Produktion bei höheren Temperaturen soll Wirkungsgrad von CIGS-Solarzellen erhöhen
Ist das »Indium-Gallium-Rätsel« von CIGS-Solarzellen gelöst?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Produktion bei höheren Temperaturen fördert die Homogenität des Materials
Die Simulationen ergaben, dass die Indium- und Gallium-Atome nicht gleichmäßig im CIGS-Material verteilt sind. Knapp unterhalb der normalen Raumtemperatur existiert eine Phase, in der Indium und Gallium komplett getrennt vorliegen. Oberhalb der Entmischungstemperatur bilden sich verschieden große Cluster aus Indium- oder Gallium-Atomen. Je höher die Temperatur, desto homogener wird das Material. Die Simulationen belegen, dass das galliumreiche CIGS stets inhomogener als das indiumreiche CIGS ist. Die höhere Inhomogenität verschlechtert die optoelektronischen Eigenschaften des galliumreichen Materials, was zu der bis dato unverstandenen schlechten Effizienz der galliumreichen CIGS-Zellen beiträgt. Aus den Berechnungen ergibt sich auch ein konkreter Hinweis für die Herstellung der CIGS-Solarzellen. Findet der Herstellungsprozess bei höherer Temperatur statt, so wird das Material deutlich homogener. Wenn es danach hinreichend schnell abgekühlt wird, bleibt die gewünschte Homogenität erhalten.
In der Praxis war die Prozesstemperatur bisher stets durch die begrenzte Hitzebeständigkeit des Glases limitiert, das als Substrat für die Solarzellen dient. In dieser Hinsicht ist nun kürzlich ein entscheidender Durchbruch gelungen. Die Schott AG hat ein spezielles Glas entwickelt, mit dem die Prozesstemperatur auf deutlich über 600°C erhöht werden konnte. Das Ergebnis sind wesentlich homogenere Zellen. Ein neuer Effizienzrekord für die Zellen ist damit zum Greifen nah. Aber das comCIGS-Projekt denkt schon weiter. »Zurzeit wird an großformatigen Solarzellen gearbeitet, die die marktüblichen Zellen an Effizienz überbieten sollen«, kündigt Dr. Thomas Gruhn, Mitglied der Arbeitsgruppe, an.
Die Berechnungen der Simulationen basieren auf einem Hybridverfahren, eine Kombination aus Dichte-Funktional-Rechnungen und Monte-Carlo-Simulationen. Mit Dichte-Funktional-Rechnungen werden dabei quantenmechanisch die Energien lokaler Strukturen berechnet. »Die Ergebnisse dienen dazu, um mit Monte-Carlo-Simulationen Temperatureffekte auf großen Längenskalen zu bestimmen«, erläutert Gruhn. Die Untersuchungen werden auf einem Großrechner durchgeführt, den die Universität Mainz kürzlich von IBM im Rahmen eines Shared University Research (SUR) Wissenschaftspreises erhalten hat.
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