Atomare Struktur von Kesteriten

• Antragstellerin: Professorin Dr. Claudia Sarah Schnohr
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278882382

Photovoltaik spielt im Bereich der nachhaltigen Energieversorgung eine zentrale Rolle. CdTe- und Cu(In,Ga)Se2-Dünnschichtsolarzellen erreichen mittlerweile Spitzenwirkungsgrade von über 20%, vergleichbar mit der Siliziumtechnologie. Neben dem reduzierten Materialverbrauch können Dünnschichtsolarzellen zudem auf flexiblen Substraten produziert werden und bieten somit neuartige Anwendungsmöglichkeiten in Architektur und Produktgestaltung. Der großtechnische Einsatz von CdTe und Cu(In,Ga)Se2 gestaltet sich jedoch auf Grund der toxischen Eigenschaften oder Verfügbarkeit der Elemente problematisch. Daher werden große Anstrengungen unternommen, geeignete Alternativen zu finden. Kesterite, wie zum Beispiel Cu2ZnSn(S,Se)4, bestehen aus ungiftigen Elementen mit großer Verfügbarkeit. Der Rekordwirkungsgrad von Kesterit-Dünnschichtsolarzellen ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen und beträgt derzeit 12,6%. Für die Zukunft werden Wirkungsgrade vergleichbar zu denen von CdTe und Cu(In,Ga)Se2 erwartet. Zur Zeit wird die Leistung von Kesterit-Solarzellen jedoch noch durch das Auftreten von Sekundärphasen und strukturellen Modifikationen begrenzt, die durch Diffraktion nur schwierig nachzuweisen sind und die die elektronischen Eigenschaften des Materials nachteilig beeinflussen. Außerdem weicht die lokale Anordnung der Atome in gemischten Halbleitern oft deutlich von der kristallografischen Ordnung ab. Diese strukturelle Inhomogenität auf der Subnanometerskala besitzt ebenfalls einen großen Einfluss auf die Bandlücke des Materials und damit auf die Leistung der Solarzelle. Daher ist es Ziel dieses Projektes, chemische, strukturelle und elektronische Aspekte eines umfangreichen Satzes von Kesteritmaterialien zu untersuchen, um das Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dieser komplexen Halbleiter zu vertiefen und optimale Bedingungen zur Herstellung von hocheffizienten Dünnschichtsolarzellen aufzuzeigen. Es werden vier verschiedene Verbindungen und ihre Mischungen, stöchiometrisch und nicht-stöchiometrisch, als Pulver, Dünnschicht oder Nanopartikel untersucht. Mit Hilfe der Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) wird das Auftreten von Sekundärphasen quantitativ als Funktion der Probenzusammensetzung und der Wachstumsbedingungen bestimmt, wodurch wertvolle Informationen über optimale Herstellungsprozesse gewonnen werden. XAS liefert zudem atomare Strukturparameter, wie die elementspezifischen Bindungslängen, deren Vergleich mit kristallografischen Parametern neue Einblicke in den Zusammenhang zwischen kurz- und langreichweitiger Ordnung erlaubt. Kombiniert mit Valenzkraftfeld-Simulationen und ab initio Rechnungen liefern die lokalen Strukturparameter außerdem einzigartige Erkenntnisse über die Beziehung zwischen strukturellen und elektronischen Eigenschaften. Ein umfassendes Verständnis dieser Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ist unerlässlich, um das volle Potential dieser vielversprechenden Materialien ausschöpfen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professorin Dr. Silvana Botti; Professorin Dr. Susan Schorr