In Zukunft wird die Photovoltaik bei der Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien eine immer größere Rolle spielen. Daher lohnt sich die Weiterentwicklung der Solarzellen und die Steigerung ihrer Effizienzen sehr. In dieser Dissertation werden Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen erforscht, bei denen es sich um Dünnschichtsolarzellen handelt, die kostengünstig hergestellt werden können und aufgrund ihrer geringen Dicke vielfältig einsetzbar sind.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei der aktuell vielversprechendsten Forschungsthemen bezüglich der Effizienzsteigerung von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen: der Erforschung alternativer Materialien für die CdS-Pufferschicht und der Alkalifluorid-Nachbehandlung des Absorbers. Dafür wird die winkelaufgelöste Elektroreflektanz-Spektroskopie entwickelt, die die zerstörungsfreie Bestimmung der Bandlückenenergien alternativer Pufferschichten sowie die Detektion von Sekundärphasen innerhalb der Solarzelle ermöglicht. Zusätzlich wird der Einfluss der Alkalifluorid-Nachbehandlung und des Materials der Pufferschicht auf die Austrittsarbeit des Absorbers mittels Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie analysiert.
Aktualisiert: 2021-11-11
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Im Rahmen dieser Arbeit wurde durch den Versuch einer selektiven Mikrowellenankopplung in die leitfähigen Schichten von CdTe- und Cu(In,Ga)Se2-Panelschrotten die Möglichkeit eines thermischen Recyclingansatzes durch Destillation der Wertmetalle validiert. Als Fazit dieser Arbeit lässt sich ableiten, dass sowohl CdTe- als auch CIGS-Panelschrotte prinzipiell mittels auf Temperaturen von bis zu 1000°C erwärmt werden können. Dabei findet der Wärmeeintrag primär in die leitfähigen Funktionsschichten statt, welcher zu einer Miterwärmung des Glassubstrates führt. Eine reproduzierbare und nahezu vollständige Verflüchtigung konnte dabei für CdTe prinzipiell nachgewiesen werden, jedoch ist der Abtrag durch starke Temperaturgradienten auf einzelne Proben begrenzt. Eine Behandlung von Cu(In,Ga)Se2-Schichten (unter oxidierenden Bedingungen) hingegen führt lediglich zu einer Verflüchtigung von Se.
Die abschließende technische Beurteilung der Ergebnisse weist darauf hin, dass unterschiedliche Prozessdetails noch nicht hinreichend untersucht wurden. So war das Prozessfenster hinsichtlich Druck und Leistung aufgrund von „thermal runaways“ und Plasmaeffekten stark begrenzt. Als Ursache dafür sind Temperaturgradienten zu nennen, die sich zum einen aufgrund der Materialgeometrie an Spitzen und Kanten, zum anderen durch die charakteristische Feldverteilung in der Kammer ausbildeten. Um dem zentralen Ziel einer selektiven Erwärmung und Abtrennung der Absorberschichten gerecht zu werden, ist eine technische Weiterentwicklung des Prozesses erforderlich um die Feldverteilung so zu beeinflussen, dass Inhomogenitäten und das Auftreten von Plasmen vermieden werden können.
Aktualisiert: 2020-07-11
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Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung der Langzeitstabilität von CIGS-Dünnschichtsolarzellen. Basis der Untersuchungen sind beschleunigte Alterungstests. Eine elementare Erkenntnis der beschleunigten Alterungstests war, dass das Verhalten bei tiefen Temperaturen im Ausgangszustand nach Dauertests bei Raumtemperatur auftritt. Eine Barriere am Rückkontakt wurde als ursächlicher Degradationsmechanismus ermittelt. Auf dieser Erkenntnis basierend wurde ein Modell zur Beschreibung des Zellverhaltens über den gesamten Temperaturbereich entwickelt und eingeführt. Hauptbestandteil des „Phototransistormodells“ ist eine Barriere am Rückkontakt. Damit konnte eine neue Methode zur Bestimmung der Barriere am Rückkontakt entwickelt werden. Als Ursache für die beobachteten Veränderungen der Zellcharakteristika wurde eine Erhöhung der Barriere am Rückkontakt identifiziert. Durch Messungen und Simulationen konnte ein direkter Zusammenhang zwischen der N1-Stufe in der Admittanzspektroskopie und der Barriere am Rückkontakt hergestellt werden. Das beobachtete Verhalten von Zellen bei einem Dauertest unter negativer Spannung konnte mit dem Punch-Through Effekt erklärt werden. Die Dauertests ergaben keine erhebliche Verschlechterung der Lebensdauer, die Langzeitstabilität ist dem zu Folge nicht als kritisch zu bewerten.
Aktualisiert: 2021-04-16
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In dieser Arbeit wurden hybride Bauelementarchitekturen für effiziente Dünnschichtsolarzellen konzipiert, experimentell realisiert und charakterisiert. Neben hybriden Konzepten für flüssig prozessierbare Elektrodensysteme wurden vor allem Ansätze verfolgt, hocheffiziente Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Absorber mit perspektivisch druckbaren organischen Halbleitern sowohl in Einzel- als auch in Tandem-Solarzellen zu kombinieren.
Aktualisiert: 2021-02-11
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