Hochwertige Al-haltige Chalkopyrite for Absorber mit großen Bandlücken und Solarzellen (ALCHESOL)

• Antragstellerin: Professorin Dr. Martina Schmid
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540263214

Der weltweit wachsende Energiebedarf in Verbindung mit dem Ziel der CO2-Neutralität drängt auf den Einsatz erneuerbarer Energiequellen. Unter diesen zeichnet sich die Photovoltaik durch den Reichtum der Energiequelle aus, gepaart mit nahezu unbegrenzten Installationsmöglichkeiten auf Wasser- und Agrarflächen sowie Gebäuden. Die hocheffiziente Umwandlung von Sonnenlicht in Strom ist daher ein zentraler Aspekt zur Unterstützung der Energiewende. Zur besseren Ausnutzung des Sonnenspektrums wird eine Kombination von Solarzellen mit unterschiedlichen Bandlücken eingesetzt. Während Silizium das etablierteste photovoltaische Material mit einer für die untere Zelle geeigneten Bandlücke ist, gibt es für die obere Zelle verschiedene Möglichkeiten. Unter diesen sind Chalkopyrite aufgrund ihrer Stabilität, ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer Toleranz gegenüber Umwelteinflüssen von großem Interesse. Um die Bandlücke des am häufigsten verwendeten Chalkopyrits Cu(In,Ga)Se2 zu vergrößern, kann Indium durch Gallium, Selen durch Schwefel oder Kupfer durch Silber ersetzt werden, was jedoch alles Grenzen und Nachteile hat. Daher werden wir uns auf den Ersatz von Indium durch Aluminium konzentrieren, eine billige und gleichzeitig wirkungsvolle Alternative. Frühe Forschungsarbeiten haben das Potenzial für hohe Wirkungsgrade zusammen mit hoher Transparenz unterhalb der Bandlücke gezeigt, was eine zusätzliche wesentliche Voraussetzung für die Anwendung in halbtransparenten Bauelementen darstellt. Die weitere Entwicklung des vielversprechenden Materials Cu(In,Al)Se2 wird sich zunächst auf die Herstellung hochwertiger Absorber und dann auf deren Integration in photovoltaische Bauteile konzentrieren. In diesem Zusammenhang wird die Ausbildung eines Materialgradienten erforscht, um z.B. ein Rückseitenfeld zu erzeugen das die Ladungsträgertrennung fördert, sowie die Integration von Alkalisalzen zur Verbesserung der Kristallstruktur und der Leerlaufspannung. Darüber hinaus wird die Abstimmung der Bandanpassung am pn-Übergang durch die Wahl alternativer Pufferschichten untersucht. Schließlich soll die Transparenz unterhalb der Bandlücke optimiert werden, auch in Verbindung mit einer möglichen Verringerung der Absorberschichtdicke. Durch das Verständnis der zugrundeliegenden Materialeigenschaften und der Bauelementphysik wird die Entwicklung eines hochwertigen Al-haltigen Chalkopyrits mit einer großen Bandlücke angestrebt, das für verschiedene Anwendungen geeignet ist. Das ultimative Ziel für die Etablierung des Cu(In,Al)Se2-Materials ist eine Sub-Gap-Transparenz von > 80%, und ein Wirkungsgrad bei Integration in das Bauelement der mit der Cu(In,Ga)Se2-Referenz vergleichbar ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen