CIS

Sputterheizung CdS-Kammer (Foto: Gabi Haindl)

Cu(In,Ga)Se2 Dünnschichtsolarzellen

Schematischer Aufbau einer CIS Solarzelle.
Schematischer Aufbau einer CIS Solarzelle.

Cu(In,Ga)(S,Se)2 (kurz: CIGS) Dünnschichtsolarzellen werden im Fachgebiet Oberflächenforschung im Rahmen des “GRACIS“ (Gradienten in Cu(In,Ga)(S,Se)2 Dünnschichtsolarzellen) Projektes untersucht. Uns interessiert hierbei speziell die Grenzfläche zwischen dem Absorbermaterial (CIGS) und dem Puffermaterial (CdS bzw. ZnS). Wir verwenden zur Analyse vorwiegend die Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie (XPS) am Darmstädter Integrierten System für Solarzellenforschung (DAISY-Sol).

Schematischer Bandverlauf in einer CIS Solarzelle.
Schematischer Bandverlauf in einer CIS Solarzelle.

Die CIGS -Solarzelle ist in der Substratkonfiguration aufgebaut, in der Kalk-Natron-Glas oder auch flexible Folien aus Metall bzw. Kunststoffen als Substrat für die folgenden Schichten dienen. Als Rückkontakt wird weitgehend metallisches Molybdän verwendet. Auf den Rückkontakt werden das Absorbermaterial (CIGS) und ein Puffermaterial (CdS, ZnS, In2S3…) mit verschiedenen Abscheideverfahren aufgebracht. Der Frontkontakt besteht aus einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO) wie zum Beispiel ZnO. Zum besseren Ladungstransport werden Ni/Al-Kontakte in einer Fingerstruktur auf das TCO aufgebracht. Abschließend wird die Solarzelle in Glas eingekapselt um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen.

Der schematische Bandverlauf einer Solarzelle gibt Aufschluss über deren Eigenschaften wie Ladungsträgergenerierung und Ladungsträgertrennung. Der Verlauf des Valenzbandes kann durch XPS-Messungen ermittelt werden. Der Verlauf des Leitungsbandes wird durch die Bandlücken der einzelnen Materialien errechnet. Die Ladungsträgergenerierung findet im Absorbermaterial (hier CuInSe2) durch die einfallende Sonnenstrahlung statt. Die generierten Elektronen werden ins Leitungsband angehoben und aufgrund der Bandverbiegung zum Frontkontakt transportiert. Die Löcher werden im Valenzband zum Rückkontakt transportiert. Um einen effektiven Ladungstransport in den jeweiligen Bändern zu gewährleisten ist es wichtig, dass die jeweiligen Barrieren (ΔEVB und ΔECB) an den Grenzflächen zwischen den einzelnen Materialien möglichst gering sind.

Die CIGS-Dünnschichtsolarzellen besitzen im Labormaßstab einen Wirkungsgrad von 20,3 % (Stand: Juli 2010, Proben vom ZSW). Bei kommerziellen Modulen liegt der Wirkungsgrad bei 10–13 % und diese werden unter anderem von Würth Solar und Solibro in Deutschland hergestellt und vertrieben:

Die Projektpartner des GRACIS-Projektes sind: