CIS-Zellen

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)^[1].

Diese Verbindungen ergeben einen I-III-VI-Halbleiter (Gruppen des periodischen Systems aus denen die Elemente stammen). 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

CIGSSe-Solarzellen benötigen kein Silizium. Die Halbleiterschicht ist rund 3 µm dick^[2], während Dickschicht-Solarzellen auf Siliziumbasis mindestens ca. 150 µm dick sind. Dadurch ist es möglich deutlich weniger Material zu verwenden und bei entsprechender Substratwahl leichte Solarmodule herzustellen. Auch werden Dünnschichtsolarzellen aus polykristallinem Material hergestellt, was den notwendigen Energieaufwand gegenüber der Herstellung von kristallinem Silizium reduziert. 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 19,9 % (bei 0,42 cm²) wurde der bisher höchste Wert für Dünnschicht-Solarzellen erreicht ^[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. Aufgrund der Tatsache, dass CIS-Zellen ein vergleichsweise breites Spektrum des Lichts nutzen können, ist die Energieausbeute auch bei ungünstigen Wetterverhältnissen stabil. 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. Die dickste Schicht, ist das namensgebende Cu(In,Ga)Se₂ - dies wird auch als Absorber bezeichnet, da hier ein Großteil des eingestrahlten Lichts absorbiert wird. Sie ist durch intrinsische Defekte des Materials leicht p-dotiert. Als n-dotierte Schicht wird ZnO mit Aluminium (Al) stark dotiert. Dazwischen befinden sich Pufferschichten aus CdS und undotiertem ZnO - die Forschung beschäftigt sich wegen der Toxizität des CdS und der Hoffnung auf Stromzugewinne auch mit Alternativen Puffermaterialien (InS, Zn(O,S), (Zn,Mg)O, …). Die asymmetrische Dotierung der Schichten ergibt eine asymmetrische Raumladungszone, die sich viel weiter in den Absorber erstreckt als in das ZnO. Da das ZnO eine recht hohe Bandlücke hat (E_g,ZnO = 3,2 eV) und somit für sichtbares Licht transparent ist, wird diese Schicht auch als Fenster bezeichnet.

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 oder das Abscheiden der Metalle (Cu, In, Ga) durch Sputterdeposition oder andere Verfahren mit anschließender Erhitzung in einer Selen-Atmosphäre.

Markteinführung

Es existiert eine Fabrik zur Fertigung von Kupfer-Indium-Diselenid-Modulen u. a. bei der Firma Würth Solar in Schwäbisch Hall 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. Es entsteht derzeit eine Pilotfertigung von Solarmodulen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid in Uppsala/Schweden. Diese Hersteller planen, ab 2007 Solarmodule in Massenproduktion herzustellen. Weitere Firmen in den USA und Japan haben Produktions- oder Pilotlinien.

Referenzen

1. ↑ www.sulfurcell.de
2. ↑ Johanna Solar Technology GmbH (Hrsg.): Technologie - Bei der Fertigung unserer Dünnschicht-Solarmodule setzen wir auf die CIGSSe-Technologie. (Produktinformationsseite)
3. ↑ Ingrid Repins, Miguel A. Contreras, Brian Egaas, Clay DeHart, John Scharf, Craig L. Perkins, Bobby To, Rommel Noufi: Short Communication: Accelerated Publication 19.9%-efficient ZnO/CdS/CuInGaSe₂ solar cell with 81.2% fill factor. In: Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 16, Nr. 3, 2008, S. 235-239 (doi:10.1002/pip.822). 
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). 

Siehe auch

• Photovoltaik
• Photodiode
• Halbleiterdetektor