CZTS-basierte Dünnschichtsolarzellen

Wachsende Sensibilisierung bezüglich globaler Erwärmung und Klimawandel, sowie steigende Ölpreise haben zu verstärktem Interesse an erneuerbaren Energien geführt. Solarenergie ist eine nachhaltige, quasi `unerschöpfliche` Alternative. So erhält die Erdoberfläche in einer Stunde genug Sonnenenergie um den weltweiten Jahresverbrauch abzudecken. Doch trotz eines explosiven Wachstums der Photovoltaik (PV) - Industrie während der letzten Dekade, ist das Hundertfache der aktuellen Produktionskapazitäten (~ 3 Gigawattpeak (GWp) pro Jahr) notwendig, um messbar zur globalen Elektrizitätsproduktion beizutragen. Um diese Ziel zu erreichen, müssen die Produktionskosten von PV-Modulen beim Großteil aller gegenwärtigen und zukünftigen Technologien deutlich unter 1 /Wp gesenkt werden. Dies allerdings ist schwer zu erreichen, solange PV-Technologien auf verschiedenen Formen von kristallinem Silizium beruhen. In diesem Zusammenhang bietet Dünnschicht-PV ein großes Potential zur Kostensenkung, da hier unter anderem der Verbrauch an teurem Halbleitermaterial stark reduziert wird, oder die Implementierungsmöglichkeit von billigen grossflächigen Substraten gegeben ist. Die Absorberschicht einer Solarzelle sollte ein Bandgap zwischen 1.1 und 1.7 eV aufweisen, ebenso eine direkte Bandstruktur, die Zusammensetzung aus verfügbaren, ungiftigen Materialien, die Möglichkeit eines praktisch anwendbaren, wirtschaftlichen, und großflächigen Abscheideverfahrens, eine hohe photovoltaische Umwandlungseffizienz, und Langzeit-Stabilität. Das Kupfer-Indium-Diselenid (Engl.:"CIS") Materialsystem bildet die Grundlage für eine der aktuell vielversprechendsten Technologien für Dünnschichtsolarzellen, mit bestätigten Effizienzen von bis zu 20 % für Laborzellen. Zusätzlich werden CIS-Module in Substratkonfiguration hergestellt, was den Einsatz von kostengünstigen flexiblen Substraten ermöglicht. Jedoch, mit dem Übergang zur kommerziellen Massenproduktion von CIS-Dünnschichtmodulen, wird die Versorgung des seltenen Metalls Indium mehr und mehr zum Problem. Zusätzlich sind die Materialien Selen und Cadmium, das vor allem in den Emitterschichten Cadmium-Sulphid eingesetzt wird, toxisch, und deshalb keine ideale Lösung. Cu2ZnSnS4 (CZTS) wird erst seit relativ kurzer Zeit als Absorberschicht in Dünnschichtsolarzellen untersucht, und besteht aus den reichlich verfügbaren, ungiftigen Materialien Schwefel und Zink/Zinn, jeweils anstatt von Selen und Indium. Das Abscheideverfahren und die zugehörige Kontrolle über die Zusammensetzung sind hier von größter Bedeutung, und stehen noch am Anfang ihrer Erforschung. Zusätzlich verweisen aktuelle Publikationen regelmäßig auf den Mangel an Studien bezüglich der fundamentalen Eigenschaften von CZTS Dünnschichten. Diese Fakten motivieren nachdrücklich den Antrag dieses Projektes, und zeigen, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft Veröffentlichungen zu diesem Thema begierig erwartet. Wissenschaftliche Resultate zu diesem Thema können so großen Einfluss auf die zukünftige Entwicklung von CZTS-basierten, sowie von Dünnschichtsolarzellen im Allgemeinen, haben. Die Hauptzielsetzung dieses Projektes ist die Herstellung von CZTS-basierten Dünnschichtsolarzellen durch reaktives Sputtern und Sulphurisierung, sowie die Charakterisierung der zugehörigen strukturellen, optischen, und elektrischen Eigenschaften. Da diese Eigenschaften stark von den Abscheidebedingungen abhängen, ist die Entwicklung eines gut regelbaren und reproduzierbaren Prozessschemas auf Glassubstraten ein erster Meilenstein. Der Antragsteller wird hierfür Abscheideprozesse für Rückelektroden, Bufferschichten, transparente Kontaktschichten, und Kontaktgitter erarbeiten und weiterentwickeln, um so die erreichten Zell-Effizienzen kontinuierlich zu steigern. Als finaler Meilenstein und neuartige Ambition, sollen CZTS-Dünnschichtsolarzellen auf Folien-basierten Substraten entwickelt, und bezüglich ihrer strukturellen, optischen, und elektrischen Eigenschaften evaluiert werden. Dieses Projekt soll bei der Gruppe von Prof. Ferekides an der University of South Florida durchgeführt werden. Neben dem Wissen und der Erfahrung von Prof. Ferkides` Forschungsgruppe, die weltweites Ansehen im Bereich der Dünnschichtsolarzellen geniest, wird der Antragsteller von einem "Department of Energy (DOE)"-Program für "Folien-basierte Dünnschichtsolarzellen der nächsten Generation" profitieren. Mittels eines umfassenden Projektplans soll so entscheidend und nachhaltig zur wissenschaftlichen Entwicklung von hoch-effizienten, kostengünstigen und Langzeit-stabilen Dünnschichtsolarzellen, aus billigen, verfügbaren und ungiftigen Materialien, beigetragen werden.