Die effizientesten Solarzellen aus Silizium sind heutzutage monokristallin aufgebaut, das heißt, sie bilden ein einheitliches, homogenes Kristallgitter. Im Gegensatz dazu bestehen jedoch polykristalline Schichten aus vielen kleinen Einzelkristallen, die durch die so genannten Korngrenzen voneinander getrennt werden. Überraschenderweise liefern Dünnschichtsolarzellen aus Chalkopyriten in der polykristallinen Form höhere Effizienzen als in der monokristallinen Form. Eine Erklärung für dieses Phänomen liefern nun erstmals deutsche Wissenschaftler und berichten hierüber in „Physical Review Letters“.
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Polykristalline Schichten sind deutlich einfacher und kostengünstiger zu produzieren. Daher konzentriert sich die Entwicklung von preiswerten Solarzellen zunehmend auf polykristalline Materialien. In polykristallinen Materialien bilden sich Korngrenzen, wenn zwei Kristalle aufeinander stoßen. Diese Korngrenzen sind Kristallstörungen und bilden elektrisch geladene Defekte. Sie sind für die Qualität der Bauelemente schädlich, da sie die Anzahl der vom Licht generierten Ladungsträger durch Rekombination reduzieren. Bei diesem Effekt treffen zwei Ladungsträger mit entgegengesetzten Vorzeichen aufeinander und „löschen sich aus“. Rekombinierte Ladungsträger können nicht mehr zum elektrischen Strom beitragen. Außerdem stellen Korngrenzen eine Barriere für den Ladungstransport dar.
Keine Ladung aber trotzdem eine Barriere
Vor kurzem wurden auch Korngrenzen theoretisch vorhergesagt, die keine elektrische Ladung, aber trotzdem eine Barriere aufweisen. „Wir haben speziell für den Nachweis dieser neutralen Korngrenzenbarriere Kristalle aufgewachsen und konnten an diesen nun erstmals überhaupt eine neutrale Korngrenzenbarriere nachweisen“, erläutert Projektleiterin Dr. Susanne Siebentritt vom Hahn-Meitner-Institut Berlin. Was die Forscher erstaunt, ist der Umstand, dass diese neutralen Grenzen ein Hindernis für den Ladungstransport bilden.
„Bisher gingen wir davon aus, dass nur geladenen Korngrenzen eine Barriere darstellen. Dass neutrale Grenzen ebenso ein Hindernis für den Ladungstransport darstellen, könnte weit reichende Konsequenzen haben“, berichtet Dr. Sascha Sadewasser, Mitentdecker der neuen Struktur. Die neutrale Korngrenzenbarriere könnte einer der Gründe sein, warum in Chalkopyriten unerwarteterweise polykristalline Solarzellen effizienter sind als einkristalline: An der Barriere wird wahrscheinlich die Rekombination unterdrückt. „Dieser erste Nachweis wird der Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen aus Chalkopyriten wichtige Entwicklungsimpulse liefern“, so Siebentritt weiter.
Chalkopyrite stehen an der Schwelle zur Massenproduktion, da sie neben der polykristallinen Struktur auch vielfach dünnere Schichten und so erhebliche Material- und Kostenersparnisse ermöglichen. „Für uns Forscher und auch für Produzenten von Solarzellen sind diese Materialien sehr interessant, da hier unter anderem die polykristallinen Zellen effizienter sind als die monokristallinen“, schließt Siebentritt. Die Ergebnisse der Berliner Forscher wurden unlängst als Titelbeitrag in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ Anfang Oktober präsentiert.
(idw – Hahn-Meitner-Institut Berlin GmbH, 03.11.2006 – AHE)
