Langzeitstabilität von Cu(In,Ga)Se2-Dünnschichtsolarzellen (PDF)

Für die Energiewende Deutschlands kommt den regenerativen Energien eine Schlüsselrolle zu. Die Photovoltaik besitzt hierbei das größte Potential für weitere signifikante Zuwächse. Ein großer Marktanteil in der Photovoltaik entfällt auf die Siliziumtechnologie. Als Alternative bietet sich die Dünnschichttechnologie aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) an, deren Wirkungsgrad den von multikristallinem Silizium im Labor bereits übertrifft. Neben dem Wirkungsgrad ist die Stabilität über der Lebensdauer von Solarmodulen ein wichtiger Parameter. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Langzeitstabilität von CIGS-Solarzellen. Der zugrundeliegende Degradationsmechanismus soll bestimmt und bewertet werden. Basis der Untersuchungen sind beschleunigte Alterungstest. Zellen werden unter definierten Bedingungen in Klimakammern bei erhöhten Temperaturen gelagert. Die Zellen wurden im Ausgangszustand und nach definierten Zeitintervallen elektrisch und optisch charakterisiert. Parameterdriften über der Zeit können durch diese Methode ermittelt werden. Mit Hilfe der Parameterdriften und Kennlinienveränderungen wird der zugrundeliegende Degradationsmechanismus bestimmt und ein Modell zur Erklärung der beobachteten Parameterdriften eingeführt. Dies wird mit Hilfe von Berechnungen und numerischen Simulationen validiert. Final wird die Langzeitstabilität bewertet. Als Basis dienen Dauertest bei verschiedenen Temperaturen. Die Spannung während des Dauertests entsprach Feldbedingungen. Eine elementare Erkenntnis der beschleunigten Alterungstest war, dass das Verhalten bei tiefen Temperaturen im Ausgangszustand nach Dauertests bei Raumtemperatur auf tritt. Hauptsächlich sind dies für die I-U-Kennlinie die Abhängigkeit der Leerlaufspannung von der Bestrahlungsstärke und eine Nichteinhaltung des Superpositionsprinzips für variierende Bestrahlungsstärken. Dies Verhalten konnte zum ersten Mal bei Raumtemperatur beobachtet werden. Auf Grundlage der Parameterdriften und Kennlinienveränderungen wurde eine Barriere am Rückkontakt als ursächlicher Degradationsmechanismus ermittelt. Auf dieser Erkenntnis basierend wurde ein Modell zur Beschreibung des Zellverhaltens über den gesamten Temperaturbereich entwickelt und eingeführt. Hauptbestandteil des „Phototransistormodells“ ist eine Barriere am Rückkontakt. Das Modell wurde im Zuge der Arbeit mathematisch beschrieben. Damit konnte eine neue Methode zur Bestimmung der Barriere am Rückkontakt mit Hilfe der Leerlaufspannung über Temperatur Charakteristik entwickelt werden. Als Ursache für die beobachteten Veränderungen der Zellcharakteristika wurde eine Erhöhung der Barriere am Rückkontakt identifiziert. Das mathematische Modell wurde mit Matlab berechnet und das Phototransistormodell mit einem Programm nummerisch simuliert. Es ergab sich für beide Methoden eine sehr gute Übereinstimmung mit den gemessenen Zellcharakteristika. Durch Messungen und Simulationen konnte ein direkter Zusammenhang zwischen der N1-Stufe in der Admittanzspektroskopie und der Barriere am Rückkontakt hergestellt werden. Das beobachtete Verhalten von Zellen bei einem Dauertest unter negativer Spannung konnte mit dem Punch-Through Effekt erklärt werden. Die Dauertests ergaben keine erhebliche Verschlechterung der Lebensdauer, die Langzeitstabilität ist dem zu Folge nicht als kritisch zu bewerten.