Effizienzsteigerung von CIGS-Zellen durch optimalen Einsatz von MoNa Sputtertargets.

Die Abteilung Dünnfilme und Photovoltaik der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa erforschte gemeinsam mit Plansee die optimalen Sputterparameter für hohe CIGS Wirkungsgrade.

Geringe Mengen Natrium im CIGS-Absorber machen eine CIGS Zelle effizienter. Mit Sputtertargets aus Molybdän-Natrium (MoNa) können CIGS Hersteller eine homogene Natriumverteilung und den exakt gewünschten Natriumgehalt erreichen.

Empa erforschte gemeinsam mit Plansee die optimalen Sputterparameter für hohe Wirkungsgrade. Das Resultat: Eine Effizienz von bis zu 15%. Die Ergebnisse wurden in der Ausgabe 124 von Solar Energy Materials & Solar Cells veröffentlicht.

In den Sputterversuchen wurden Targets mit Natriumgehalten von 3, 5 und 10 at. % getestet. Wie erwartet spiegelte sich ein höherer Natrium Anteil im Target in einer höheren Na Konzentration im CIGS Absorber wieder. Eine 300 nm dicke Schicht mit 10 at % Natriumanteil führt zu deutlich mehr Natrium im Absorber als eine Referenzprobe, die auf Kalk-Natron-Glas abgeschieden wurde. Die Forscher setzten deshalb für die weiteren Experimente dieses Targetmaterial ein, da im Vergleich zu Targets mit 5 at.% Natriumanteil eine deutlich dünnere Molybdän-Natrium Schicht für dasselbe Resultat ausreicht.

Noch mehr als das passende Beschichtungsmaterial, beeinflussen die richtigen Sputterparameter die Effizienz der CIGS Zelle. Mit steigendem Ar-Druck in der Sputterkammer nehmen die Porosität der gesputterten Schicht und damit die Anzahl an Korngrenzen zu. Natrium lagert sich bevorzugt an den Korngrenzen an und diffundiert aus der MoNa-Schicht über Korngrenzen in den CIGS-Absorber. Aus einer korngrenzen-reichen Schicht kann somit mehr Natrium entweichen.

Der Forschungsversuch zeigt außerdem: Natrium diffundiert bereits bei niedrigen Temperaturen aus der MoNa-Schicht in den CIGS-Absorber. Damit sind MoNa Targets bestens für Fertigungsprozesse die nur bei relativ niedrigen Temperaturen ablaufen können geeignet, etwa die Herstellung von CIGS-Solarzellen auf Kunststoff-Folie.

Die detaillierten Forschungsergebnisse sind in dem Beitrag „Sodium-doped molybdenum back contact designs for Cu(In,Ga)Se2 solar cells“, Solar Energy Materials & Solar Cells, 2014, Band 124, S. 10-16 des Elsevier Verlags veröffentlicht.