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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Materialien- und Zellentwicklung

In der Arbeitsgruppe werden Materialien für den Einsatz in Dünnfilmsolarzellen entwickelt und untersucht. Schwerpunkt bilden Legierungen auf der Basis von amorphem und mikrokristallinem Silizium, also a-Si:H und µc-Si:H sowie z. B. a/µc-SiGe:H, a/µc-SiO:H und a/µc-SiC:H, alles sogenannte "ungeordnete Halbleiter".

Ein Forschungschwerpunkt war in letzter Zeit die Entwicklung und Herstellung von mikrokristallinen Siliziumoxidlegierungen (µc-SiOx:H ) als Material mit verschiedenen Funktionen und Einsatzmöglichkeiten in Solarzellen. Das Material ist ein Phasengemisch aus mikrokristallinem Silizium und amorphem Siliziumoxid und vereint in dieser Form hohe optische Transparenz mit - bei dotierten Schichten - hoher elektrische Leitfähigkeit (s. Doktorarbeit Lambertz).

Die Materialien werden mit Verfahren hergestellt, bei denen gasförmige Ausgangsstoffe kontrolliert zersetz bzw. synthetisiert werden und sich dann bei vergleichsweise niedrigen Prozeßtemperaturen von 200°C auf Glas-, Metal- oder Kunststoff- Substraten als dünne Filme abscheiden. Die Herstellungsverfahren wie Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition oder Hot-Wire Chemical Vapour Deposition werden unter Berücksichtigung der gewünschten Materialeigenschaften optimiert und im Hinblick auf möglich technische Anwendung und Aufskalierung untersucht (s. Gruppe Prozesstechnologie).

Eine charakteristische Eigenschaft der so hergestellten Materialien ist ihre strukturelle Unordnung, die sie von kristallinen Halbleitern unterscheidet. Die Unordnung führt zu strukturellen Defekten die ganz wesentlich die optischen und elektronischen Eigenschaften und damit auch ihre Anwendbarkeit in Solarzellen beeinflussen. Wir untersuchen diese Defekte mit Verfahren wie z. B. Elektronenspinresonanz oder Photoleitungsspektroskopie und erforschen Zusammenhänge zwischen den Herstellungsbedingungen einerseits und den elektro-optischen Eigenschaften andererseits.

Schließlich werden die entwickelten Materialien in Solarzellen eingesetzt. Neben den traditionell intensiv erforschten Dünnschichtsolarzellen sind dies heute auch sogenannte Heterostruktursolarzellen als Kombination von kristallinem Silizium mit dünnen Schichten und verschieden Hybridsysteme mit neuartigen Materialien wie Perowskite und organische Halbleiter. Eine weitere Anwendung von aktuell größtem Interesse ist der Einsatz von Stapelsolarzellen in monolithischen Systemen für die photoelktrokatalytische Wasserspaltung.

Als Substrat werden sowohl starre (Glas, Metall) als auch flexible (Metall, Kunststoff) Träger verwendet. Neben Einfachzellen werden insbesondere Stapelsolarzellen entwickelt, die optimal an das Sonnenspektrum angepasst sind und höhere Wirkungsgrade liefern. Die komplexen Schichtenfolgen mit z.T. nur wenigen Nanometer dicken Schichten erfordern eine Optimierung und Kontrolle sämtlicher Einzelprozesse. Vorraussetzung dafür sind die hier vorhandenen Depositionsanlagen, die auf allerhöchstem technischem und wissenschaftlichem Stand am IEK-5 zusammen mit der Industrie entwickelt wurden.

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Anlagen, Experimente und Methodik

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Ansprechpartner:

Dr. Friedhelm Finger
Telefon: +49 2461 61-2614
E-Mail: f.finger@fz-juelich.de


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