Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie Welche Messmethode für Dünnschicht-Solarzellen?

Mikroskopaufnahme einer Schicht aus Kupfer-Indium-Sulfid (CIS)
Mikroskopaufnahme einer Schicht aus Kupfer-Indium-Sulfid (CIS)

Zur Analyse dünner Solarzellenschichten greifen die Hersteller auf unterschiedlichste Messmethoden zurück, mit denen sie zum Beispiel untersuchen, wie homogen eine Schicht ist und wie die beteiligten chemischen Elemente in ihr verteilt sind. Ein internationales Wissenschaftler-Team um Dr. Daniel Abou-Ras vom Helmholtz-Zentrum Berlin hat nun einen Test vorgelegt, in dem 18 solcher Messmethoden miteinander verglichen wurden.

Speziell bei der Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen 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. Daher müssen auch diese detektiert werden.

Diese Aspekte wurden nun in der Vergleichsanalyse des Helmholtz-Zentrums abgedeckt, an der sich mehr als 30 Forscher aus sechs Ländern beteiligt haben. Sie haben alle dieselbe Dünnschichtprobe vermessen, exakt so, wie sie als Absorberschicht in Solarzellen verwendet wird. Dabei haben die Teams Nachweisgrenzen, Orts- und Tiefenauflösungen sowie die Messgeschwindigkeit der einzelnen Verfahren miteinander verglichen.

Dr. Daniel Abou-Ras, Koordinator der Studie, betont eine der wichtigsten Erkenntnisse aus der Studie: »Es gibt keine Technik, die alleine in der Lage ist, Elementverteilungen zuverlässig quantitativ zu detektieren. Dafür ist es in jedem Fall 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.

Dr. Abou-Ras hebt einen weiteren Effekt der Vergleichsanalyse hervor: »In unserer Studie mussten die jeweiligen Experten ihre Standpunkte über Nachweisgrenzen oder über Orts- und Tiefenauflösungen ihrer Methoden zum Teil neu bewerten. Dadurch können wir nun entsprechende Angaben von Geräteherstellern über Leistungsgrenzen der Techniken besser einschätzen.«