23/07/2018
Door Ad Spijkers
De meest gangbare zonnecellen die momenteel worden gebruikt, zijn van silicium. CIGS‑zonnecellen ‑ uit koper, indium, gallium en seleen - zijn een veelbelovend alternatief met een rendement (omzetting van licht naar elektriciteit) van circa 23%.
In vergelijking met conventionele siliciumzonnecellen verbruikt CIGS minder materiaal en energie bij de productie en is daarmee goedkoper in productie en milieuvriendelijk. Toch worden siliciumzonnecellen nog altijd vaker gebruikt gezien hun hoge betrouwbaarheid. Een team uit onderzoekers, voornamelijk van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf en de Université de Luxembourg in Esch-sur-Alzette onderzochten de invloed van natriumdoping op de groei en betrouwbaarheid van CIGS.
Eerder onderzoek heeft aangetoond dat natrium het rendement van CIGS verhoogt, maar tegelijkertijd de interdiffusie van indium en gallium belemmert, zodat een gecontroleerde groei van de zonnecel moeilijk is. Maar hoe beïnvloedt natrium de cel op een korrelgrens en wat doet het in een korrel zelf?
Geavanceerde technieken
Om de complexiteit van CIGS te verminderen, werkten de onderzoekers met monokristallijne in plaats van polykristallijne films. Ze vergeleken de interdiffusie tussen het gallium-vrije kristal en het gallium-bevattende substraat met en zonder natrium. Ze konden aantonen dat natrium de interdiffusie van indium en gallium in monokristallijne films verhoogt. Hetzelfde geldt voor polykristallijne films, maar het effect vindt hier plaats binnen een korrel en niet tussen korrels, dat wil zeggen niet over korrelgrenzen heen. Dit betekent dat CIGS gedoteerd met natrium een verbeterde indium-gallium interdiffusie heeft en dat een reden is waarom deze films efficiënter zijn.
De onderzoekers deden onder meer metingen via atoomprobe tomografie (APT) om de lokale clustering en overgangen van natrium te onthullen. Deze bevindingen werden bevestigd door analyse me behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Verder werd het effect van natrium op de diffusie van gallium van het substraat door de film gemeten met secundaire ionenmassaspectrometrie, energie-dispersieve röntgenspectroscopie en cross-sectionele nano-Auger-elektronenspectroscopie. De resultaten voegden nieuwe experimentele gegevens toe over de effecten van natriumdoping in CIGS en geven inzicht in de interdiffusie van indium en gallium.
Beheersing
De analyse bracht aan het licht dat natrium de diffusie van indium en gallium diffusie binnen korrels bevordert en tegelijkertijd diffusie over korrelgrenzen heen belemmert. Korrelgrenzen spelen dus een belangrijke rol omdat ze als barrière voor diffusie tussen korrels in conventionele polykristallijne CIGS-films fungeren.
Door korrelgrenzen te beheersen en door een betere beheersing van galliumdiffusie kan het rendement van zonnecellen worden verhoogd. De onderzoekers streven naar het verbeteren en verlagen van de kosten voor toekomstige CIGS-fotovoltaïsche technologieën door een beter begrip van deze fundamentele processen.