Forschung Vom Nanostäbchenteppich zur Solarzellendünnschicht in wenigen Sekunden

Redakteur: Stéphane Itasse

Forscherteams aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und der University of Limerick, Irland, haben einen neuen Weg gefunden, um polykristalline Kesterit-Dünnschichten bei niedrigerer Temperatur herzustellen: Sie erzeugten zunächst einen Teppich aus geordneten Nanostäbchen mit Wurtzitstruktur.

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Beispiel Dünnschichtsolarzelle: Forscher arbeiten an einem Verfahren, wie sie sich billiger herstellen lassen könnten.
Beispiel Dünnschichtsolarzelle: Forscher arbeiten an einem Verfahren, wie sie sich billiger herstellen lassen könnten.
(Bild: Wikimedia/Ulfbastel)

Diese Stäbchen besitzen chemisch die gleiche Zusammensetzung wie Kesterit, nur ihre Kristallstruktur ist unterschiedlich, wandelt sich aber bei Erwärmung in eine stabile Kesteritstruktur um, wie das HZB berichtet. An der Eddi-Beamline von Bessy II hätten die Wissenschaftler diesen Prozess in Echtzeit beobachtet: Binnen weniger Sekunden bildeten sich aus den Wurtzit-Stäbchen Kesteritkristallite.

Forscher können Wachstum der Kesteritkristalle beobachten

Entscheidend war dabei laut Mitteilung nicht die Höhe der Temperatur, sondern die Heizrate: Je rascher die Wurtzit-Stäbchen erhitzt wurden, desto größer wurden die Kristallite. So sei es gelungen, Kesteritschichten aus fast mikrometergroßen Kristalliten zu erzeugen, welche in Dünnschichtsolarzellen zum Einsatz kommen könnten.

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Als Ausgangsmaterial für die Bildung der Kesteritschicht diene quasi ein Teppich aus Nanostäbchen: Die Chemiker um Ajay Singh und Kevin Ryan an der Universität Limerick hätten mit Hilfe lösungsbasierter chemischer Verfahren hochgeordnete Schichten aus Wurtzitnanostäbchen hergestellt, welche exakt die gleiche Zusammensetzung wie Cu2ZnSnS4-Kesterit besäßen. HZB-Physiker um Roland Mainz und Thomas Unold konnten nun mit Hilfe von Echtzeit-Röntgenbeugung an der Eddi-Beamline am Bessy II beobachten, wie sich durch einen Phasenübergang aus der metastabilen Wurtzitphase in die stabile Kesteritphase die makroskopisch angeordneten Nanostäbchen in Kesteritdünnschichten mit nahezu mikrometergroßen Kristalliten umwandeln, wie es heißt.

„Das Besondere ist, dass die Bildung der gesamten Kesteritschicht sehr schnell abläuft und gleichzeitig ein schnelles Kornwachstum ausgelöst wird“, sagt Mainz. Und je schneller die Proben hochgeheizt würden, desto größer würden die Kristallite. Mainz sagt: „Bei einer niedrigen Heizrate beginnt die Umwandlung von Wurtzit in Kesterit schon bei einer tieferen Temperatur, bei der sich viele kleine Kristallite bilden – statt weniger großer. Hierbei bilden sich auch vermehrt Defekte aus. Beim schnellen Heizen ist dafür keine Zeit, die Umwandlung findet erst bei einer höheren Temperatur statt, bei der sich direkt eine defektärmere Struktur ausbildet.“

Neue Verfahren zur Herstellung dünner Schichten ohne Vakuumtechnik in Sicht

Der Vergleich der Phasenumwandlung bei langsamer und bei schneller Heizrate zeige, dass nicht nur das Kornwachstum durch die Phasenumwandlung ausgelöst werde, sondern andersherum auch das Kornwachstum die Phasenumwandlung beschleunige. Die HZB-Physiker hätten ein Modell entwickelt, das diese Beobachtung erklären kann, und anhand von Modellrechnung die Übereinstimmung mit den gemessenen Daten überprüft.

Die Arbeit zeige einen neuen Weg, um dünne mikrokristalline Schichten aus Halbleiternanostrukturen ohne aufwändige Vakuumtechnik zu herzustellen. Kesterithalbleiter gälten als vielversprechende Alternative für die Chalkopyrit-Solarzellen (Cu(In2Ga)Se2), mit denen bereits Laborwirkungsgrade über 20% demonstriert worden seien. Kesterite besäßen ähnliche physikalische Eigenschaften wie Chalkopyrithalbleiter, kämen jedoch ohne die vergleichsweise weniger verfügbaren Elemente Indium und Gallium aus. Das neue Verfahren könnte auch für die Herstellung von mikro- und nanostrukturierten photoelektrischen Bauelementen, sowie für Halbleiterschichten aus anderen Materialien interessant sein, meint Mainz. „Wir bleiben aber an den Kesteriten dran, denn die sind im Moment wirklich ein spannendes Thema.“

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