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Hochdruck-Verhalten von Kesterit-basierten Materialien für photovoltaische Anwendungen

Fachliche Zuordnung Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
Förderung Förderung von 2018 bis 2022
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409759379
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die bevorstehende Zunahme der menschlichen Bevölkerung in den kommenden Jahren macht es erforderlich, nach Wegen zu suchen, wie die Grundbedürfnisse mit den begrenzten Kapazitäten der Erde gedeckt werden können. Eines der größten Probleme, das derzeit weltweit untersucht wird, ist die Bereitstellung von ausreichender Energie durch die Nutzung alternativer Quellen, weg von den fast erschöpften und umweltschädlichen fossilen Brennstoffen. Die Nutzung der Sonnenenergie steht dabei an der Spitze. Die derzeitige Photovoltaiktechnologie, die fast ausschließlich auf Silizium basiert, ist jedoch an ihre Grenzen gestoßen und verlangt nach alternativen Materialien mit geeigneten Eigenschaften. Unter den verschiedenen Verbindungen erfüllt der Kesterit (Cu2ZnSnS4) aufgrund seiner optimalen optischen Bandlücke und der in der Erde reichlich vorhandenen, ungiftigen Bestandteile mehrere Kriterien. Trotz laufender weltweiter Bemühungen ist dieses System jedoch aufgrund einer Vielzahl inhärenter Punktdefekte, kationischer Unordnung und sogar sekundärer Phasen, die sich aus den Synthesewegen ergeben, nach wie vor schwierig zu handhaben. Letztere sind nachteilige Faktoren, die den photovoltaischen Wirkungsgrad beeinträchtigen. Um dieses System besser zu verstehen, haben wir mehrere verschiedene Zusammensetzungen dieses quaternären Materials untersucht, darunter sowohl Endglieder mit verschiedenen Kationen als auch ausgewählte Mischkristallreihen. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass selbst bei einer vollständig geordneten Modifikation auch moderate Spannungen/Dehnungen zu einer kationischen Unordnung in diesem Material führen können, was sich direkt auf seine elektronischen/photovoltaischen Eigenschaften auswirkt. Eine weitere Kompression wird schließlich zu einer dichteren und fehlgeordneten Modifikation mit metallischer Leitfähigkeit führen. Diese Entdeckungen sollten bei der Verwendung dieses Materials für Anwendungen berücksichtigt werden, bei denen der Größenunterschied zwischen der dünnen Schicht und dem darunter liegenden Substrat immer zu einer gewissen lokalen Verzerrung führen wird. Ein möglicher Weg zur Überwindung dieses potenziell nachteiligen Effekts könnte entweder in einer geeigneten Konstruktion des Systems Dünnschicht/Substrat bestehen, um Zugspannung/Dehnung zu induzieren (hier unerforscht), oder in einem geeigneten Kationenaustausch (d. h. chemischer Druck), um den Effekt der Druckspannung zu überwinden und gleichzeitig die gewünschten elektronischen Eigenschaften zu erhalten. Die Analyse der Auswirkung von Druck auf die Stannit-artigen und Ag-haltigen Verbindungen könnte mehr Klarheit bezüglich dieser Aspekte bringen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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