Was "hüpfende" Ladungsträger über Solarzellen verraten

Physiker der Universität Jena gewinnen bei der Charakterisierung von Halbleitern neue Erkenntnisse

07.06.2010 - Deutschland

Thüringen hat sich in den vergangenen Jahren zu einem bedeutenden Standort im Bereich der Photovoltaik entwickelt: Mehr als zehn Prozent des weltweiten Photovoltaik-Umsatzes wurden 2007 von Thüringer Herstellern erwirtschaftet. Und auch in der aktuellen weltweiten Wirtschaftskrise verzeichnet die Solarbranche weiter beachtliche Wachstumsraten. Neben den bislang dominierenden Solarmodulen auf Siliziumbasis, sind derzeit vor allem Dünnschicht-Solarmodule auf dem Vormarsch: Sie sind weitaus weniger energieintensiv in der Herstellung und besitzen nur etwa ein Zehntel der Schichtdicke herkömmlicher Module, so dass sie sich deutlich kostengünstiger herstellen lassen.

Doch noch hapert es an der Leistungsfähigkeit dieser Module, weshalb Industrie und Wissenschaft intensiv daran arbeiten, Dünnschicht-Solarzellen effizienter zu machen. „Voraussetzung dafür sind Messmethoden, mit denen sich die Qualität der verwendeten Halbleiter-Kristalle prüfen und beschreiben lässt“, erläutert Prof. Dr. Carsten Ronning von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Eine solche Methode haben der Direktor des Instituts für Festkörperphysik und seine Kollegen jetzt angewendet und bei der Auswertung neue Zusammenhänge entdeckt. Damit lasse sich die Effizienz von Dünnschicht-Solarzellen aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS) langfristig verbessern.

„Diese Solarzellen basieren, wie eine Vielzahl von elektronischen Bauelementen, auf Halbleitern“, erläutert Dr. Udo Reislöhner. „Deren Leitfähigkeit wird durch ihre Dotierung bestimmt, das heißt durch das Auftreten von Kristalldefekten“, so der Festkörperphysiker aus Ronnings Team weiter. Unter „Defekten“ verstehen die Forscher eingebaute Fremdatome und Unregelmäßigkeiten in der Anordnung der Atome im Kristallgitter. „Solche Kristalldefekte werden dafür verantwortlich gemacht, dass die bisherigen CIGS-Solarzellen ihren maximal möglichen Wirkungsgrad noch nicht erreichen.“

Um die Eigenschaften von Defekten in CIGS-Kristallen und den Grad der Dotierung zu bestimmen, messen die Physiker sehr genau die elektrische Kapazität der fertigen Solarzelle und legen dazu eine Wechselspannung an. Dabei machten sie eine überraschende Entdeckung. „Wir haben festgestellt, dass die Beweglichkeit der Ladungsträger in CIGS-Kristallen stärker als erwartet von der Temperatur abhängt“, erläutert Dr. Reislöhner. Je weiter der CIGS-Halbleiter abgekühlt wird, umso unbeweglicher werden die Ladungsträger. „Sie driften dann nicht mehr frei durch den Kristall, sondern vollführen hüpfende Bewegungen von einem Kristalldefekt zum anderen.“

Dieses Hopping-Conduction („Hüpf-Leitfähigkeit“) genannte Phänomen, so das Ergebnis der Jenaer Untersuchungen, ist auch verantwortlich für eine Anzahl von gemessenen Effekten, die in der Literatur bisher mit Defekten in CIGS-Kristallen in Verbindung gebracht wurden. „So kann die Hopping Conduction z. B. ein Signal erzeugen, das dem echter Kristalldefekte sehr ähnlich ist“, sagt Prof. Ronning. Damit, so der Halbleiter-Experte der Uni Jena, seien viele bisherige Aussagen über die Dotierung und damit über die Qualität von CIGS-Kristallen vermutlich falsch interpretiert worden. Erst mit den jetzt gewonnenen Erkenntnissen sei ein grundlegendes Verständnis der elektrischen Eigenschaften dieser Materialien möglich, ist Dr. Reislöhner überzeugt. „Dies wird die Charakterisierung von CIGS-Dünnschicht-Solarzellen deutlich voran bringen und so einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung ihres Wirkungsgrades leisten.“

Originalveröffentlichung: Reislöhner U, Metzner H, Ronning C.; "Hopping Conduction Observed in Thermal Admittance Spectroscopy"; Phys. Rev. Lett. 104, 226403 (2010)

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