Near 13% efficient semitransparent Cu(In,Ga)S2 solar cells with band gap of 1.6 eV on transparent back contact

Diese Studie demonstriert die Herstellung von halbdurchsichtigen Cu(In,Ga)S₂-Solarzellen mit einer Bandlücke von 1,6 eV und einem Wirkungsgrad von fast 13 % auf transparenten ITO-Rückkontakten, wobei die Optimierung der Natriumzufuhr und der Substrattemperatur die Defektdichte senkt und die Kristallqualität verbessert.

Das Wesentliche

Das große Ziel: Ein Solar-Team aus zwei Spielern

Stellen Sie sich vor, Sie wollen ein Solarpanel bauen, das so effizient ist wie ein Profi-Athlet. Das Problem ist: Ein einzelnes Solarpanel kann nicht alles aus dem Sonnenlicht herausholen. Es fängt nur bestimmte Farben (Farben des Lichts) ein und lässt andere durch.

Die Forscher haben sich daher eine clevere Idee ausgedacht: Ein Tandem-Solarpanel.
Stellen Sie sich zwei Sportler vor, die Hand in Hand laufen:

1. Der untere Läufer (der "Boden"): Ein klassisches Silizium-Solarpanel. Er ist gut darin, das rote und infrarote Licht (die "tiefen" Farben) einzufangen.
2. Der obere Läufer (der "Kopf"): Ein neues, spezielles Solarpanel, das oben drauf kommt. Seine Aufgabe ist es, das blaue und grüne Licht (die "hohen" Farben) einzufangen und den Rest des Lichts durchzulassen, damit der untere Läufer ihn auch noch nutzen kann.

Das Papier beschreibt genau diesen "oberen Läufer".

Das Material: Ein neuer, durchsichtiger Schuh

Normalerweise haben Solarzellen unten einen undurchsichtigen, silbernen Rückkontakt (wie ein dicker Schuhsohle aus Metall). Das ist gut, aber für ein Tandem-System braucht man einen durchsichtigen Rückkontakt. Das Licht muss ja durch das obere Panel hindurch zum unteren gelangen.

Die Forscher haben dafür ITO (Indium-Zinn-Oxid) verwendet. Das ist wie ein durchsichtiger, leitfähiger Schuh, durch den das Licht hindurchscheint, aber der trotzdem elektrischen Strom leitet.

Das Material des oberen Läufers ist Cu(In,Ga)S2 (eine Art von "Sulfid-Chalcopyrit"). Man kann sich das wie einen sehr speziellen, bunten Kuchen vorstellen, dessen Rezeptur (die Mischung aus Kupfer, Indium, Gallium und Schwefel) so genau abgestimmt ist, dass er eine Energiebandlücke von 1,6 Elektronenvolt hat. Das ist der "Sweet Spot" für den oberen Läufer in einem Tandem-System.

Die Herausforderung: Hitze, Salz und die "Oxid-Wand"

Um diesen "Kuchen" (die Solarzelle) perfekt zu backen, mussten die Forscher zwei große Probleme lösen:

1. Die Temperatur (Der Ofen):
Sie haben den Kuchen bei sehr hohen Temperaturen (ca. 630 °C) gebacken.

• Warum? Bei Hitze werden die Kristalle im Material größer und ordentlicher. Stellen Sie sich vor, bei niedriger Temperatur sind die Kristalle wie kleine, chaotische Murmeln. Bei hoher Temperatur verschmelzen sie zu großen, glatten Kugeln. Das ist gut für den Stromfluss.
• Das Risiko: Bei so viel Hitze könnte das Material mit dem durchsichtigen Schuh (ITO) anfangen zu "kämpfen".

2. Das Salz (Natrium):
In der Solarzellen-Welt ist Natrium (Na) wie ein Wunder-Salz. Es hilft dem Material, sich zu verbessern und Fehler zu reparieren.

• Normalerweise kommt dieses Salz aus dem Glas, auf dem die Zelle wächst.
• Die Forscher haben getestet: Reicht das Salz aus dem Glas? Oder müssen wir extra Salz (als NaF) beim Backen hinzufügen?
• Ergebnis: Das Salz aus dem Glas reichte völlig aus, wenn der "Schuh" (ITO) dünn genug war. Das Salz wanderte durch den dünnen Schuh in den Kuchen und machte ihn perfekt.

3. Die unsichtbare Wand (GaOx):
Hier wird es spannend. Wenn das heiße Material auf den durchsichtigen Schuh trifft, bildet sich manchmal eine dünne Schicht aus Gallium-Oxid (GaOx).

• Die Metapher: Stellen Sie sich vor, zwischen dem Kuchen und dem Schuh bildet sich eine unsichtbare Mauer.
• Das Problem: Wenn diese Mauer zu dick ist, kann der Strom (die elektrischen Ladungen) nicht mehr hindurch. Der Strom wird blockiert, wie ein Stau auf der Autobahn. Das sieht man dann in den Messkurven als "S-Form" – ein schlechtes Zeichen.
• Die Lösung: Die Forscher haben herausgefunden, dass die Dicke dieser Mauer von zwei Dingen abhängt: Wie heiß es war und wie viel Salz (Natrium) da war.
  • Bei zu viel Salz oder zu dicken Schuhen wurde die Mauer zu dick -> Stromstau.
  • Bei der richtigen Kombination (dünner Schuh + Salz aus dem Glas) blieb die Mauer so dünn, dass der Strom problemlos hindurchfließen konnte.

Das Ergebnis: Ein neuer Rekord

Am Ende haben die Forscher eine Solarzelle gebaut, die:

• Halbdurchsichtig ist (Licht lässt durch).
• Eine Bandlücke von 1,6 eV hat (perfekt für Tandem-Systeme).
• Einen Wirkungsgrad von fast 13% erreicht hat.

Das ist ein riesiger Erfolg! Bisher gab es kaum Solarzellen mit diesem speziellen Material und diesem durchsichtigen Rückkontakt, die so effizient waren.

Zusammenfassend:
Die Forscher haben gelernt, wie man einen "heißen" Solar-Kuchen backt, ohne dass er mit seinem durchsichtigen Schuh kollidiert. Sie haben entdeckt, dass man nicht unbedingt extra Salz hinzufügen muss, wenn der Schuh dünn genug ist, damit das natürliche Salz aus dem Glas hindurchwandern kann. Und sie haben gelernt, wie man die unsichtbare "Oxid-Mauer" so dünn hält, dass der Strom nicht gestaut wird.

Dieser Fortschritt ist ein wichtiger Schritt hin zu super-effizienten Tandem-Solarzellen, die in Zukunft viel mehr Strom aus der Sonne holen können als heute.

Technische Zusammenfassung

Technische Zusammenfassung: Halbtransparente Cu(In,Ga)S₂-Solarzellen mit 13 % Wirkungsgrad auf transparentem Rückkontakt

1. Problemstellung und Motivation
Die Entwicklung von Tandem-Solarzellen erfordert effiziente Top-Zellen mit einer breiten Bandlücke (ca. 1,6 eV oder höher), um das Infrarotlicht für eine darunterliegende Silizium-Bottom-Zelle durchzulassen. Während Selenid-basierte CIGS-Zellen (Cu(In,Ga)Se₂) hohe Wirkungsgrade erreichen, leiden Sulfid-basierte Cu(In,Ga)S₂ (CIGS)-Zellen oft unter Qualitätsverlusten bei hohen Gallium-Gehalten und sind für Tandemanwendungen weniger optimiert.
Ein zentrales Problem bei der Integration von CIGS in Tandemzellen ist der Ersatz des undurchsichtigen Molybdän-Rückkontakts durch einen transparenten Rückkontakt (TBC), wie z. B. Indium-Zinn-Oxid (ITO). Dies führt zu Herausforderungen:

• Hohe Prozesstemperaturen: Für hochwertige Absorber sind hohe Substrattemperaturen (~630 °C) nötig, was die optischen und elektrischen Eigenschaften des ITO sowie die Bildung von Störstellen an der Grenzfläche beeinträchtigen kann.
• Grenzflächenproblematik: Es bildet sich oft eine Gallium-Oxid-Schicht (GaOₓ) zwischen dem Absorber und dem ITO, die als Barriere für den Ladungsträgertransport wirken und den Wirkungsgrad mindern kann.
• Natrium-Diffusion: Die Rolle von Natrium (Na) bei der Defektpassivierung und dessen Einfluss auf die GaOₓ-Bildung bei Verwendung von ITO ist noch nicht vollständig verstanden.

2. Methodik
Die Autoren untersuchten die Leistungsfähigkeit von Cu(In,Ga)S₂-Solarzellen auf ITO-Substraten unter Variation folgender Parameter:

• Substrattemperatur: Vergleich zwischen niedriger Temperatur (575 °C) und hoher Temperatur (630 °C).
• ITO-Dicke: Einsatz von zwei ITO-Schichtdicken (250 nm und 100 nm) mit unterschiedlichen Sheet-Widerständen.
• Natrium-Versorgung:
  • Diffusion aus dem Glas-Substrat (SLG).
  • Zusätzliche Zufuhr durch Ko-Evaporation von NaF während des zweiten Stufenprozesses (Variation der Dauer: 0, 7 und 18 Minuten).
• Charakterisierung: Umfassende Analyse mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Röntgenbeugung (XRD), GDOES (Tiefenprofilierung der Zusammensetzung), ToF-SIMS (Verteilung von Na und GaOₓ), Photolumineszenz (PL) zur Bestimmung der Quasi-Fermi-Niveau-Aufspaltung (QFLS) und photovoltaische Messungen (J-V-Kurven, EQE).

3. Wichtige Beiträge und Ergebnisse

• Optimierung der Absorberqualität durch Temperatur:
  Absorber, die bei 630 °C gewachsen wurden, zeigten deutlich größere Körner, eine homogenere Phasenstruktur und eine signifikant verbesserte optoelektronische Qualität im Vergleich zu 575 °C-Proben. Die Photolumineszenz-Quantenausbeute (PL-QY) stieg um zwei Größenordnungen auf $1,5 \times 10^{-5}$, was auf eine drastische Reduktion nicht-strahlender Rekombination hinweist.

• Rolle von Natrium (Na):

  • Zusätzliche Na-Zufuhr (via NaF) unterdrückte tief liegende Defekte (D1 und D2) effektiv und reduzierte die nicht-strahlenden Verluste.
  • Interessanterweise zeigten Proben auf dünnem ITO (100 nm) ohne zusätzliche NaF-Beschichtung eine vergleichbare hohe Qualität. Dies wird auf eine ausreichende Na-Diffusion aus dem Glas durch die dühere ITO-Schicht bei hohen Temperaturen zurückgeführt.

• GaOₓ-Grenzschicht und Stromblockade:

  • Es wurde bestätigt, dass sich an der CIGS/ITO-Grenzfläche eine GaOₓ-Schicht bildet.
  • Dicke der Schicht: Die Dicke der GaOₓ-Schicht hängt nichtlinear von der Na-Konzentration und der ITO-Dicke ab. Dickeres ITO und hohe Temperaturen fördern die Bildung dickerer GaOₓ-Schichten.
  • Einfluss auf die J-V-Kurve: Eine dicke GaOₓ-Schicht (z. B. bei 250 nm ITO ohne Na oder mit hoher Na-Zufuhr) führt zu einer S-förmigen Verzerrung in der J-V-Kurve, was auf eine Blockade des Ladungsträgertransports (Carrier Extraction Barrier) hindeutet.
  • Lösung: Dünne ITO-Schichten (100 nm) führen zu dünneren GaOₓ-Schichten, die keinen signifikanten Widerstand darstellen. Zudem scheint eine moderate Na-Konzentration in der GaOₓ-Schicht den Transport zu erleichtern (möglicherweise durch Shunt-Pfade oder Dotierungseffekte).

• Leistung der Solarzellen:

  • Die beste Zelle (gewachsen bei 630 °C, 100 nm ITO, keine zusätzliche NaF, aber Diffusion aus Glas) erreichte einen Wirkungsgrad von 12,7 % bei einer Bandlücke von 1,61 eV.
  • Ein weiterer Spitzenwert von 12,0 % wurde mit 250 nm ITO und moderater Na-Zufuhr (7 min NaF) erzielt.
  • Beide Spitzenzellen wiesen einen hohen Füllfaktor (FF > 70 %) auf.
  • Die offene Klemmspannung ($V_{OC}$) lag bei ca. 900 mV, was einer QFLS von über 1,0 eV entspricht.

4. Signifikanz und Ausblick
Diese Studie stellt einen Meilenstein dar, da sie zum ersten Mal einen Wirkungsgrad von fast 13 % für eine Sulfid-basierte Chalcopyrit-Zelle mit einer Bandlücke >1,5 eV und einem transparenten Rückkontakt demonstriert.

• Tandem-Potenzial: Die Ergebnisse belegen, dass Cu(In,Ga)S₂ mit einer Bandlücke von 1,6 eV eine vielversprechende Top-Zelle für Tandem-Architekturen (z. B. mit Si-Bottom-Zellen) ist.
• Prozessverständnis: Die Arbeit klärt den komplexen Zusammenhang zwischen ITO-Dicke, Natrium-Diffusion und der Bildung der GaOₓ-Grenzschicht auf. Sie zeigt, dass eine dicke GaOₓ-Schicht nicht zwangsläufig schädlich ist, solange ihre Dicke und Eigenschaften (beeinflusst durch Na) den Ladungstransport nicht blockieren.
• Herausforderung: Die Bildung der GaOₓ-Schicht bei hohen Temperaturen bleibt eine kritische Variable. Die genaue Rolle von Na bei der Modifikation der Defektdichte und der elektronischen Eigenschaften von GaOₓ bedarf weiterer Forschung.

Zusammenfassend zeigt die Arbeit, dass durch die Kombination aus hohen Wachstumstemperaturen, optimierter ITO-Dicke und kontrollierter Natrium-Versorgung hochwertige, halbtransparente CIGS-Zellen für die nächste Generation von Tandem-Solarzellen realisiert werden können.