Dünnschicht- und Tandemsolarzellen

Präsentation zum Thema: "Dünnschicht- und Tandemsolarzellen"—  Präsentation transkript:

1 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung 12. März 2012 Jan Künzel Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

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

3 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
Motivation für alternative Materialien: Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

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

5 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
Motivation für alternative Materialien: sehr steiler Anstieg der Absorptionskoeffizienten Bandlücken liegen günstig bzgl. des AM1.5-Spektrums geringe Schichtdicken lassen auf effektive Absorption schließen [1] [1] CuInSe2 Silizium Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

6 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
Direkte Halbleiter: Eigenschaften direkter Halbleiter 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 Indirekte Bilanzgleichungen [2] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

7 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
Direkte Halbleiter: Absorptionskoeffizienten bei direkten Halbleitern bei parabolischer Bandstruktur gilt für direkte Halbleiter mit A=104 cm-1 [1] [2] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

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

9 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
EG ≈1,7eV aAbs 1,78∙104cm-1 a 5,43 Å αth 2,6∙10-6°C-1 nD ≈4,3 µe 1500cm²/Vs µh 450cm²/Vs Zellen aus amorphem Silizium Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

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

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

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

13 H H Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus amorphem Silizium
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 [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

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

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

16 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
EG 1,45 eV aAbs ≈5∙104cm-1 a 6,48 Å αth 4,9∙10-6°C-1 nD ≈ 3 µe 1000cm²/Vs µh 100cm²/Vs Zellen aus Cadmium-Tellurid Blythe, CA, USA 21MW CSS Herstellungsverfahren: CVD Gasphasenabscheidung Sputtern Siebdruck / Screen printing Close-Spaced Sublimation Galvanische Abscheidung SCP Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

17 monolithisch verschaltete Zelle
Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus Cadmium-Tellurid Herstellung: n-CdS/p-CdTe-Heterostruktur 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 [1] monolithisch verschaltete Zelle Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

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

19 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
Zellen aus Cadmium-Tellurid 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 [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

20 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
Zellen aus Cadmium-Tellurid 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 [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

21 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
EG ≈ 1 eV aAbs ≈5∙105cm-1 a 5,78 Å αth 7,9∙10-6°C-1 nD ≈ 2,5 µe 600cm²/Vs µh 300cm²/Vs CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite 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 EG=1,5eV bzw. 1eV Herstellungsverfahren: Hochvakuumaufdampfen Sputtern / Kathodenzerstäubung Chemische oder elektrochemische Abscheidung GD glow-discharge Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

22 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite Herstellung: Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

23 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite Dotierung CuInSe2 Dotierung über die Stöchiometrie von Kupfer und Indium p-/n-Typ bereits über Oberflächenstruktur (REM) zu erkennen [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

24 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite n-CdS/p-CuInSe2-Bandstruktur etwa 1eV Kontaktpotentialdifferenz „spike“ im Leitungsband behindert Elektronen als Minoritätsladungsträger, dadurch verringerter Kurzschlussstrom Abfall des Kontaktpotentials im p-CuInSe2 zwei Banddiskontinuitäten am Grenzübergang bildet sich eine Zwischenschicht zur Gitterfehlanpassung, dies führt zu Grenzflächendefekten [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

25 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
EG ≈1,42eV aAbs 5∙104cm-1 a 5,65 Å αth 6,9∙10-6°C-1 nD ≈3,6 µe 8500cm²/Vs µh 400cm²/Vs Zellen aus Gallium-Arsenid Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

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

27 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
Zellen aus Gallium-Arsenid MOVPE: metal organic vapor phase epitaxy Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

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

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

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

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

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

33 Dünnschicht- und Tandemsolarzellen
Abschließende Übersicht Zusammenfassung Abscheideverfahren für amorphe oder polykristalline Dünnschicht CVD: chemical vapor deposition Siebdruckverfahren Sputtern CSS: close-spaced sublimation Chem. oder elektrochemische Abscheidung Glimmentladung / glow-discharge Amorphes Silizium Bandstruktur eines verunreinigten Halbleiters Staebler-Wronksi-Effekt p-i-n Schichtstruktur 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“ Ternäre Chalkopyrite / CuInSe2 sehr hoher Absorptionskoeffizient / keine Degradationseffekte „spike“ im Leitungsband ist Hindernis für Elektronen und am Heteroübergang bilden sich Grenzflächendefekte Gallium-Arsenid nur einkristalline Schichtstrukturen möglich hohe Wirkungsgrade durch Heterostruktur mit Al1-xGaxAs-Schichten Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

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

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