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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Auf den Spuren des gefangenen Lichtes

„Wie kann man Licht, welches in einer Solarzelle eingefangen wurde, experimentell untersuchen?“

Diese Frage stellten sich Forscher des IEK5 am Forschungszentrum Jülich. Eigentlich erforschen die Kollegen periodische Nanostrukturen, die den normalerweise nur schwach absorbierten Anteil des Sonnenlichts effizient in Solarzellen einfangen um deren Effizienz zu steigern. Allerdings war die Analyse dieses Lichteinfangs bis vor kurzem nur mittels indirekter Methoden möglich, da eben das eingefangene Licht von außen nicht sichtbar ist.

Vor wenigen Monaten ist es den Kollegen des IEK5 gelungen, mittels eines Tricks einen direkten Blick auf die Lichtausbreitung in einer Solarzelle auf der Nanoskala zu werfen. Mittels der sogenannten optischen Nahfeld-Mikroskopie gelang es, die Ausbreitung des gefangenen Lichtes in einer periodisch nanostrukturierten Solarzelle nachzuverfolgen. Die optische Nahfeld-Mikroskopie nutzt das quantenmechanische Tunneln einzelner Photonen aus der Solarzelle in die Nahfeld-Spitze um das Licht zu messen, das eigentlich in der Solarzelle gefangen ist (s. Abbildung).

In einer kürzlich veröffentlichten Publikation in der Fachzeitschrift Nano Letters (U.W. Paetzold et al., Nano Lett. 2014, 14, 6599−6605) stellen die Forscher des IEK5 ihren Ansatz vor und zeigen an einer periodisch nanostrukturierten Solarzelle die Funktionsweise auf. Es wurde gezeigt, dass die Intensität der Lichtkopplung an einzelne Wellenleitermoden in der Solarzelle direkt mit einer verbesserten Lichtausbeute und somit der Energieumwandlungseffizienz korreliert. Die angewandte Messmethode eröffnet eine Vielzahl neuer Möglichkeiten für die Funktionskontrolle für nano-optische Bauelemente.

CatchedLight

Neue Solarzelle aus flüssigem Silizium

Jülicher Forscher bereiten Weg für nächste Generation von Dünnschicht-Elektronik

Jülich, 15. August 2014 – Jülicher Forscher haben in Zusammenarbeit mit der Firma Evonik eine Solarzelle entwickelt, die aus einem sehr dünnen Film einer flüssigen Silizium-Verbindung besteht. Mit einem Wirkungsgrad von 3,5 Prozent ist die Solarzelle sieben Mal effizienter als bisherige Zellen dieser Art. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind optimistisch, dass sie den Wirkungsgrad dieser kostengünstigen Solarzellen weiter steigern können. Damit würde dieser Ansatz, der als aussichtsreiche Grundlage für die nächste Generation von Dünnschicht-Elektronik gilt, auch wirtschaftlich interessant werden.

FlüssigsilanEin Glas-Substrat mit mehreren Solarzellen aus dem flüssig-prozessierten Silizium im Sonnensimulator, in dem der Wirkungsgrad gemessen wird.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Silizium ist weltweit der meist genutzte und am besten bekannte Halbleiter, allerdings ist die Verarbeitung von Silizium mit hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden. Genau hier greift die flüssige Siliziumverbindung an, die Jülicher Photovoltaik-Experten vom Institut für Energie- und Klimaforschung und die strategische Forschung (CREAVIS) des Spezialchemie-Unternehmens Evonik gemeinsam entwickelt haben: "Sie lässt sich kostengünstig flüssig verarbeiten und in den bekannten Halbleiter Silizium verwandeln", sagt der Jülicher Wissenschaftler Dr. Torsten Bronger, Erstautor der Studie. Er und seine Kollegen steuerten ihre Erfahrung in der Entwicklung und Optimierung von Solarzellen bei, während Evonik seine Kompetenz in innovativer Materialchemie einbrachte.
Bei dem Verfahren werden nicht wie sonst üblich massive Siliziumblöcke in dünne Scheiben zersägt. Stattdessen nutzen die Wissenschaftler Silizium in einer flüssigen chemischen Verbindung und tragen es als einen einige hundert Nanometer dicken Film auf eine Glasscheibe auf. Anschließend wandeln sie diesen Film in eine feste Schicht mit halbleitenden Eigenschaften um. Nach der Kontaktierung kann man das Ergebnis als Solarzelle zu nutzen. Allerdings erreicht das Verfahren noch nicht die Effizienz konventioneller Lösungen: Deren Wirkungsgrade liegen heute je nach Art der Solarzelle bei 10 bis über 20 Prozent. "Für Anwendungen, bei denen kein hoher Wirkungsgrad notwendig ist, könnte sich unserer Ansatz jedoch zu einer kostengünstigeren Alternative entwickeln", meint Bronger. Mögliche Anwendungen könnten neben Solarzellen auch Displays, Radio Frequency Identification (RFID), biologische Sensoren und medizinische Geräte sein.
Die Herstellung von Halbleiterfilmen aus Flüssigkeiten ist an sich nichts Neues. Bei der Produktion organischer Solarzellen, die aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen bestehen, ist dies – anders als bei Solarzellen aus Silizium – längst üblich. "Dieser Ansatz galt 2009, als wir anfingen, als schwierig. Damals gab es weltweit nur wenige Arbeitsgruppen, die sich an diesem Material versucht haben", erinnert sich Bronger. Zunächst bereitete es den Wissenschaftlern Probleme, aus dem flüssigen Silizium einen gleichmäßigen Film zu machen. So kam es vor, dass der Film riss oder sich Löcher bildeten. "Das ist so ähnlich wie beim Auftragen von Honig mit einem Löffel. Aufgrund der Oberflächenspannung entstehen kleine Lücken", erklärt der Physiker. Lücken im Silizium-Film ruinieren jedoch die Solarzelle, da dort Kurzschlüsse entstehen.
Nach rund zwei Jahren Forschung hatten die Forscher die erste funktionierende Solarzelle entwickelt. Weitere zwei Jahre später erlaubte die stark verbesserte Materialqualität erstmals einen Wirkungsgrad von 3,5 Prozent. "Damit konnten wir bisherige Ergebnisse anderer Forschergruppen um den Faktor sieben steigern. Dies zeigt, dass flüssig-prozessiertes Silizium ein viel höheres Potenzial hat als bisher angenommen", erklärt Bronger, das auch in der Fachzeitschrift "Advanced Energy Materials" veröffentlichte Ergebnis. Er schätzt, dass der Wirkungsgrad um mindestens weitere 2,5 Prozentpunkte gesteigert werden muss, damit sich der industrielle Einsatz lohnt. Dazu sind weitere Forschungen notwendig.

Originalveröffentlichung:


Solution-based Silicon in Thin-Film Solar Cells
Torsten Bronger et al.
Advanced Energy Materials, Volume 4, Issue 11, first published online: 27. März 2014, DOI: 10.1002/aenm.201301871

Weitere Informationen:


Institut für Energie- und Klimaforschung – Photovoltaik (IEK-5)

Ansprechpartner:


Dr. Torsten Bronger
Institut für Energie- und Klimaforschung – Photovoltaik (IEK-5)
Forschungszentrum Jülich
Telefon: 02461 61-2954
t.bronger@fz-juelich.de

Poster Award EUPVSEC 2014

Das Poster mit dem Titel „Efficiency Enhancement in Tandem Thin-Film Silicon Solar Cells by Industrial Light Management Concepts“ wurde im September 2014 auf der „29. European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EUPVSEC)“ (www.photovoltaic-conference.com) in Amsterdam im Themenbereich „Thin Film Solar Cells“ mit dem Poster-Preis ausgezeichnet. Auf dem Poster und in dem dazugehörigen Artikel werden Ergebnisse, die im Rahmen des EU-Projekts „Fast Track“ (www.fast-track.eu) erzielt wurden, vorgestellt. Dabei wurde die Wirkung von industrierelevanten Maßnahmen zur verbesserten Lichtausnutzung in Tandem-Solarzellen untersucht. Bei diesem Solarzellentyp handelt es sich um einen Stapel zweier Einzelzellen aus amorphem (a-Si:H) und mikrokristallinem (µc-Si:H) Silizium. Als Referenz dienten Tandem-Solarzellen mit einem standardmäßig texturierten Vorderseitenkontakt aus geätztem Zinkoxid (ZnO), für die ein maximaler Wirkungsgrad von 11.7% (unter AM1.5-Beleuchtung) gemessen wurde. Der Vergleich der jeweiligen Solarzellen mit den höchsten Wirkungsgraden erbrachte folgende Resultate:

  1. Antireflex-Beschichtung des Vorderseitenglases aus SiOx-Partikeln in einer Silizium-Matrix mittels APCVD von der Fima CVD Technologies Ltd. (www.cvdtechnologies.com) in Salford (Großbritannien): Wirkungsgraderhöhung auf 12,0%.
  2. Periodische Gitterstruktur an der Vorderseite zwischen Glas und ZnO-Frontkontakt mittels Nanoimprint-Technologie von der Firma OM&T B.V. in Eindhoven (Niederlande): Wirkungsgradsteigerung auf 12,1%.

In beiden Fällen beruht der Wirkungsgradzuwachs der Solarzellen auf einer Erhöhung ihres Kurzschlußstroms Isc. Im Fall 1.) resultiert dieser Anstieg aus einer wellenlängenunabhängigen Reflexionsreduktion im gesamten für diesen Solarzellentyp relevanten Wellenlängenbereich des AM1.5-Solarspektrums (300 nm bis 1100 nm). Im Fall 2.) wird der Isc-Gewinn im Wesentlichen im langwelligen Spektralbereich durch einen verbesserten Lichteinfang aufgrund der periodischen Gitterstruktur an der Vorderseite erzielt.

Poster Award WCPEC-6

Der Posterbeitrag „Influence of substrate morphology on the growth of thin-film microcrystalline silicon studied by in-situ Raman spectroscopy“ wurde auf der diesjährigen „6th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion“ (WCPEC-6, www.wcpec6.com) in Kyoto/ Japan mit einem poster award ausgezeichnet. Thematisch befasste sich die Präsentation mit dem Wachstum von mikrokristallinen Absorberschichten aus Silizium für den Einsatz in Dünnschichtsilizum Solarzellen. Diese wurden auf unterschiedlich texturierten Substraten mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) abgeschieden:


In modernen Solarzellen werden gezielt Substratmaterialien mit periodischen oder zufallsverteilten Strukturen verwendet, um den Lichtweg in den Absorberschichten zu verlängern und die Einkopplung des Lichts zu verbessern. Dadurch können die Solarzellen dünner bzw. materialsparender hergestellt und Reflektionsverluste vermieden werden.


Neben dem Lichtmanagement bestimmt die unterschiedliche Oberflächenstruktur der Substrate das Wachstum der abgeschiedenen Schichten. Bei Mikrokristallinem Silizium hat die Morphologie Einfluss auf das Mischungsverhältnis aus Kristalliten und amorphen Anteilen im Material, wodurch die Strom-Spannungs-Parameter der Solarzelle verändert werden. Am Institut IEK-5 Photovoltaik wurde in den letzten Jahren ein weltweit einzigartiger Aufbau entwickelt, welcher die Untersuchung der Zusammensetzung der Absorberschicht während der Abscheidung ermöglicht. Wird Licht an einem Festkörper gestreut, können in einigen Fällen die Photonen des Lichts mit Schwingungen im Festkörper (Phononen) wechselwirken. Die Wellenlänge des Streulichts ist davon abhängig, ob die Wechselwirkung in kristallinen oder amorphen Domänen im Material stattgefunden hat. Aus den Intensitätsverhältnissen der in ihrer Wellenlänge verschobenen Streulichtanteile können daher Rückschlüsse auf die Phasenverhältnisse im mikrokristallinen Silizium gezogen werden. Technisch wurde die Beleuchtung der wachsenden Schicht und das Detektieren des Raman gestreuten Lichts durch Einbringen geeigneter Optiken in die Elektrode eines PECVD Reaktors realisiert. Das Messverfahren hat sich dabei als derart präzise erwiesen, dass selbst kleine Einflüsse der Substratstruktur auf die Kristallinität der Siliziumschicht in-situ sichtbar gemacht werden können. Durch die erhaltenen Informationen lassen sich die externen Prozessparameter der Gasphasenabscheidung so modulieren, dass auf unterschiedlichen Substratstrukturen in Wachstumsrichtung optimierte Kristallinitätsprofile entstehen. Es wurde gezeigt, dass durch in-situ Raman Spektroskopie das Schichtwachstum an die jeweilige Substratmorphologie angepasst werden kann. Als Resultat kann die Solarzellenperfomance mit großer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit optimiert werden. Außerdem verbessert sich die Vergleichbarkeit des Lichtmanagements mit unterschiedlichen Substratoberflächen deutlich.

Poster Award MRS 2015 San Francisco

(english version below)

Das Poster mit dem Titel „Electronic Transport Studies of Hematite alpha-Fe2O3 Nanoparticles for Photovoltaic Application“ von Jan Mock wurde im April 2015 auf der „Material Research Society (MRS) Spring Meeting & Exhibit 2015“ (www.mrs.org) in San Francisco im Themenbereich „Photoactive Nanoparticles and Nanostructures “ mit dem Poster-Preis ausgezeichnet.


Inhalt der Präsentation ist die elektrische Charakterisierung von Hämatit (alpha-Fe2O3) Nanopartikeln, welche als Absorbermaterial in Solarzellen sowie bei der photo-elektrochemischen Wasserspaltung eingesetzt werden können.


Es wurde beobachtet, dass sich die elektrische Leitfähigkeit von Schichten aus Hämatit Nanopartikeln durch sukzessive Aufheizung von 300 K zu rund 620 K unter Vakuumbedingungen um mehr als sechs Größenordnungen erhöht.


Diese starke Zunahme der Leitfähigkeit ist ein Hinweis für eine Phasenumwandlung von Hämatit zum quasi metallischen Magnetit (Fe3O4).


Für Temperaturen oberhalb von 600 K konnte eine partielle Phasenumwandlung auch mithilfe von Ramanspektroskopie beobachtet werden.


Wir interpretieren die Leitfähigkeitssteigerung als zunehmende Bildung von Transportpfaden, welche die Perkolation durch Magnetit Hüllen um Hämatit Kerne ermöglicht.


Eine Leitfähigkeitssteigerung durch Agglomeration bzw. Verschmelzung der Partikel wurde mithilfe von Rasterelektronenmikroskop Aufnahmen ausgeschlossen.


Diese Ergebnisse deuten eine kontinuierliche Phasenumwandlung von Hämatit in Magnetit für Temperaturen über 400 K an, was rund 600 K unter der theoretisch erwarteten Umwandlungstemperatur liegt.


Es konnte gezeigt werden, dass temperaturabhängige Leitfähigkeitsmessungen eine sehr sensitive Methode darstellen um diese Phasenumwandlung zu beobachten.


Die Charakterisierung von Metalloxiden als Absorbermaterial für Solarzellen ist seit einigen Jahren im Fokus der Forschungsgruppe „Materialcharakterisierung und Nanomaterialien“ unter der Leitung von Prof. Dr. R. Carius.


http://www.mrs.org/spring-2015-poster-winners/

(english)

The Poster with the title “Electronic Transport Studies of Hematite alpha-Fe2O3 Nanoparticles for Photovoltaic Application” by Jan Mock was awarded with the poster award in April 2015 on the “Material Research Society (MRS) Spring Meeting & Exhibit 2015“ (www.mrs.org) in San Francisco for the session “Photoactive Nanoparticles and Nanostructures”.


Content of the presentation is the electrical characterization of hematite (alpha-Fe2O3) nanoparticles, which can be applied as an absorber material in solar cells and for photo electrochemical water splitting.


A significant increase of the electrical conductivity over six orders of magnitude for a layer stack of hematite nanoparticles was observed when annealed with temperatures successively increasing from 300 K up to 620 K under vacuum conditions.


The strongly enhanced conductivity is an indication for a phase transition of the semi-conducting hematite to the quasi metallic magnetite (Fe3O4).


For annealing temperatures above 600 K a partial phase transition was also observed by Raman spectroscopy.


We interpret the enhanced conductivity as increasing generation of transport paths, which enable the percolation by magnetite shells surrounding hematite cores.


An enhancement of the conductivity due to agglomeration or sintering of the particles was excluded by scanning electron microscopy.


The results indicate a continuous material conversion of hematite into magnetite for annealing temperatures as low as 400 K, which is 600 K lower than theoretically predicted.


We demonstrated the high sensitivity of temperature dependent conductivity measurements to identify phase transitions for nanoparticle layers.


The characterization of metal oxides as absorber material for solar cells is one of the focus areas of the research group “Materials Characterization and Nanomaterials” headed by Prof. Dr. R. Carius.


http://www.mrs.org/spring-2015-poster-winners/


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