CIGS-Solarzelle

Dünnschicht CIGSe-Solarzelle auf Polyimid-Substrat

CIGS (auch CIGSSe oder CIS) steht für Cu(In,Ga)(S,Se)₂ und ist eine Dünnschichttechnologie für Solarzellen und steht als Abkürzung für die verwendeten Elemente Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel und Selen (engl. copper, indium, gallium, sulfur, and selenium). In der Anwendung werden verschiedene Kombinationen dieser Elemente verwendet: Die wichtigsten Beispiele sind Cu(In,Ga)Se₂ (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) oder CuInS₂ (Kupfer-Indium-Disulfid).

Diese Verbindungen stellen I-III-VI-Halbleiter dar (Gruppen des periodischen Systems aus denen die Elemente stammen), die wegen ihres Kristallaufbaus den Chalkopyriten zugeordnet werden. Der Bandabstand für Kupfer-Indium-Diselenid beträgt 1,02 eV. Das teilweise Ersetzen von Indium durch Gallium und von Selen durch Schwefel erlaubt es, den Bandabstand zu vergrößern und für die Anwendung in der Photovoltaik zu optimieren.

Vor- und Nachteile

CIGS-Solarzellen besitzen im Gegensatz zu kristallinen Silizium-Solarzellen einen Absorber mit einer direkten Bandlücke. Die CIGS-Schicht ist rund 3 µm dick,^[1] während Dickschicht-Solarzellen auf Siliziumbasis mindestens ca. 150 µm dick sind. Dadurch ist es möglich, deutlich weniger Halbleitermaterial zu verwenden. Da durch die geringen Schichtdicken die Wegstrecken der Photoladungsträger zwischen Erzeugung und Sammlung kürzer sind, sind die Anforderungen an das Absorbermaterial geringer als bei kristallinen Silizium-Solarzellen. Daher werden Dünnschichtsolarzellen aus polykristallinem Material hergestellt, was den notwendigen Energieaufwand und die Kosten gegenüber der Herstellung von kristallinem Silizium reduziert. Durch die geringen Schichtdicken können bei entsprechender Substratwahl auch leichte und sogar flexible Solarmodule hergestellt werden. Des Weiteren können Module direkt in einer Produktionslinie hergestellt werden - ohne den Umweg über einzelne Solarzellen, die anschließend verschaltet werden.

Der Wirkungsgrad von Modulen liegt im Moment bei 10–12 %. Bei kleinen Laborzellen werden höhere Wirkungsgrade erreicht. Mit 20,1 % (bei 0,5 cm²) wurde im Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) im April 2010 der bisher weltweit höchste Wert für Dünnschicht-Solarzellen erreicht. Zuvor hatte 16 Jahre lang den höchsten Wirkungsgrad das US-Forschungsinstitut NREL erzielt ^[2]. Im Juli 2010 wurde dieser Wert auf 20,3 % gesteigert ^[3]. Durch die geringe Schichtdicke werden die Ressourcen geschont und bei entsprechender Stückzahl soll es zu einer kostengünstigeren Herstellung als bei der Dickschicht-Technik kommen. Die Produktionstechnik erlaubt zudem auch die Herstellung von semitransparenten Modulen. Einschränkungen bei der Massenproduktion von CIGS-Modulen könnte es geben, da der Rohstoff Indium relativ knapp ist und auch in anderen technologischen Produkten auf Halbleiterbasis (z. B. Flachbildschirme) Verwendung findet.^[4] Jedoch werden nur sehr geringe Mengen an Indium für die Solarzellen-Herstellung benötigt, sodass eine Massenproduktion die Indium-Knappheit nicht deutlich verschärfen wird.

Aufbau

Querschnitt einer Cu(In,Ga)Se₂-Solarzelle

Die Grafik zeigt einen schematischen Querschnitt einer Cu(In,Ga)Se₂ Solarzelle mit den entsprechenden Schichtdicken. Auch wenn flexible Substrate Vorteile bieten, wird bisher noch meist Glas als Substrat verwendet. Das Substrat wird mit Molybdän (Mo) beschichtet, das als Rückkontakt dient. Der p-n-Übergang ist ein Heteroübergang, das heißt, die p- und n-dotierte Schicht bestehen aus unterschiedlichen Halbleitern.

Der namensgebende Halbleiter Cu(In,Ga)Se₂ wird auch als Absorber bezeichnet, da hier ein Großteil des eingestrahlten Lichts aufgenommen wird. Er ist durch intrinsische Defekte des Materials leicht p-dotiert. Als n-dotierte Schicht wird Zinkoxid (ZnO) mit Aluminium (Al) stark dotiert. Diese auch Aluminium-Zinkoxid (AZO) genannte Schicht bildet eine transparente leitfähige Oxidschicht. Bedingt durch die recht hohe Bandlücke des Zinkoxids (E_g,ZnO = 3,2 eV) ist diese Schicht für sichtbares Licht durchlässig. Daher wird sie auch als Fenster bezeichnet. Zwischen Fenster und Absorber befinden sich Pufferschichten aus Cadmiumsulfid (CdS) und undotiertem ZnO. Die Forschung beschäftigt sich wegen der Toxizität des Cadmiumsulfids und der Hoffnung auf Stromzugewinne auch mit alternativen Puffermaterialien (In₂S₃, Zn(O,S), (Zn,Mg)O, …). Die asymmetrische Dotierung der Schichten ergibt eine asymmetrische Raumladungszone, die sich tiefer in den Absorber erstreckt als in das ZnO.

Während die Mo- und ZnO-Schichten durch Sputterdeposition hergestellt werden und CdS in einem chemischen Bad abgeschieden (engl. chemical bath deposition, CBD) wird, gibt es verschiedene Varianten, den Absorber herzustellen. Am verbreitetsten sind die gleichzeitige thermische Verdampfung der Elemente bzw. das Abscheiden der Metalle (Cu, In, Ga) durch Elektro-Plating, Sputterdeposition oder andere Verfahren mit anschließender Erhitzung in einer Selen-Atmosphäre.

Markteinführung

Es existieren Fabriken zur Fertigung von Kupfer-Indium-Diselenid-Modulen u. a. bei der Firma Würth Solar in Schwäbisch Hall, bei der Avancis GmbH in Torgau und bei der CIS Solartechnik GmbH in Hamburg. Eine Pilotfertigung von Solarmodulen auf Basis von Kupfer-Indium-Disulfid steht bei der Firma Sulfurcell in Berlin. Aus einer Pilotfertigung von Solarmodulen auf Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Basis in Uppsala/Schweden ist die Firma Solibro als 100-%ige Tochterfirma der Q-Cells AG hervorgegangen. Weitere Firmen in den USA und Japan haben Produktions- oder Pilotlinien.

Flexible CIGS-Solarzellen

Neben der Abscheidung auf Glas-Substraten wird an der Markteinführung von flexiblen CIGS-Solarzellen und -Modulen gearbeitet, u. a. bei der Firma Global Solar in Tucson/Arizona und Berlin. Als Substrate werden neben Metallfolien auch Hochtemperatur-Polymere wie zum Beispiel Polyimid eingesetzt. Auf Polyimidfolie wurden im Labor bereits Wirkungsgrade von 18,7 %^[5] erreicht. Zur Überführung dieser Technologie in die Massenproduktion haben verschiedene Firmen Pilotproduktionsanlagen aufgebaut und erreichen Wirkungsgrade von bis zu 13,4 %^[6].

Einzelnachweise

1. ↑ Johanna Solar Technology GmbH (Hrsg.): Technologie - Bei der Fertigung unserer Dünnschicht-Solarmodule setzen wir auf die CIGSSe-Technologie. (Produktinformationsseite)
2. ↑ zsw-bw.de
3. ↑ zsw-bw.de
4. ↑ Björn A. Andersson: Materials availability for large-scale thin-film photovoltaics. In: Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 8, Nr. 1, 2000, S. 61–76, doi:10.1002/(SICI)1099-159X(200001/02)8:1%3C61::AID-PIP301%3E3.0.CO;2-6.
5. ↑ Flisom/EMPA (Hrsg.): [1]. 19. Mai 2011 (Pressemitteilung).
6. ↑ Solarion AG (Hrsg.): Weltrekord: 13,4 Prozent Wirkungsgrad bei Solarzellen auf Kunststofffolie. (Pressemitteilung vom 7. Oktober 2009)

Siehe auch

• Photodiode
• Halbleiterdetektor