CdTe

Sputterheizung CdS-Kammer (Foto: Gabi Haindl)

CdTe Solarzellen

Mit einem theoretischen Wirkungsgrad von 29,7 % und der Möglichkeit, Cadmiumtellurid (CdTe) auf verschiedene Weisen sehr einfach und kostengünstig großflächig abzuscheiden, stellen polykristalline Cadmium-Tellurid-Dünnschichtsolarzellen eine aussichtsreiche Alternative zur etablierten ein- und polykristallinen Siliziumsolarzellentechnologie dar. Mehrere Unternehmen haben daher bereits erfolgreich mit der Produktion von CdTe-Solarmodulen begonnen. Der hohe theoretische Wirkungsgrad wird in der Praxis nicht erreicht. Die beste Laborzelle zeigte eine Effizienz von 16,5 %, kommerzielle Module (≈ 1 m2) liegen bei etwa 10 %.

Ziel des Projekts ist ist die Entwicklung von CdTe Hochleistungs-Dünnschicht-Solarzellen mit kontrollierter Morphologie, niedrigerer Wachstumstemperatur und reduzierter Dicke der Absorberschicht. Durch Optimierung der Nukleation der CdS und CdTe- Schichten auf dem Substrat sollen Dichte und Orientierung der Schichten so kontrolliert werden, dass Absorberdicken unter 2 µm ohne Reduktion der Effizienz ermöglicht werden. Die erhaltenen Erkenntnisse können durch Einsatz von industrienahen Prozessen in der Forschung kurzfristig in die Basistechnologie der Industrie überführt werden. Durch Reduktion der Schichtdicken und der Abscheidetemperaturen können Material und Energie eingespart, Taktzeiten erhöht und damit die Produktionskosten der CdTe-Module reduziert werden.

Aufbau einer CdTe-Dünnschichtsolarzelle
Aufbau einer CdTe-Dünnschichtsolarzelle

CdTe-Solarzellen sind üblicherweise in Superstrat-Konfiguration aufgebaut: die einzelnen Schichten der Zelle werden nacheinander auf einem Glassubstrat, welches gleichzeitig der mechanischen Stabilität dient, abgeschieden.

 CSS-Einheit (Foto + schematische Darstellung)
CSS-Einheit (Foto + schematische Darstellung)

Dabei wird mit der Abscheidung des Frontkontaktes begonnen. Dieser besteht aus einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO) mit einer Dicke von 100 – 500 nm. Am häufigsten verwendet werden Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder fluordotiertes Zinnoxid (FTO), (evt. gefolgt von einer undotierten Zinnoxid-Pufferschicht). Diese TCOs besitzen sehr große Bandlücken (Bsp. SnO2: EG = 3,7 eV), was sie durchlässig für sichtbares Licht macht. Sie sind gleichzeitig sehr hoch dotiert wodurch eine metallischen Leitfähigkeit erreicht wird.

Als nächster Schicht wird n-leitendes CdS mit einer Dicke von 80 – 200 nm aufgebracht. Dazu verwenden wir die sogenannte Close Spaced Sublimation (CSS). Im CSS-Prozess wird CdS im Vakuum aus einem Tiegel verdampft und auf das heiße Substrat abgeschieden. Bei diesem Verfahren wird das Substrat auf Temperaturen von 500 – 600 °C gebracht, bei denen die Reevaporation der zu verdampfenden Spezies eine Schichtabscheidung verhindern würde. Um dies zu vermeiden, wird das Substrat in unmittelbaren Kontakt mit dem Tiegel gebracht und schließt diesen im Idealfall ab. Diese Methode erlaubt nicht nur sehr hohe Substrattemperaturen, sondern auch vergleichsweise hohe Abscheideraten, was sie interessant für die Anwendung in der kommerziellen Produktion gemacht hat. Man versucht möglichst dünne und doch dichte CdS-Schichten herzustellen, da das CdS einen Teil des Sonnenlichts absorbiert, die erzeugten Ladungsträger aber fast nicht zum Photostrom beitragen.

Die CdTe-Absorberschicht wird ebenfalls im CSS-Verfahren aufgebracht, da so die komplette Schichtdicke von 5 – 8 µm in weniger als 2 min abgeschieden werden kann.

Der Rückkontakt schließlich besteht bei uns aus einem so genannten primären und einem sekundären Kontakt. Der primäre Kontakt besteht aus einer Tellurschicht, die durch selektives Ätzen des CdTe-Absorbers mit einer Lösung aus Salpeter- und Phosphorsäure (NP-Ätze) gewonnen wird. Der sekundäre Kontakt besteht aus einem metallischen Leiter zum Abtransport der in der Solarzelle erzeugten Löcher. Dieser besteht im Labormaßstab üblicherweise aus Gold. Für großflächige kommerzielle Anwendungen werden andere Metalle wie Molybdän oder Nickel/Vanadium verwendet.

Vor der Präparation des Rückkontaktes werden die Solarzellen einer Temperaturbehandlung in einer chlorhaltigen Atmosphäre unterzogen. Diese so genannte Aktivierung führt zu einer signifikanten Verbesserung aller Leistungsmerkmale (VOC, JSC, FF, Effizienz) der Solarzelle.

Die Beleuchtung von Zellen in Superstratkonfiguration erfolgt durch die Glasseite.