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Dünnschicht- und Tandemsolarzellen

Dünnschicht- und Tandemsolarzellen. Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung. 12. März 2012 Jan Künzel. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen. Inhalt:. Motivation für Dünnschichtzellen Direkte Halbleiter Zellen aus amorphem Silizium Zellen aus Cadmium-Tellurid

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  1. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung • 12. März 2012 • Jan Künzel Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  2. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Inhalt: Motivation für Dünnschichtzellen Direkte Halbleiter Zellen aus amorphem Silizium Zellen aus Cadmium-Tellurid CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite Kupfer-Indium-Diselenid Zellen aus Gallium-Arsenid Tandem-Solarzellen Abschließende Übersicht Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  3. http://www.groupsat.com/Upload/EditorFiles/20090501125207670.gifhttp://www.groupsat.com/Upload/EditorFiles/20090501125207670.gif Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Motivation für alternative Materialien: http://www.winnoijewelry.com/wp-content/uploads/2011/02/czochralski-process-5.png http://www.cimcoop.com/uploads/editor/images/IMG_3849%203to4.jpg http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/RT2001/images/5410hepp2-f1.jpg http://images.sciencedaily.com/2008/02/080206154631-large.jpg http://farm1.static.flickr.com/120/310868087_2d71a39422.jpg http://www.microwaves101.com/encyclopedia/images/MMICs/xpertepi.jpg http://pvcdrom.pveducation.org/DESIGN/Images/CELLSCH.GIF http://buildaroo.com/wp-content/uploads/2010/12/Abound-Solar-Cadmium-Telluride-Thin-Film-Solar-Panels-2.jpeg Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart http://www.juwi.de/typo3temp/pics/Waldpolenz__3__70824f8c78.jpg

  4. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Motivation für alternative Materialien: • Hohe Effizienz bei vermindertem Materialeinsatz • Möglichkeit von Zellen auf flexiblen Substraten • Günstige Herstellungsbedingungen / Energy-Payback-Time [2] [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  5. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Motivation für alternative Materialien: • sehr steiler Anstieg der Absorptionskoeffizienten • Bandlücken liegen günstig bzgl. des AM1.5-Spektrums • geringe Schichtdicken lassen auf effektive Absorption schließen [1] [1] CuInSe2 Silizium Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  6. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Direkte Halbleiter: Eigenschaften direkter Halbleiter • k-erhaltende Übergänge in direkten Halbleitern • Photonen können Elektronen direkt vom Valenz- ins Leitungsband anregen • Bildung eines Elektron-Loch-Paares bei Absorption ist Zwei-Teilchen-Prozess • bei Anregung Impulserhaltung ohne Phononenimpuls Indirekte Bilanzgleichungen [2] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  7. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Direkte Halbleiter: Absorptionskoeffizienten bei direkten Halbleitern bei parabolischer Bandstruktur gilt für direkte Halbleiter mit A=104 cm-1 [1] [2] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  8. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Direkte Halbleiter: Absorptionskoeffizienten und spektrales Ansprechverhalten • mit steigendem Absorptionskoeffizienten kann die Dicke der absorbierenden Schicht abnehmen! • Lambert-Beersches-Gesetz: [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  9. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus amorphem Silizium http://www.m0ukd.com/Solar_Panels/amorphous.jpg http://i00.i.aliimg.com/wsphoto/v0/361654470/3-watt-5V-600ma-amorphous-silicon-laminate-solar-cells-for-DIY-solar-panel-portable-power-Free.jpg Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  10. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus amorphem Silizium Herstellungsverfahren: Amorphes hydrogenisiertes Silizium • CVD chemical vapor deposition • Sputtern • GD glow discharge: Abscheidung in einer Glimmentladung glow discharge: [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  11. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus amorphem Silizium Eigenschaften von a-Si:H sp³-hybridisierte Tetraeder ohne offene Bindungen „dangling bonds“ führen zu Defektzuständen in der Energielücke [1] x-Si a-Si Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  12. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus amorphem Silizium Eigenschaften von a-Si:H • Die Translationssymmetrie des periodischen Kristallgitters ist aufgehoben • Das Bloch-Theorem verliert seine Gültigkeit • Keine genau definierte E(k)-Bandstruktur mehr [1] [1] (3) Sputtern (2) Glimmentladung bei 80°C (1) Glimmentladung bei 280°C Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  13. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus amorphem Silizium Absorptionskoeffizient von a-Si:H • hohe Substrattemperatur, wenig Wasserstoff im Material und kleinere Energielücke • niedrige Substrattemperatur, viel Wasserstoff und größere Energielücke • Man toleriert große, nicht optimale, Energielücke und hohen Wasserstoffgehalt für gute Absättigung der „dangling bonds“ •  bessere elektronische Eigenschaften durch reduzierte Defektdichte in der Energielücke H H [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  14. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus amorphem Silizium Staebler-Wronski-Effekt / Photodegradation H Si Si Si H [1] Si [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  15. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus amorphem Silizium p-i-n-Struktur mit a-Si:H p+ i n+ LB EF e- EF VB h+ [1] [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  16. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus Cadmium-Tellurid Blythe, CA, USA21MW CSS http://29.media.tumblr.com/tumblr_lq38hguivT1qj3fzwo1_500.jpg http://www.firstsolar.com/~/media/WWW/Files/Photo-Library/Print/CstSte_6281_FS_CA_HR_M.ashx • Herstellungsverfahren: • CVD Gasphasenabscheidung • Sputtern • Siebdruck / Screen printing • Close-Spaced Sublimation • Galvanische Abscheidung SCP http://www.ikz-energy.de/index.php?eID=tx_cms_showpic&file=uploads%2Fpics%2FFleischle.jpg&width=500m&height=500&bodyTag=%3Cbody%20bgColor%3D%22%23ffffff%22%3E&wrap=%3Ca%20href%3D%22javascript%3Aclose%28%29%3B%22%3E%20|%20%3C%2Fa%3E&md5=aa308f33ca3bbfb529f1b7b8b894367d http://www.5nplus.com/images/cdte_poudre.jpg Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  17. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus Cadmium-Tellurid Herstellung: n-CdS/p-CdTe-Heterostruktur • Siebdruck von CdTe-Zellen: • „Drucker“ der mit Pasten aus Cadmium- & Tellurpulver arbeitet • aufgetragenen Schichten werden getrocknet und bei 600°C gesintert • Rückkontakt über C-Film mit 50-100ppm Kupfer • Kontaktierung über Silberpaste mit Indiumpulver [1] monolithisch verschaltete Zelle Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  18. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus Cadmium-Tellurid n-Cadmium-Sulfid / p-Cadmium-Tellurid-Bandstruktur • etwa 1eV Kontaktpotentialdifferenz • Abfall des Kontaktpotentials im p-CdTe • Zwei Banddiskontinuitäten, die die Ladungsträger nicht stören • p-CdTe durch Eigendefekte schwach dotiert, genügt bei dünnen Schichten für akzeptablen Serienwiderstand n-CdS p-CdTe e- EVAK h+ [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  19. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus Cadmium-Tellurid Metall-Halbleiter-Rückkontakte • benötigt wird idealer, ohmscher Rückkontakt • Austrittsarbeit des Metalls zum Vakuumniveau sollte größer sein als diejenige von CdTe, da Bandverbiegung sonst Barriere für Ladungsträger darstellt • Geeignete Metalle sind „Lifetime-Killers“; diffundieren einfach und bilden Haftstellen im Bandgap [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  20. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus Cadmium-Tellurid p+-ZnTe/i-CdTe/n+-CdS-Solarzelle • Analogon zur p-i-n-Struktur bei a-Si • Zwei Banddiskontinuitäten gegen Rekombination von Minoritätsladungsträgern • p+-ZnTe im Gegensatz zu p+-CdTe gut herzustellen [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  21. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite Kupfer-Indium-Diselenid/-Disulfid • bereits 1956 erstmals für Dünnschicht-Photovoltaik vorgeschlagen • sehr hoher Absorptionskoeffizient • keine Degradationseffekte • durch Verwendung des Sulfids bzw. Selenids ist eine Tandemzelle denkbar mit EG=1,5eV bzw. 1eV http://www.itwissen.info/bilder/flexibles-duennschichtsolarmodul-in-cigs-foto-global-solar-doteu.png • Herstellungsverfahren: • Hochvakuumaufdampfen • Sputtern / Kathodenzerstäubung • Chemische oder elektrochemische Abscheidung • GD glow-discharge Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  22. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite Herstellung: http://www.helmholtz-berlin.de/media/media/forschung/energie/technologie/praeparation/sputtern.jpg http://www.uni-siegen.de/fb11/lot/lehrstuhl/ausstattung/images/pvd_lot.png Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  23. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite Dotierung CuInSe2 • Dotierung über die Stöchiometrie von Kupfer und Indium • p-/n-Typ bereits über Oberflächenstruktur (REM) zu erkennen [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  24. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite n-CdS/p-CuInSe2-Bandstruktur • etwa 1eV Kontaktpotentialdifferenz • Abfall des Kontaktpotentials im p-CuInSe2 • zwei Banddiskontinuitäten • „spike“ im Leitungsband behindert Elektronen als Minoritätsladungsträger, dadurch verringerter Kurzschlussstrom • am Grenzübergang bildet sich eine Zwischenschicht zur Gitterfehlanpassung, dies führt zu Grenzflächendefekten [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  25. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus Gallium-Arsenid http://idw-online.de/pages/de/newsimage?id=50664&size=screen http://qdlaser.com/cms/wp-content/uploads/2011/10/2e5ecfdf2ecd120752efe13c1d532bcb.JPG Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  26. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus Gallium-Arsenid Herstellung • LPE liquid-phase epitaxy • MBE molecular beam epitaxy • MOVPE metal organic vapor phase epitaxy [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart http://www.iht.tu-bs.de/bakin/movpe.jpg

  27. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus Gallium-Arsenid MOVPE: metal organic vapor phase epitaxy http://www.ee.t.u-tokyo.ac.jp/~sugiyama/research/images/fig1.jpg Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  28. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Zellen aus Gallium-Arsenid Schicht- und Bandstruktur [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  29. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Tandem-Solarzellen Verlustprozess Thermalisierung • optimal wäre die Erzeugung des Ladungsträgerpaares an der Bandkante • Mehrfach-Schichtstruktur zur Vermeidung von Ladungsträgern entfernt der Bandkante • Elektronen und Löcher verlieren Überschussenergie im Bereich von Femtosekunden [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart http://www.technologyreview.com/files/11549/tandem_cell_diagram_x220.jpg

  30. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Tandem-Solarzellen 3-fach Tandem-Struktur • Bandlücken auf Sonnenspektrum abgestimmt, um thermische Verluste so gering wie möglich zu halten • Vergrößerung der Photospannung und damit besserer Füllfaktor bzw. erhöhter Photostrom bei effektiverer Absorption • Anzahl der p-n-Übergänge (Prozessaufwand) vs. Wirkungsgradsteigerung [1] [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  31. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Tandem-Solarzellen mögliche Strukturen bei Tandem-Zellen • bei der monolithischen Zelle sind die Übergänge direkt / „leitend“ aufeinander • Tunnelübergang ist die kritische Schicht dieser Struktur • zwei separate Zellen • transparenter Rückkontakt • getrennte Abführung an äußeren Stromkreis [1] Monolithische Zelle Multiterminal-Zelle Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  32. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Tandem-Solarzellen Bandstruktur monolithischer Aufbau • Schwierigkeit ist Präparation des Tunnelübergangs: Dicke sowie Dotierung und Homogenität • „Gewinn“ liegt in der erhöhten Photospannung • bzgl. Photostrom Verhalten analog zum normalen Heteroübergang [1] Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  33. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Abschließende Übersicht Zusammenfassung • Amorphes Silizium • Bandstruktur eines verunreinigten Halbleiters • Staebler-Wronksi-Effekt • p-i-n Schichtstruktur • Polykristallines Cadmium-Tellurid • kommerzielle Zellen am PV-Markt • Dotierung schwierig durch Eigendefekte • „Trick“ bei metallischen Rückkontakten • p+-ZnTe führt zu analoger „p-i-n-Struktur“ • Ternäre Chalkopyrite / CuInSe2 • sehr hoher Absorptionskoeffizient / keine Degradationseffekte • „spike“ im Leitungsband ist Hindernis für Elektronen und am Heteroübergang bilden sich Grenzflächendefekte • Gallium-Arsenid • nur einkristalline Schichtstrukturen möglich • hohe Wirkungsgrade durch Heterostruktur mit Al1-xGaxAs-Schichten Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  34. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Abschließende Übersicht III. II. I. IV. Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

  35. Dünnschicht- und Tandemsolarzellen Quellen: [1] H.-J. Lewerenz, H. Jungblut: Photovoltaik Grundlagen und Anwendungen, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg (1995) [2] D. Meissner: Solarzellen Physikalische Grundlagen und Anwendungen in der Photovoltaik, Vieweg & Sohn, Braunschweig Wiesbaden (1993) [3] A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik, Teubner, Stuttgart (1994) [4] O. Madelung: Semiconductors: Data Handbook, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg (2003) [5] Martin A. Green, Keith Emery, Yoshihiro Hishikawa, Wilhelm Warta: Prog. Photovolt: Res. Appl. 19, 84 (2011) [6] S. Prabahar,V. Balasubramanian, N. Suryanarayanan, N. Muthukumarasamy: Chalcogenide Letters Vol. 7 1, 49 (2010) [7] A.J. Strauss: Rev. Phys. Appl. (Paris) 12, 167 (1977) [8] http://www.nrel.gov/pv/ Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

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