Dünnschicht-Solarzellen

Dünnschichtsolarzellen sind eine vielversprechende Technologie im Bereich der Photovoltaik. Zu den am weitesten verbreiteten Halbleiterwerkstoffen zählen amorphes Silizium, Cadmiumtellurid, CIGS (Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel/Selen) und CZTS (Kupfer, Zink, Zinn, Schwefel/Selen). Die Substrate können fest oder flexibel (Abbildung 1), metallisch oder nicht-leitend sein. Zum Auftragen der Halbleitermaterialien auf die Substrate können verschiedene Methoden wie z.B. physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, PVD), chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD), Elektroplattierung (electro-chemical deposition, ECD), Plasma-basierte oder hybride Techniken zum Einsatz kommen. Durch solch eine Vielfalt lassen sich gewünschte Eigenschaften je nach Anwendung maßgeschneidert konstruieren.

Abbildung 1. Flexible Dünnschichtsolarzelle

In Labortests erreichen einige Dünnschichtsolarzellen bereits Wirkungsgrade um die 20 %. Aber für großflächige Anwendungen ist die Herstellung von effektiven Dünnschichtsolarzellen sehr komplex. Abgesehen von der Verbesserung des Wirkungsgrades der Absorptionsschicht bemühen sich Produzenten von Dünnschichtsolarzellen um die Optimierung von Produktionsanlagen, -verfahren und -abläufen.

Die Kontrolle über alle Prozessschritte spielt deshalb eine ausschlaggebende Rolle. Vor allem eine homogene Zusammensetzung und die Reinheit der einzelnen Phasen sind entscheidend und müssen entlang der gesamten Fertigungslinie genauestens überprüft werden.

Die Messung der Zusammensetzung und der Schichtdicke von Dünnschichtsolarzellen gelingt mit den Glimmentladungsspektrometern GDA 650 HR oder GDA 750 HR von Spectruma Analytik sehr präzise, egal, ob die Schicht wenige Nanometer oder einige hundert Mikrometer stark ist. Alle Elemente des Periodensystems einschließlich H, Li, Na, K, C, N, P, S und O lassen sich bestimmen. Die Nachweisgrenzen liegen dabei zwischen 0,1 und 10 ppm. Die relative Tiefenauflösung beträgt 5-10 % der absolut erreichten Tiefe in allen oberflächennahen Schichten.

Abbildung 2. Quantitatives GDOES-Tiefenprofil einer CIGS-Schicht auf einem Glassubstrat

Abbildung 2 zeigt das Tiefenprofil einer CIGS-Probe mit einer Cadmiumsulfidschicht auf einem Stahlsubstrat. Gemessen wurde mit dem GDA 750 HR. Die Dicke der Zinkoxidschicht beträgt 0,42 µm, die CIGS-Schicht ist 1,4 µm dick. Die Cadmiumsulfidschicht zwischen der Zinkoxid- und der CIGS-Schicht ist deutlich zu erkennen. An der Molybdänschicht ist eine Kaliumanreicherung detektiert worden. Außerdem wurden Spuren von Eisen nachgewiesen.

Abbildung 3. Aufnahme einer CIGS-Schicht auf einem Glassubstrat mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM)
(Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin)

Abbildung 3 zeigt eine REM-Aufnahme der gleichen CIGS-Probe wie in Abbildung 2. Die Ergebnisse der GDOES-Messung und der REM-Messung stimmen sehr gut überein. Als Vorbereitung für Messungen mit dem REM müssen Proben geschliffen und poliert werden, was bis zu einer Stunde dauern kann. Für Analysen mit der GDOES bedarf es kaum einer Probenvorbereitung und eine Messung dauert nur wenige Minuten. Proben können aus der Produktion entnommen und direkt analysiert werden.

Messergebnisse werden in graphischer und tabellarischer Form präsentiert. Mit der Software WinGDOES lassen sich in benutzerdefinierten Tabellen verschiedenste Berechnungen durchführen. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für solch eine benutzerdefinierte Tabelle.

Abbildung 4. Beispiel für verschiedene Berechnungen mit der benutzerdefinierten Tabelle

Zum Beisiel können für jedes Element exakte Peakpositionen und die dazugehörigen Konzentrationen berechnet werden. Auch die Berechnung von GGI- und CGI-Werten ist möglich [GGI: Verhältnis der Massenkonzentration von Gallium zur Summe der Massenkonzentrationen von Gallium und Indium, also "Ga/(Ga + In)"; CGI: Verhältnis der Massenkonzentration von Kupfer zur Summe der Massenkonzentrationen von Gallium und Indium, also "Cu/(Ga + In)"].

Zudem lässt sich WinGDOES so einstellen, dass die je nach Aufgabenstellung gewünschten Bedingungen (z.B. GGI/CGI-Werte oder Schichtdicken) automatisch erkannt/berechnet werden. So kann auch ungeschultes Personal problemlos die Glimmentladungsspektrometer bedienen.

Zusammengefasst sind die Glimmentladungsspektrometer von Spectruma Analytik die idealen Messgeräte sowohl für schnelle produktions­begleitende Kontrollen als auch für wissenschaftliche Forschung.

Für weitere Informationen zu den Glimmentladungsspektrometern folgen Sie bitte dem Link.