Forschung & Entwicklung -

Bessere optoelektronische Eigenschaften von Solarzellen aus Kesteriten

Durch Veränderungen der Zusammensetzung von Kesterit-Halbleitern lässt sich ihre Eignung als Absorbermaterial in Solarzellen verbessern.

Kesterite sind Halbleiterverbindungen aus den Elementen Kupfer, Zinn, Zink und Selen. Diese Halbleiter lassen sich als Absorbermaterial in Solarzellen nutzen, schaffen aber bisher nur Wirkungsgrade von maximal 12,6 Prozent, während Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) bereits über 20 Prozent erreichen. Dennoch gelten Kesterite als interessante Alternative zu CIGS-Solarzellen, weil sie aus häufig vorkommenden Elementen bestehen, sodass keine Engpässe zu erwarten sind. Ein Team um Prof. Susan Schorr am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat nun eine Reihe von nicht-stöchiometrischen Kesterit-Proben untersucht und den Zusammenhang zwischen Zusammensetzung und optoelektronischen Eigenschaften beleuchtet. Bei der Synthese der Proben am HZB wurden die Zinnatome durch Germanium ersetzt.

Diese Proben untersuchten die Forscher mit Neutronenbeugung am BER II. Mit dieser Methode lassen sich die Elemente Kupfer, Zink und Germanium besonders gut voneinander unterscheiden und ihre Positionen im Kristallgitter verorten. Das Ergebnis: Kesterite mit einer leicht kupferarmen und zinkreichen Zusammensetzung, wie sie auch in Solarzellen mit den höchsten Wirkungsgraden zu finden ist, weisen die geringste Konzentration an Punktdefekten sowie die niedrigste Kupfer-Zink-Unordnung auf. Je kupferreicher die Zusammensetzung wird, desto mehr steigt die Konzentration von anderen Punktdefekten, die als eher abträglich für die Leistungsfähigkeit von Solarzellen gelten.

Weitere Untersuchungen zeigten, wie die sogenannte Energiebandlücke von der Zusammensetzung der Kesterit-Pulverproben abhängt. Diese Bandlücke sei eine Eigenschaft der Halbleiter und bestimme, welche Lichtfrequenzen im Material Ladungsträger freisetzten, erklärt René Gunder vom HZB. Germanium vergrößert die optische Bandlücke und ermöglicht damit dem Material, einen größeren Anteil des Sonnenlichts in elektrische Energie umzuwandeln.

Die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass solche Kesterite sich nicht nur für Solarzellen eignen, sondern auch für andere Anwendungen in Frage kommen. So könnten Kesterite als Fotokatalysatoren mithilfe von Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten und Solarenergie in Form von chemischer Energie speichern.

Originalveröffentlichung:

[R. Gunder, J. A. Márquez-Prieto, G. Gurieva, T. Unold and S. Schorr, Structural characterization of off-stoichiometric kesterite-type Cu2ZnGeSe4 compound semiconductors: From cation distribution to intrinsic point defect density, CrystEngComm (2018), DOI: 10. 1039/c7ce02090b]

von mn

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