Schwerpunkte

Neues Rasterelektronenmikroskop am ZSW

Nanometergenaue Einblicke in Solarzellen

04. Februar 2020, 17:00 Uhr   |  Nicole Wörner

Nanometergenaue Einblicke in Solarzellen
© ZSW

Das neue Rasterelektronenmikroskop im ZSW-Labor

Ein neues Rasterelektronenmikroskop sorgt am ZSW künftig für eine noch detailreichere Forschung an Solarzellen. Es bietet eine doppelt so hohe Auflösung wie bisher und macht Strukturen von wenigen Nanometern sichtbar.

Und dank eines fokussierten Ionenstrahls sind zudem hochpräzise geglättete Querschnitte von Schichten möglich.

Mit dem Fokus auf die Nanometerebene wollen die Wissenschaftler am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ein besseres Verständnis des Aufbaus und der Grenzflächen von Dünnschichtsolarzellen erreichen. Ziel der Forscher ist es, Defekte genauer zu untersuchen. Für die Qualitätskontrolle in der Solarindustrie ist das von entscheidender Bedeutung ebenso wie für die weitere Effizienzsteigerung von Solarzellen. Effizientere Solarzellen können den ohnehin schon sehr geringen CO2-Fußabdruck der Photovoltaik weiter verkleinern und so ihren Beitrag zum Klimaschutz vergrößern. 

Ein Video zeigt, wie das neue Rasterelektronenmikroskop mit dem fokussierten Ionenstrahl, abgekürzt FIB-SEM (FIB für Focussed Ion Beam und SEM für Scanning Electron Microscope), funktioniert:

© ZSW / Youtube

Hochauflösende Rasterelektronenmikroskope sind exzellente Analytikinstrumente bei der Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS) sowie anderer Solarzellen wie Perowskiten. Die Geräte liefern Informationen etwa zu Schichtwachstum und Dicke, Morphologie oder chemischer Zusammensetzung. Sie nutzen einen Elektronenstrahl, um kleinste Oberflächenstrukturen abzutasten und dreidimensional abzubilden. So können beispielsweise unerwünschte Hohlräume und Fremdpartikel identifiziert werden. 

Schnitt durch eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle aus dem neuen Rasterelektronenmikroskop
© ZSW

Schnitt durch eine CIGS-Dünnschichtsolarzelle aus dem neuen Rasterelektronenmikroskop

Blick in die Nanoebene ermöglicht differenziertere Erkenntnisse

Das neue FIB-SEM am ZSW kann Bildpunkte kleiner als ein Nanometer erkennen. Solarzellstrukturen sind damit bis auf zehn Nanometer, also 0,00001 Millimeter, gut sichtbar. »Das Gerät eröffnet uns neue Möglichkeiten bei der Untersuchung von Dünnschichtsolarzellen«, erklärt Dr. Theresa Friedlmeier, Leiterin der Gruppe für Analytik und Simulation im ZSW-Fachgebiet Photovoltaik: Materialforschung. »Wir können nun die Form und Größe von Partikeln und Einschlüssen analysieren und zusätzlich Mikrobereiche mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) untersuchen.«

Mit dem neuen Gerät kann etwa die sehr dünne Grenzfläche zwischen CIGS und der darüber liegenden Pufferschicht aus Cadmiumsulfid, die den Solarzellenwirkungsgrad stark beeinflusst, genauer untersucht werden. Bislang war dies nicht in dieser Präzision möglich.

Größenvergleich zwischen einem menschlichen Haar (105 µm) und einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle (3,8 µm) im neuen Rasterelektronenmikroskop am ZSW
© ZSW

Größenvergleich zwischen einem menschlichen Haar (105 µm) und einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle (3,8 µm) im neuen Rasterelektronenmikroskop am ZSW

Verbessertes Vorpräparieren mit Ionenfeinstrahlanlage 

Mit dem neuen Rasterelektronenmikroskop ist jetzt auch die Bearbeitung auf der Nanoebene gesichert. Möglich macht dies der fokussierte Ionenstrahl. »Damit können wir etwa für CIGS-Solarzellen auf flexiblem Substrat gute Querschnitte ohne eine Beschädigung oder Auftrennung der Einzelschichten präparieren, was bisher sehr schwierig war«, so Friedlmeier. »So können wir unser Verständnis von Solarzellen weiter vertiefen und daraus verbesserte Prozesse mit letztlich höheren Wirkungsgraden und damit auch Kostensenkungen entwickeln.«

Die neuen Geräte dienen auch zur Vorbereitung der Proben für weitere Untersuchungen. Dazu gehören etwa die Elektronenrückstreubeugung, die Transmissionselektronenmikroskopie, die Atom-Probe-Tomographie und die energiedispersive Röntgenanalyse.

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