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Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung.

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1 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart März 2012 Jan Künzel

2 2 i.Motivation für Dünnschichtzellen ii.Direkte Halbleiter iii.Zellen aus amorphem Silizium iv.Zellen aus Cadmium-Tellurid v.CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite Kupfer-Indium-Diselenid vi.Zellen aus Gallium-Arsenid vii.Tandem-Solarzellen viii.Abschließende Übersicht Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Inhalt: Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

3 3 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen i.Motivation für alternative Materialien: Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart H.GIF ICs/xpertepi.jpg content/uploads/2011/02/czochralski-process-5.png 9%203to4.jpg 4f8c78.jpg gif hepp2-f1.jpg Solar-Cadmium-Telluride-Thin-Film-Solar-Panels-2.jpeg large.jpg

4 4 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Hohe Effizienz bei vermindertem Materialeinsatz Möglichkeit von Zellen auf flexiblen Substraten Günstige Herstellungsbedingungen / Energy-Payback-Time [1] [2] i.Motivation für alternative Materialien: Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

5 [1] 5 Silizium CuInSe 2 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen i.Motivation für alternative Materialien: Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart [1] sehr steiler Anstieg der Absorptionskoeffizienten Bandlücken liegen günstig bzgl. des AM1.5-Spektrums geringe Schichtdicken lassen auf effektive Absorption schließen

6 6 k-erhaltende Übergänge in direkten Halbleitern Photonen können Elektronen direkt vom Valenz- ins Leitungsband anregen Bildung eines Elektron-Loch-Paares bei Absorption ist Zwei-Teilchen-Prozess bei Anregung Impulserhaltung ohne Phononenimpuls [2] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen ii.Direkte Halbleiter: Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Indirekte Bilanzgleichungen Eigenschaften direkter Halbleiter

7 7 Absorptionskoeffizienten bei direkten Halbleitern bei parabolischer Bandstruktur gilt für direkte Halbleiter mit A=10 4 cm -1 [2] [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen ii.Direkte Halbleiter: Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

8 8 mit steigendem Absorptionskoeffizienten kann die Dicke der absorbierenden Schicht abnehmen! Lambert-Beersches-Gesetz : Dünnschicht- und Tandemsolarzellen ii.Direkte Halbleiter: Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart [1] Absorptionskoeffizienten und spektrales Ansprechverhalten

9 9 EGEG 1,7eV Abs 1, cm -1 a5,43 Å α th 2, °C -1 nDnD 4,3 µeµe 1500cm²/Vs µhµh 450cm²/Vs 600ma-amorphous-silicon-laminate-solar-cells-for-DIY- solar-panel-portable-power-Free.jpg Dünnschicht- und Tandemsolarzellen iii.Zellen aus amorphem Silizium Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

10 10 Herstellungsverfahren: Amorphes hydrogenisiertes Silizium CVD chemical vapor deposition Sputtern GD glow discharge: Abscheidung in einer Glimmentladung glow discharge: [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen iii.Zellen aus amorphem Silizium Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

11 11 Eigenschaften von a-Si:H x-Sia-Si [1] dangling bonds führen zu Defektzuständen in der Energielücke sp³-hybridisierte Tetraeder ohne offene Bindungen Dünnschicht- und Tandemsolarzellen iii.Zellen aus amorphem Silizium Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

12 (3) Sputtern (2) Glimmentladung bei 80°C (1) Glimmentladung bei 280°C 12 Die Translationssymmetrie des periodischen Kristallgitters ist aufgehoben Das Bloch-Theorem verliert seine Gültigkeit Keine genau definierte E(k)-Bandstruktur mehr [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen iii.Zellen aus amorphem Silizium Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Eigenschaften von a-Si:H

13 13 [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen iii.Zellen aus amorphem Silizium Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Absorptionskoeffizient von a-Si:H hohe Substrattemperatur, wenig Wasserstoff im Material und kleinere Energielücke niedrige Substrattemperatur, viel Wasserstoff und größere Energielücke Man toleriert große, nicht optimale, Energielücke und hohen Wasserstoffgehalt für gute Absättigung der dangling bonds bessere elektronische Eigenschaften durch reduzierte Defektdichte in der Energielücke H H

14 [1] 14 Si H H Dünnschicht- und Tandemsolarzellen iii.Zellen aus amorphem Silizium Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Staebler-Wronski-Effekt / Photodegradation

15 15 [1] p+p+ n+n+ LB VB EFEF EFEF i e-e- h+h+ Dünnschicht- und Tandemsolarzellen iii.Zellen aus amorphem Silizium p-i-n-Struktur mit a-Si:H Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

16 16 Herstellungsverfahren: CVD Gasphasenabscheidung Sputtern Siebdruck / Screen printing Close-Spaced Sublimation Galvanische Abscheidung EGEG 1,45 eV Abs cm -1 a6,48 Å α th 4, °C -1 nDnD 3 µeµe 1000cm²/Vs µhµh 100cm²/Vs energy.de/index.php?eID=tx_cms_showpic&file=uploads %2Fpics%2FFleischle.jpg&width=500m&height=500&bod yTag=%3Cbody%20bgColor%3D%22%23ffffff%22%3E& wrap=%3Ca%20href%3D%22javascript%3Aclose%28%2 9%3B%22%3E%20|%20%3C%2Fa%3E&md5=aa308f33c a3bbfb529f1b7b8b894367d 500.jpg SCP CSS Dünnschicht- und Tandemsolarzellen iv.Zellen aus Cadmium-Tellurid Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Blythe, CA, USA 21MW Library/Print/CstSte_6281_FS_CA_HR_M.ashx

17 17 Siebdruck von CdTe-Zellen: Drucker der mit Pasten aus Cadmium- & Tellurpulver arbeitet aufgetragenen Schichten werden getrocknet und bei 600°C gesintert Rückkontakt über C-Film mit ppm Kupfer Kontaktierung über Silberpaste mit Indiumpulver monolithisch verschaltete Zelle Dünnschicht- und Tandemsolarzellen iv.Zellen aus Cadmium-Tellurid Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart [1] Herstellung: n-CdS/p-CdTe-Heterostruktur

18 18 n-CdSp-CdTe e-e- h+h+ [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen iv.Zellen aus Cadmium-Tellurid Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart n-Cadmium-Sulfid / p-Cadmium-Tellurid-Bandstruktur etwa 1eV Kontaktpotentialdifferenz Abfall des Kontaktpotentials im p-CdTe Zwei Banddiskontinuitäten, die die Ladungsträger nicht stören p-CdTe durch Eigendefekte schwach dotiert, genügt bei dünnen Schichten für akzeptablen Serienwiderstand E VAK

19 19 [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen iv.Zellen aus Cadmium-Tellurid Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Metall-Halbleiter-Rückkontakte benötigt wird idealer, ohmscher Rückkontakt Austrittsarbeit des Metalls zum Vakuumniveau sollte größer sein als diejenige von CdTe, da Bandverbiegung sonst Barriere für Ladungsträger darstellt Geeignete Metalle sind Lifetime-Killers; diffundieren einfach und bilden Haftstellen im Bandgap

20 20 [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen iv.Zellen aus Cadmium-Tellurid Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart p + -ZnTe/i-CdTe/n + -CdS-Solarzelle Analogon zur p-i-n-Struktur bei a-Si Zwei Banddiskontinuitäten gegen Rekombination von Minoritätsladungsträgern p + -ZnTe im Gegensatz zu p + -CdTe gut herzustellen

21 21 Herstellungsverfahren: Hochvakuumaufdampfen Sputtern / Kathodenzerstäubung Chemische oder elektrochemische Abscheidung GD glow-discharge EGEG 1 eV Abs cm -1 a5,78 Å α th 7, °C -1 nDnD 2,5 µeµe 600cm²/Vs µhµh 300cm²/Vs duennschichtsolarmodul-in-cigs-foto-global-solar- doteu.png Dünnschicht- und Tandemsolarzellen v.CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Kupfer-Indium-Diselenid/-Disulfid bereits 1956 erstmals für Dünnschicht-Photovoltaik vorgeschlagen sehr hoher Absorptionskoeffizient keine Degradationseffekte durch Verwendung des Sulfids bzw. Selenids ist eine Tandemzelle denkbar mit E G =1,5eV bzw. 1eV

22 22 siegen.de/fb11/lot/lehrstuhl/ausstattung/images/pvd_lot.p ng berlin.de/media/media/forschung/energie/technologie/prae paration/sputtern.jpg Dünnschicht- und Tandemsolarzellen v.CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Herstellung:

23 23 [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen v.CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Dotierung CuInSe 2 Dotierung über die Stöchiometrie von Kupfer und Indium p-/n-Typ bereits über Oberflächenstruktur (REM) zu erkennen

24 24 [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen v.CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart n-CdS/p-CuInSe 2 -Bandstruktur etwa 1eV Kontaktpotentialdifferenz Abfall des Kontaktpotentials im p-CuInSe 2 zwei Banddiskontinuitäten spike im Leitungsband behindert Elektronen als Minoritätsladungsträger, dadurch verringerter Kurzschlussstrom am Grenzübergang bildet sich eine Zwischenschicht zur Gitterfehlanpassung, dies führt zu Grenzflächendefekten

25 25 EGEG 1,42eV Abs cm -1 a5,65 Å α th 6, °C -1 nDnD 3,6 µeµe 8500cm²/Vs µhµh 400cm²/Vs online.de/pages/de/newsimage?id=50664&size=screen content/uploads/2011/10/2e5ecfdf2ecd120752efe13c1d53 2bcb.JPG Dünnschicht- und Tandemsolarzellen vi.Zellen aus Gallium-Arsenid Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

26 26 [1] LPE liquid-phase epitaxy MBE molecular beam epitaxy MOVPE metal organic vapor phase epitaxy Dünnschicht- und Tandemsolarzellen vi.Zellen aus Gallium-Arsenid Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Herstellung

27 27 tokyo.ac.jp/~sugiyama/research/images/fig1.jpg Dünnschicht- und Tandemsolarzellen vi.Zellen aus Gallium-Arsenid Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart MOVPE: metal organic vapor phase epitaxy

28 28 [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen vi.Zellen aus Gallium-Arsenid Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Schicht- und Bandstruktur

29 29 [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen vii.Tandem-Solarzellen Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Verlustprozess Thermalisierung optimal wäre die Erzeugung des Ladungsträgerpaares an der Bandkante Mehrfach-Schichtstruktur zur Vermeidung von Ladungsträgern entfernt der Bandkante Elektronen und Löcher verlieren Überschussenergie im Bereich von Femtosekunden _diagram_x220.jpg

30 30 Bandlücken auf Sonnenspektrum abgestimmt, um thermische Verluste so gering wie möglich zu halten Vergrößerung der Photospannung und damit besserer Füllfaktor bzw. erhöhter Photostrom bei effektiverer Absorption Anzahl der p-n-Übergänge (Prozessaufwand) vs. Wirkungsgradsteigerung [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen vii.Tandem-Solarzellen Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart fach Tandem-Struktur

31 31 [1] Multiterminal-ZelleMonolithische Zelle Dünnschicht- und Tandemsolarzellen vii.Tandem-Solarzellen Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart mögliche Strukturen bei Tandem-Zellen bei der monolithischen Zelle sind die Übergänge direkt / leitend aufeinander Tunnelübergang ist die kritische Schicht dieser Struktur zwei separate Zellen transparenter Rückkontakt getrennte Abführung an äußeren Stromkreis

32 32 [1] Dünnschicht- und Tandemsolarzellen vii.Tandem-Solarzellen Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart Bandstruktur monolithischer Aufbau Schwierigkeit ist Präparation des Tunnelübergangs: Dicke sowie Dotierung und Homogenität Gewinn liegt in der erhöhten Photospannung bzgl. Photostrom Verhalten analog zum normalen Heteroübergang

33 33 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart viii.Abschließende Übersicht Zusammenfassung I.Amorphes Silizium Bandstruktur eines verunreinigten Halbleiters Staebler-Wronksi-Effekt p-i-n Schichtstruktur Abscheideverfahren für amorphe oder polykristalline Dünnschicht CVD: chemical vapor depositionSiebdruckverfahren SputternCSS: close-spaced sublimation Chem. oder elektrochemische AbscheidungGlimmentladung / glow-discharge II.Polykristallines Cadmium-Tellurid kommerzielle Zellen am PV-Markt Dotierung schwierig durch Eigendefekte Trick bei metallischen Rückkontakten p + -ZnTe führt zu analoger p-i-n-Struktur III.Ternäre Chalkopyrite / CuInSe 2 sehr hoher Absorptionskoeffizient / keine Degradationseffekte spike im Leitungsband ist Hindernis für Elektronen und am Heteroübergang bilden sich Grenzflächendefekte IV.Gallium-Arsenid nur einkristalline Schichtstrukturen möglich hohe Wirkungsgrade durch Heterostruktur mit Al 1-x Ga x As-Schichten

34 34 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart viii.Abschließende Übersicht I. II. III. IV.

35 35 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Quellen: [1] H.-J. Lewerenz, H. Jungblut: Photovoltaik Grundlagen und Anwendungen, Springer- Verlag, Berlin Heidelberg (1995) [2] D. Meissner: Solarzellen Physikalische Grundlagen und Anwendungen in der Photovoltaik, Vieweg & Sohn, Braunschweig Wiesbaden (1993) [3] A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik, Teubner, Stuttgart (1994) [4] O. Madelung: Semiconductors: Data Handbook, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg (2003) [5] Martin A. Green, Keith Emery, Yoshihiro Hishikawa, Wilhelm Warta: Prog. Photovolt: Res. Appl. 19, 84 (2011) [6] S. Prabahar,V. Balasubramanian, N. Suryanarayanan, N. Muthukumarasamy: Chalcogenide Letters Vol. 7 1, 49 (2010) [7] A.J. Strauss: Rev. Phys. Appl. (Paris) 12, 167 (1977) [8] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart


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