Durch die Herstellung hochwertiger Dünnschichten mittels Excimer-PLD wurde der Wirkungsgrad von
Solarzellen gesteigert

Herausforderung

Sowohl Solarzellen als auch andere optoelektronische Bauelemente können von der Entwicklung funktionaler Dünnschichtmaterialien profitieren, die mit den für die jeweiligen Bauelemente geeigneten Abscheidungsverfahren kompatibel sind. Bei verschiedenen Arten von Solarzellen besteht eine zentrale Herausforderung darin, transparente, leitfähige Elektroden auf die empfindlichen Schichten des Bauelements aufzubringen, beispielsweise auf die organische Kontaktschicht bei Perowskit-Solarzellen mit Metallhalogenid. Dieses Problem lässt sich in der Regel durch den Einsatz anorganischer Pufferschichten lösen. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Monica Morales-Masis an der Universität Twente hat untersucht, ob sich mit Hilfe der Pulslaserabscheidung (PLD) hochwertige transparente Elektroden für halbtransparente Perowskit-Solarzellen ohne Pufferschicht herstellen lassen. (Neben einer schonenden Abscheidung ist auch die Wafer-PLD eine Anforderung für Solarszellenanwendungen.) Glücklicherweise bietetCoherent 248-nm-KrF-ExcimerlaserCoherent eine ideale Lösung für eine wiederholbare und skalierbare PLD.

Lösung

Das Team führte PLD auf 4-Zoll-Wafern unter Verwendung eines 248-nm-Excimerlasers mit hoher Pulsenergie durch und demonstrierte erfolgreich die wiederholte Abscheidung transparenter leitfähiger Oxidschichten (TCO) auf Perowskit-Solarzellen aus Metallhalogeniden. Morales-Masis erklärte:„PLD ist bereits eine ausgereifte Technologie, die beispielsweise für komplexe piezoelektrische Materialien eingesetzt wird. Wir erforschen derzeit Technologien für Solarzellenmaterialien, bei denen Skalierbarkeit und eine Abscheidungsrate, die mindestens der von der in diesem Bereich häufig verwendeten Sputterabscheidung entspricht, unabdingbare Voraussetzungen sind. COMPex (Energiekonstanz zwischen den Impulsen und Strahlhomogenität) ist entscheidend für die Gleichmäßigkeit der Schichten und eine präzise Kontrolle der Schichtdicke.“

Zur Herstellung der TCO-Schicht setzte das Team um Morales-Masis ein PLD-System von Twente Solid State Technology (TSST) ein, bei dem ein Excimer-Laserstrahl über ein Feststofftarget hin- und herfegt und das Material abträgt, das auf das Substrat (das auf einer runden Plattform montiert ist, die sich während des Abscheidungsprozesses kontinuierlich dreht) aufgebracht werden soll. Dadurch wird eine gleichmäßige Abscheidung der Schicht auf dem Halter mit den vier Solarzellen-Substraten gewährleistet.

Ergebnis

Durch den hohen Abscheidungsdruck und die bei Raumtemperatur mittels PLD hergestellten, mit Zr dotierten In₂O₃-TCO-Schichten erreichen halbtransparente Halogenid-Perowskit-Solarzellen einen Wirkungsgrad von 15,1 %. Dies wurde an einem Stapel ohne Pufferschicht nachgewiesen und bestätigt das Potenzial von PLD als „schonende“ Abscheidungstechnik [1]. Das Team befasst sich derzeit mit der PLD von Metallhalogenid-Perowskiten [2], um einen weiteren Vorteil der PLD zu nutzen: den stöchiometrischen Transfer von Mehrkomponentenmaterialien. Diese Fähigkeit, Metallhalogenid-Perowskit-Schichten lösungsmittelfrei und innerhalb weniger Minuten großflächig zu bilden, ist für die zukünftige Solarzellenproduktion vielversprechend.

[1] Y. Smirnov et al. DOI:https://doi.org/10.1002/admt.202000856
[2] V. Kiyek et al. DOI:https://doi.org/10.1002/admi.202000162

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