Ein besseres Verständnis der Solarzellen-Grenzschichten

Am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hilft ein neues Rasterelektronenmikroskop (REM) den Wissenschaftlern, ihre Erkenntnisse zum Aufbau und zu den Grenzflächen von Dünnschichtsolarzellen zu vertiefen.

Einen Anteil von fast 43% hat die Energie aus regenerativen Quellen am Bruttostromverbrauch 2019. Insgesamt wurden laut ZSW über 244 Mrd. kWh aus Erneuerbaren Energien erzeugt: Windkraftanlagen an Land trugen aufgrund des windreichen Wetters mit fast 104 Mrd. kWh den größten Anteil bei (2018: Mrd. 90,9 kWh). Photovoltaikanlagen lieferten rund 45 Mrd. kWh (2018: Mrd. 44,0 kWh), dicht gefolgt von Biomasse mit ebenfalls fast 45 Mrd. kWh (2018: 44,6 Mrd. kWh). Die höchste Zuwachsrate verzeichnete nach ZSW-Angaben der Wind offshore mit fast 25% auf über 24 Mrd. kWh gegenüber 2018 mit 19,5 Mrd. kWh. Wasserkraftanlagen lieferten 21 Mrd. kWh (2018: 17,9 Mrd. kWh).

Den Anteil der Erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch zu bemessen, ist die gängige Berechnungsgrundlage. Sie geht zurück auf europäische Vorgaben und steht im Einklang mit den Zieldefinitionen der Bundesregierung zum Ausbau der Erneuerbaren Energien. Der Bruttostromverbrauch bildet das gesamte Stromsystem eines Landes ab.

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Eine andere Möglichkeit wäre, informiert das ZSW, den Anteil der Erneuerbaren Energien an der Bruttostromerzeugung zu messen. Sie umfasst die gesamte in Deutschland erzeugte Strommenge, also auch die exportierten Strommengen. Diesbezüglich lag der Anteil der Erneuerbaren im Jahr 2019 bei rund 40%.

Welche der Bemessungsgrundlagen auch angesetzt wird, eines sei klar: Wenn es beim derzeit faktisch gestoppten Zubau von Windkraftanlagen an Land bleibt und es auch bei der Photovoltaik keine nennenswerten Fortschritte gibt, wird der Erneuerbaren-Anteil in Zukunft nicht mehr so stark wachsen, wie es in den vergangenen Jahren der Fall war. Das würde die Transformation des Energiesystems deutlich verlangsamen und das Ziel von 65% Erneuerbarem-Anteil bis 2030 in weite Ferne rücken lassen, notiert das ZSW.

Tiefere Einblicke in Solarzellen mit neuem REM am ZSW

Unbeirrt dessen sucht die angewandte Forschung weiter nach neuen Erkenntnissen und nimmt am ZSW ein neues Rasterelektronenmikroskop (REM) in Betrieb. Damit können die WissenschaftlerInnen Solarzellen besser erforschen. Das im Januar 2020 vollständig in Betrieb genommene Gerät kann Strukturen mit einer Größe von wenigen Nanometern sichtbar machen; das ist eine doppelt so hohe Auflösung wie bisher. Zudem sind nun äußerst präzise geglättete Querschnitte von Schichten durch einen fokussierten Ionenstrahl möglich.

Mit dem Fokus auf die Nanometerebene soll ein besseres Verständnis des Aufbaus und der Grenzflächen von Dünnschichtsolarzellen erreicht werden. Ziel der Forschenden ist es, Defekte genauer zu untersuchen. Für die Qualitätskontrolle in der Solarindustrie ist das von entscheidender Bedeutung ebenso wie für die weitere Effizienzsteigerung von Solarzellen. Effizientere Solarzellen können den CO₂-Fußabdruck der Photovoltaik weiter verkleinern und so ihren Beitrag zum Klimaschutz vergrößern.

Hochauflösende Rasterelektronenmikroskope sind exzellente Analytik-Instrumente bei der Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS) sowie anderer Solarzellen wie Perowskiten. Die Geräte liefern Informationen etwa zu Schichtwachstum und Dicke, Morphologie oder chemischer Zusammensetzung. Die Elektronenstrahl-Abtastung macht beispielsweise unerwünschte Hohlräume und Fremdpartikel sichtbar.

Solarzellstrukturen sind mit den Gerät bis auf zehn Nanometer, also 0,00001 mm, gut sichtbar. „Das eröffnet uns neue Möglichkeiten bei der Untersuchung von Dünnschichtsolarzellen“, konstatiert Dr. Theresa Friedlmeier, Leiterin der Gruppe für Analytik und Simulation im ZSW-Fachgebiet Photovoltaik Materialforschung, „wir sind nun in der Lage, die Form und Größe von Partikeln und Einschlüssen zu analysieren und zusätzlich Mikrobereiche mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie zu untersuchen.“

Mit dem Mikroskop kann etwa die sehr dünne Grenzfläche zwischen CIGS und der darüber liegenden Pufferschicht aus Cadmiumsulfid, die den Solarzellenwirkungsgrad stark beeinflusst, genauer untersucht werden. Bislang war dies nicht in dieser Präzision möglich.

Verbessertes Vorpräparieren mit Ionenfeinstrahlanlage

Die Bearbeitung auf Nanoebene ermöglicht der fokussierte Ionenstrahl. „Damit können wir etwa für CIGS-Solarzellen auf flexiblem Substrat gute Querschnitte ohne eine Beschädigung oder Auftrennung der Einzelschichten präparieren, was bisher sehr schwierig war“, erklärt Friedlmeier, „auf diese Weise können wir unser Verständnis von Solarzellen weiter vertiefen und daraus verbesserte Prozesse mit letztlich höheren Wirkungsgraden und damit auch Kostensenkungen entwickeln.“

Die Neuanschaffung, gefördert durch das Land Baden-Württemberg mit 650.000 €, dient auch zur Vorbereitung der Proben für weitere Untersuchungen. Dazu gehören etwa die Elektronenrückstreubeugung, die Transmissionselektronenmikroskopie, die Atom-Probe-Tomographie und die energiedispersive Röntgenanalyse.

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) gehört zu den führenden Instituten für angewandte Forschung auf den Gebieten Photovoltaik, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen sowie Energiesystemanalyse. An den drei ZSW-Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 260 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Hinzu kommen 90 wissenschaftliche und studentische Hilfskräfte. Das ZSW ist Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg (innBW), einem Zusammenschluss von 13 außeruniversitären, wirtschaftsnahen Forschungsinstituten.

Das folgende Video zeigt, wie das FIB-SEM mit dem fokussierten Ionenstrahl funktioniert:

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