den Einfluss eines modulierten externen Stimulus (z.B. eine angelegte Spannung), auf die optischen Eigenschaften (wie z.B. Transmission oder Reflektanz) zu messen.

Durch den Einsatz der genannten fortgeschrittenen Spektroskopietechniken sind wir in der Lage fundamentale Materialeigenschaften zu analysieren; so z.B. die Rolle exzitonischer Effekte oder temperaturabhängiger Phasenübergänge in der Kristallstruktur. Außerdem betrachten wir verschiedene Kompositionen des Perowskit-Absorbers und die Auswirkungen auf das Leistungsvermögen und die Stabilität der Perowskit-Solarzellen.

Publikationen:

F. Ruf et al., "Excitonic Nature of Optical Transitions in Electroabsorption Spectra of Perovskite Solar Cells", Appl. Phys. Lett. 112, 083902 (2018)

F. Ruf et al., "The Bandgap as a Moving Target: Reversible Bandgap Instabilities in Multiple-Cation Mixed-Halide Perovskite Solar Cells", ACS Energy Lett. 3(12), 2995-3001 (2018)

F. Ruf et al., "Temperature-dependent studies of exciton binding energy and phase-transition suppression in (Cs,FA,MA)Pb(I,Br)3 perovskites", APL Materials 7, 031113 (2019)

 

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Schematischer Aufbau einer Perowskit-Solarzelle
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Detektion exzitonischer Effekte im Perowskit-Absorbermaterial (F. Ruf et al., Appl. Phys. Lett. 112, 083902 (2018))

Kesterit-Solarzellen

Solarzellen mit Kesterit- (Cu2ZnSn(S,Se)4-, CZTSSe-) Absorbern sind vielversprechende Kandidaten für die Dünnschicht-Photovoltaik, da sie auf umweltfreundlichen und kostengünstigen Materialien beruhen.

Im Mittelpunkt unserer Forschungsarbeiten stehen sowohl die Herstellung, als auch die Charakterisierung entsprechender Solarzellen. Für die Herstellung werden zwei weit verbreitete und vielversprechende Methoden verwendet. Zum einen wird Koverdampfung eingesetzt, die sehr definierte Herstellungsbedingungen und eine hohe Materialreinheit durch die Deposition des Materials im Vakuum ermöglicht. Andererseits werden aber auch lösungsbasierte Rakel-Verfahren genutzt, die sich durch die Einfachheit des Prozesses und einen hohen Probendurchsatz auszeichnen.
Im Zuge der aktuellen Forschung an Kesteriten untersuchen wir u.a. Modifikationen des Absorber-Materials zum Beispiel durch Einbringen von Germanium, welches zum einen Zinn substituieren, aber auch als Katalysator während des Herstellungsprozesses dienen kann. Des Weiteren haben wir ein Herstellungsverfahren entwickelt, das eine gezielte Einstellung des Schwefel-zu-Selen-Verhältnisses in CZTSSe und damit eine definierte Einstellung der Absorber-Bandlücke ermöglicht. Diese Technik eröffnet den Kesterit Solarzellen viele Einsatzmöglichkeiten, wie zum Beispiel die Nutzung in Tandem-Solarzellen. Zudem forschen wir an alternativen Puffer-Materialien, welche auch in der Cu(In,Ga)(S,Se)2- (CIGS-) Forschung eingesetzt werden. Bei Kesterit- wie auch CIGS-Solarzellen wird bisher meistens CdS als Puffer verwendet, das in Zukunft aber durch umweltfreundlichere Materialien mit kleineren Absorptionsverlusten ersetzt werden soll. Zur zerstörungsfreien Analyse von Puffer- und Absorberschichten kommen verschiedene neuartige Varianten der Modulationsspektroskopie auf Grundlage der Elektroreflektanz zum Einsatz, die in unserer Arbeitsgruppe entwickelt wurden. Weitere im Zuge der Kesteritforschung genutzte Charakterisierungsmethoden sind Photolumineszenz, Ramanspektroskopie, Röntgendiffraktometrie, Elektronenmikroskopie sowie Absorptions- und Kennlinienmessungen.
Schwerpunkte der spektroskopischen Untersuchungen sind kompositionelle Abhängigkeiten von materialspezifischen Eigenschaften wie z. B. dem Ordnungsgrad in der Cu-Zn-Ebene des Kesterit-Kristalls, welcher direkten Einfluss auf die Bandlücke des Materials hat. Die im Zuge dessen gewonnenen Erkenntnisse tragen maßgeblich zum Verständnis des Materials CZTSSe bei.

Unsere Forschung erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT, dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Stuttgart, dem Labor für Chalkogenid-Photovoltaik (LCP) der Universität Oldenburg und dem Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) am KIT,  gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts „FREE-INCA“.

Publikationen:

M. Neuwirth et al., "Band-gap tuning of Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cell absorbers via defined incorporation of sulfur based on a post-sulfurization process", Sol. Energy Mater. Sol. Cells 182, 158-165 (2018)

M. Lang et al., "Impact of the degree of Cu-Zn order in Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cell absorbers on defect states and band tails", Appl. Phys. Lett. 113, 033901 (2018)

M. Lang et al., "Influence of the Cu Content in Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cell absorbers on order-disorder related band gap changes", Appl. Phys. Lett. 109, 142103 (2016)

M. Neuwirth et al., "Morphology of multiple-selenized Cu2ZnSn(S,Se)4 absorber layers", phys. stat. solidi (b) 14, 1600163 (2017)

C. Krämmer, "Optoelectronic Characterization of Thin-Film Solar Cells by Electroreflectance and Luminescence Spectroscopy", Dissertation, Karlsruhe Institut für Technologie (2015)

 

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SEM-Aufnahme des Querschnitts einer Kesterit-Solarzelle (Neuwirth et al., Appl. Phys. Lett. 109, 233903 (2016))
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Kennlinien und Leistungsdaten verschiedener Kesterit-Solarzellen (Neuwirth et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 182, 158-165 (2018))
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Abhängigkeit der Bandlückenenergie des Kesterit-Absorbers von der Herstellungstemperatur (Neuwirth et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 182, 158-165 (2018))