Verbundprojekt: Kostengünstige, umweltfreundliche und hocheffiziente polykristalline Sb2SxSe3-x-Dünnschichtsolarzellen (EnvSol); Teilvorhaben: Lösungsprozessierte polykristalline Sb2SxSe3-x-Dünnschichtsolarzellen

Abstract

Neuartige Materialien für Solarzellen müssen heutigen Anforderung genügen, was deren Wirkungsgrad, aber ebenso deren Verfügbarkeit angeht. Sie müssen stabile und reproduzierbare Zellen liefern können und dürfen gleichzeitig keine Gifte freisetzen, was Materialgewinnung, Materialverwendung und Herstellung angeht. Aus dieser Sicht sind SnS und FeS2 sehr interessante Materialien, obwohl noch intensive Forschungsarbeit zur Herstellung eines einfachen Abscheidungsprozesses und einer geeigneten Pufferschicht erforderlich ist, um einen hocheffizienten und kostengünstigen Abscheidungsprozess zu finden. Selbst führenden Labore haben durch diese komplizierten und sensiblen Herstellungsprozesse bisher nur einen sehr geringen Wirkungsgrad erreicht. Andererseits haben etwa 10 Jahre Forschungsinvestitionen in CZTS sehr ermutigende Fortschritte gezeigt, jedoch ist der Gesamtwirkungsgrad noch weit von den traditionelleren Technologien wie CdTeund CIGS-basierten Solarzellen entfernt. Aus diesem Grund besteht nach wie vor ein starker Bedarf an der Untersuchung neuer photovoltaischer Materialien mit einem einfachen und kostengünstigen Abscheidungs- bzw. Herstellungsprozess, der hohe Wirkungsgrade liefern kann. Das Ziel dieses Projekts war es neue Dünnschichtsolarzellen basierend auf reichlich vorhandenen und ungiftigen Materialien mit großem Potenzial für hohe Effizienz und kostengünstige Produktion zu liefern. Als Material haben wir uns dafür Sb2SxSe3-x herausgesucht, was schon vielversprechende Ergebnisse geliefert hat. Durch die Differenzierung verschiedener Herstellungsverfahren sollte festgestellt werden, welche Methoden am vielversprechendsten im Hinblick auf die Herstellung, deren Reproduzierbarkeit und Effizienz, ist. Wir haben Sb2SxSe3-x verwendet, dessen Bandlücke durch den Anteil x beeinflusst werden kann. In diesem Projekt wurde der Herstellungsprozess dieser Solarzellen optimiert und eingehend untersucht. Wir konnten die Bandlücke zwischen 1,5 – 1,8 eV je nach Konzentration des Selen-Anteils variieren. Die Herstellung der Filme hat in den verschiedenen Laboren stattgefunden, da hier ganz unterschiedliche Herstellungsmethoden angewandt wurden und somit verglichen werden könnten. An der Universität Konstanz wurden die Halbleitermaterialien aus Lösung prozessiert, während sie am Physical-Technical Institute, Usbekistan (PTI) durch eine neuartige und kostengünstige chemische Molekularstrahlabscheidung (CMBD) bei atmosphärischem Druck hergestellt wurden. Dabei wurden durch Laborbesuche der Mitarbeiter des PTI deren Filme auch hier untersucht und verwendet, um einen direkten Vergleich zu bekommen. Im Rahmen des Projektes wurde die Filmqualität der Sb2SxSe3-x Schichten untersucht. Zur Untersuchung der Schichten wurden verschiedene Methoden verwendet. So wurden das Absorptionsverhalten untersucht, insbesondere unter Berücksichtigung der SeDotierkonzentration in den Filmen. Wie erwartet, hat dies zu einer Änderung der Bandlücke geführt, die damit in einem gewissen Bereich angepasst werden kann. Es gab gewisse Probleme bei der Homogenität der Schichten, insbesondere ihrer Rauigkeit. Diese Inhomogenität die zu Problemen bei der Reproduzierbarkeit geführt hat (insbesondere nochmal verstärkt bei den Filmen, die über CMBD abgeschieden wurden). Dies hat dazu geführt, dass die mit CMBD abgeschiedenen Schichten bisher leider nicht die Performance bringen, da ihre Rauigkeit nicht zulässt, gute Zellen daraus herzustellen. D.h. hier ist weiterer Optimierungsbedarf für die Herstellungsparameter notwendig, um die Rauigkeit zu reduzieren. Trotz Verbesserungen im Laufe des Projektes war die Zeit leider zu kurz, um hier die Filmqualität zu erhalten, die für hocheffiziente Solarzellen notwendig gewesen wäre. Die Filmqualität (und somit auch die Effizienz der daraus resultierenden Solarzellen) konnte verbessert werden. Hauptverantwortlich für eine verbesserte Filmqualität war das optimieren des Syntheseprozesses des Sb2SxSe3-x-Präkursors sowie der Aufheizkonditionen nach dem Spincoaten. Die Atmosphäre (N2), die Dauer und der exakte Temperaturverlauf spielen dabei die entscheidenden Faktoren für die hier verwendete Schicht. Je optimierter diese Bedingungen, desto kompakter ist die Schicht und desto höher ist das Absorptionsvermögen der Schichten. Eine wichtige Grundlage für effiziente Solarzellen stellen die Grenzschichten dar. Wir haben uns in Konstanz bewusst für TiO2 als Elektronentransportmaterial (ETM) entschieden, auch wenn dieses nicht die optimalen Ergebnisse liefert, wie das z.B. mit CdS der Fall ist. Uns war allerdings der Einsatz einen nicht-toxischen ETMs wichtiger, als der Wirkungsgrad. Als Lochleitendes Material (HTM) haben wir P3HT verwendet, was zu deutlich stabileren Zellen führt, als das mit dem meist verwendeten spiro-OMeTAD der Fall ist. Allerdings ist auch hier der Wirkungsgrad nicht ganz so gut. D.h. hier ist noch weitere Optimierung notwendig, insbesondere, was den Einsatz von stabilen und ungiftigen Grenzschichten darstellt. Während in der Literatur einige der Zellen schon Wirkungsgrade von >10% erreicht haben (z.B. Mo et. al, https://doi.org/10.1002/adfm.202420261) ist uns dies in diesem Projekt noch nicht gelungen. Allerdings konnten wir mit dem Einsatz von ungiftigen und relativ haltbaren Materialien Wirkungsgrade von 3% erhalten. Wir sind überzeugt, dass der Wirkungsgrad auch mit ungiftigen Grenzschichten auf Werte von >10% erreicht werden kann, allerdings hier noch weitere Optimierung bei den Grenzschichten notwendig ist.