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Dünnschicht- und Tandemsolarzellen

Hauptseminar

Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung

Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart12.03.2012 1

12. März 2012

Jan Künzel

2

i. Motivation für Dünnschichtzellen

ii. Direkte Halbleiter

iii. Zellen aus amorphem Silizium

iv. Zellen aus Cadmium-Tellurid

v. CIS-Zellen / ternäre Chalkopyrite Kupfer-Indium-Diselenid

vi. Zellen aus Gallium-Arsenid

vii. Tandem-Solarzellen

viii. Abschließende Übersicht


Inhalt:

Hauptseminar Physikalische Aspekte der Solarenergienutzung am 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart12.03.2012

3


i. Motivation für alternative Materialien:


http://pvcdrom.pveducation.org/DESIGN/Images/CELLSCH.GIF

http://www.microwaves101.com/encyclopedia/images/MMICs/xpertepi.jpg

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://farm1.static.flickr.com/120/310868087_2d71a39422.jpg

http://www.juwi.de/typo3temp/pics/Waldpolenz__3__70824f8c78.jpg

http://www.groupsat.com/Upload/EditorFiles/20090501125207670.gif

http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/RT2001/images/5410hepp2-f1.jpg

http://buildaroo.com/wp-content/uploads/2010/12/Abound-Solar-Cadmium-Telluride-Thin-Film-Solar-Panels-2.jpeg

http://images.sciencedaily.com/2008/02/080206154631-large.jpg

4


•Hohe Effizienz bei vermindertem Materialeinsatz

•Möglichkeit von Zellen auf flexiblen Substraten

•Günstige Herstellungsbedingungen / Energy-Payback-Time

[1][2]



[1]

5

Silizium

CuInSe2




[1]

•sehr steiler Anstieg der Absorptionskoeffizienten

•Bandlücken liegen günstig bzgl. des AM1.5-Spektrums

•geringe Schichtdicken lassen auf effektive Absorption schließen

6

•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

Phif

Phif

Phif

kkk

EhEE

EhEE

[2]


ii. Direkte Halbleiter:


Indirekte Bilanzgleichungen

Eigenschaften direkter Halbleiter

7

Absorptionskoeffizienten bei direkten Halbleitern

ififdir

iffiifdir

DPconst

NNPconst

S hEEikfk

if

ifEE

dSD

bei parabolischer Bandstruktur gilt für direkte Halbleiter

gdir EhAh mit A=104 cm-1

[2]

[1]




8

•mit steigendem

Absorptionskoeffizienten kann die

Dicke der absorbierenden Schicht

abnehmen!

Lambert-Beersches-Gesetz:deIdI

0)(




[1]

Absorptionskoeffizienten und spektrales Ansprechverhalten

9

EG ≈1,7eV

aAbs 1,78∙104cm-1

a 5,43 Å

αth 2,6∙10-6°C-1

nD ≈4,3

µe 1500cm²/Vs

µh 450cm²/Vs

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




10

Herstellungsverfahren: Amorphes hydrogenisiertes Silizium

•CVD chemical vapor deposition

•Sputtern

•GD glow discharge: Abscheidung in einer Glimmentladung

22324 ......2 SiHSiHHSiSiH amorph

WP

CT

NcmSiHf

mbarSiHp

HF

Substrat

5

270min

20

2.03

4

4

glow discharge:

[1]




11

Eigenschaften von a-Si:H

x-Si a-Si[1]

„dangling bonds“ führen zu Defektzuständen in der Energielücke

sp³-hybridisierte Tetraeder ohne offene Bindungen




(3) Sputtern

(2) Glimmentladung bei 80°C

(1) Glimmentladung bei 280°C12

•Die Translationssymmetrie des periodischen Kristallgitters ist aufgehoben

•Das Bloch-Theorem verliert seine Gültigkeit

•Keine genau definierte E(k)-Bandstruktur mehr

)( axx

[1]

[1]




Eigenschaften von a-Si:H

13

[1]




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

eVEPS 7,1

HH

[1]

[1]

14

Si

H

Si

Si H

Si




Staebler-Wronski-Effekt / Photodegradation

15

[1]

[1]

hTCOpinMeSub

hTCOnipMeSub

MepinTCOSubh

MenipTCOSubh

///

///

///

///

p+ n+

LB

VB

EF

EF

i

e-

h+



p-i-n-Struktur mit a-Si:H


16

Herstellungsverfahren:

•CVD Gasphasenabscheidung

•Sputtern

•Siebdruck / Screen printing

•Close-Spaced Sublimation

•Galvanische Abscheidung

EG 1,45 eV

aAbs ≈5∙104cm-1

a 6,48 Å

αth 4,9∙10-6°C-1

nD ≈ 3

µe 1000cm²/Vs

µh 100cm²/Vs

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://29.media.tumblr.com/tumblr_lq38hguivT1qj3fzwo1_500.jpg

http://www.5nplus.com/images/cdte_poudre.jpg

SCP

CSS




Blythe, CA, USA21MW

http://www.firstsolar.com/~/media/WWW/Files/Photo-Library/Print/CstSte_6281_FS_CA_HR_M.ashx

17

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

monolithisch verschaltete Zelle




[1]

Herstellung: n-CdS/p-CdTe-Heterostruktur

18

n-CdS p-CdTee-

h+

[1]




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

EVAK

19

[1]




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

20

[1]




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

21

Herstellungsverfahren:

•Hochvakuumaufdampfen

•Sputtern / Kathodenzerstäubung

•Chemische oder elektrochemische

Abscheidung

•GD glow-discharge

EG ≈ 1 eV

aAbs ≈5∙105cm-1

a 5,78 Å

αth 7,9∙10-6°C-1

nD ≈ 2,5

µe 600cm²/Vs

µh 300cm²/Vs

http://www.itwissen.info/bilder/flexibles-duennschichtsolarmodul-in-cigs-foto-global-solar-doteu.png


v. 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

22

http://www.uni-siegen.de/fb11/lot/lehrstuhl/ausstattung/images/pvd_lot.png

http://www.helmholtz-berlin.de/media/media/forschung/energie/technologie/praeparation/sputtern.jpg




Herstellung:

23

[1]




Dotierung CuInSe2

•Dotierung über die Stöchiometrie von Kupfer und Indium

•p-/n-Typ bereits über Oberflächenstruktur (REM) zu erkennen

24

[1]




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

25

EG ≈1,42eV

aAbs 5∙104cm-1

a 5,65 Å

αth 6,9∙10-6°C-1

nD ≈3,6

µe 8500cm²/Vs

µh 400cm²/Vs

http://idw-online.de/pages/de/newsimage?id=50664&size=screen

http://qdlaser.com/cms/wp-content/uploads/2011/10/2e5ecfdf2ecd120752efe13c1d532bcb.JPG




26

gsggCHGaAsAsHGaCH 4333 3

http://www.iht.tu-bs.de/bakin/movpe.jpg

[1]

•LPE liquid-phase epitaxy

•MBE molecular beam epitaxy

•MOVPE metal organic vapor phase

epitaxy




Herstellung

27

http://www.ee.t.u-tokyo.ac.jp/~sugiyama/research/images/fig1.jpg




MOVPE: metal organic vapor phase epitaxy

28

[1]




Schicht- und Bandstruktur

29

[1]




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

http://www.technologyreview.com/files/11549/tandem_cell_diagram_x220.jpg

30

• 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]




3-fach Tandem-Struktur

31

[1]

Multiterminal-ZelleMonolithische Zelle




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

32

[1]




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

33




Zusammenfassung

I. Amorphes Silizium

• Bandstruktur eines verunreinigten Halbleiters

• Staebler-Wronksi-Effekt

• p-i-n Schichtstruktur

Abscheideverfahren für amorphe oder polykristalline Dünnschicht

• CVD: chemical vapor deposition • Siebdruckverfahren

• Sputtern • CSS: close-spaced sublimation

• Chem. oder elektrochemische Abscheidung • Glimmentladung / glow-discharge

II. 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“III. Ternäre Chalkopyrite / CuInSe2

• sehr hoher Absorptionskoeffizient / keine Degradationseffekte

• „spike“ im Leitungsband ist Hindernis für Elektronen und am Heteroübergang bilden sich Grenzflächendefekte

IV. Gallium-Arsenid

• nur einkristalline Schichtstrukturen möglich

• hohe Wirkungsgrade durch Heterostruktur mit Al1-xGaxAs-Schichten

34




I.II.III.

IV.

35


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/


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