DE102010017962A1 - Superstrat-Solarzelle mit Nanostrukturen - Google Patents

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Lorenz Aé
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Abstract

Bei einer Superstrat-Solarzelle mit Nanostrukturen, mindestens aufweisend ein Glassubstrat (1), auf dem eine leitende transparente Schicht (2) angeordnet ist, auf der sich die Absorberschicht (4) befindet, die mit einem Metallkontakt (5) versehen ist, sind erfindungsgemäß auf der leitenden transparenten Schicht (2) Metalloxid-Nanostäbe (3) mit in Richtung Metallkontakt (5) sich verjüngendem Querschnitt angeordnet und bedeckt die Absorberschicht (4) die Nanostäbe (5) vollständig in ihrer Höhe. Durch die Metalloxid-Nanostäbe (5) wird die Absorberschicht (4) texturiert, wodurch eine gezielte Veränderung des Reflexionsindex der Absorberschicht (4) über ihre Höhe erreicht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Superstrat-Solarzelle mit Nanostrukturen, mindestens aufweisend ein Glassubstrat, auf dem eine leitende transparente Schicht angeordnet ist, auf der sich die Absorberschicht befindet, die mit einem Metallkontakt versehen ist.
  • In Applied Physics Letters 93, 053113 (208) wird über die Untersuchung von ZnO-Nanostäbchen-Anordnungen mit einer gut definierten Morphologie als Substrat für Solarzellen mit extrem dünner Absorberschicht (eta-Solarzellen) berichtet. Dabei sind die ZnO-Nanostäbchen mit In2S3 als Absorbermaterial bedeckt, auf dem sich dann CuSCN als Löcherleiter befindet.
  • Eine verbesserte Lichteinkopplung in Silizium-Dünnschichtsolarzellen durch texturiertes ZnO wird in FVS Themen 2000, S. 97 ff. beschrieben. Durch die Texturierung wird der optische Lichtweg und die Absorption erhöht, was insbesondere bei einer Superstrat-Solarzelle neben der Transparenz und hohen Leitfähigkeit der TCO-Schicht notwendig ist. Die texturierte Oberfläche der mittels Sputterverfahren hergestellten ZnO-Schichten wird in einem nasschemischen Ätzschritt erzeugt.
  • In den seit 1991 bekannten farbstoffsensitivierten Solarzellen, bei denen ein transparentes, leitfähiges Oxid, dessen Bandlücke zu groß ist, um sichtbares Licht zu absorbieren, durch einen im sichtbaren Wellenlängenbereich absorbierenden Farbstoff sensitiviert wird, werden zur Verbesserung des Ladungstransportes in der Photoelektrode Nanostrukturen verwendet, wie z. B. ZnO-Nanostäbchen und -Fäden sowie TiO2-Nanoröhrchen. In Appl. Phys. Lett. 96, 073115 (2010) wird eine hybride Photoanode beschrieben, bei der ZnO-Nanofäden als direkter Pfad für einen schnellen Elektronentransport dienen und ZnO-Nanoteilchen die Leerräume zwischen den Fäden ausfüllen, wodurch eine größere Oberfläche für eine ausreichende Farbstoff-Adsorption gebildet wird. In The 2nd Joint International Conference an Sustainable Energy and Environment (SEE 2006)" 21–23 November 2006, Bangkok, Thailand, B-024 (O) wird eine farbstoffsensitivierte Solarzelle basierend auf ZnO-Nanostäbchen-Arrays – ohne Nanopartikel – beschrieben. Dabei sind die ZnO-Nanostäbchen mit hexagonalem Querschnitt sehr dicht senkrecht auf ein fluordotiertes SnO2-Substrat aufgewachsen. Mit größer werdender Länge der ZnO-Nanostäbchen vergrößert sich die Oberfläche, mehr Farbstoff wird adsorbiert und der Wirkungsgrad der Solarzelle wird erhöht. Die in International Journal of Photoenergy, Volume 2010, Article ID 497095 beschriebene Anordnung weist keine TCO-Schicht auf, auf der die ZnO-Nanostäbchen aufgewachsen sind. Vielmehr sind diese nun direkt auf einem ZnO-Film abgeschieden. Damit sollen die Nachteile verringert werden, die durch die Bildung der Grenzflächen zwischen Nanostäbchen und TCO-Schicht entstehen.
  • In Nano Lett., Vol. 8, No. 5, 2008, 1501–1505 sind ZnO-Nanostrukturen als effiziente Antireflexionsschichten beschrieben. Die ZnO-Nanostrukturen sind nadelförmig ausgebildet, d. h. sie weisen eine Spitze auf. Durch definierte Parameter beim Wachsen der Nanostäbchen wird ihre Länge und die Form ihrer Spitze beeinflusst, wodurch die Reflexion verringert werden soll. Die ZnO-Nanostäbchen sind beispielsweise auf Silizium aufgebracht, zwischen ihnen befindet sich Luft.
  • Bei der in WO 2009/116018 A2 beschriebenen photovoltaischen Zelle – sowohl in Substrat- als auch in Superstrat-Anordnung – weist eine erste transparente leitende Schicht aus dieser Schicht hervorstehende Strukturen aus dem Material der erstgenannten Schicht auf. Eine Si-Absorberschicht ist darauf strukturkonform abgeschieden.
  • In US 2009/0242029 A1 ist ein photovoltaisches Bauelement in Substratanordnung beschrieben, bei dem die Absorberschicht aus Halbleitermaterial der Gruppe II-VI und/oder die Grenzflächenschicht zwischen Absorber- und Fensterschicht Nanopartikel oder gesinterte Nanopartikel enthält. Die Nanopartikel können verschieden geformt sein, beispielsweise kugelförmig, als Nanofäden oder -stäbchen, und aus unterschiedlichen Materialien, wie z. B. Materialien der Gruppen II-VI oder III-V, bestehen.
  • Auch wenn die Eigenschaften von ZnO-Nanostäben in den letzten Jahren vielfach untersucht worden sind und photovoltaische Anordnungen mit ZnO-Nanostäben vorgeschlagen wurden, ist es Aufgabe der Erfindung, eine weitere Solarzelle in Superstratanordnung mit Nanostrukturen anzugeben, die einen im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten bzw. mindestens vergleichbaren Wirkungsgrad aufweist, aber weniger aufwändig in der Herstellung ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in einer Superstrat-Solarzelle der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass auf der leitenden transparenten Schicht Metalloxid-Nanostäbe mit in Richtung Metallkontakt sich verjüngendem Querschnitt angeordnet sind und die Absorberschicht die Nanostäbe in ihrer Höhe vollständig bedeckt.
  • Durch die Anordnung der Nanostäbe in der Absorberschicht wird diese texturiert, wodurch eine fein einstellbare Änderung des Reflexionsindex der Absorberschicht über ihre Dicke ermöglicht wird. Es entsteht eine so genannte Subwellenlängen-Struktur. Mit dieser Anordnung wird einerseits Absorbermaterial und andererseits die bisher übliche Pufferschicht zwischen der leitenden transparenten Schicht und der Absorberschicht eingespart, die in einer Superstrat-Anordnung die Reflexion zwischen der TCO-Schicht und der Absorberschicht verringern soll.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, die Metalloxid-Nanostäbe aus ZnO oder TiO2 oder MgO auszubilden.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht vor, die leitende transparente Schicht aus einem der folgenden Materialien FTO oder ITO oder AZO zu bilden.
  • In einer anderen Ausführungsform ist die Absorberschicht aus Si oder einem Chalkogenidhalbleitermateial (wie z. B. CdTe, CIGS) oder einem organischen Material gebildet.
  • Je nach Anwendung kann sich der in Richtung Metallkontakt verjüngende Querschnitt der Nanostäbe kontinuierlich oder stufenförmig verändern. Die Nanostäbe weisen eine Länge von einigen Hundert nm bis einige μm, einen Durchmesser von einigen Zehn nm bis einige Hundert nm und einen Abstand zueinander von 50 bis 2.000 nm auf.
  • Weiterhin ist bei der Anordnung von ZnO-Nanostäben vorgesehen, dass sich auf der leitenden transparenten Schicht eine zusätzliche ZnO-Keimschicht für das Aufbringen der ZnO-Nanostäbe befindet, durch die einerseits die Dichte der aufzubringenden ZnO-Nanostäbe und andererseits ihre senkrechte Ausrichtung während des Aufwachsens beeinflusst wird.
  • Die Nanostäbe können mit den dem Stand der Technik nach bekannten Verfahren aufgebracht werden. Beispielhaft seien hierfür folgende Veröffentlichungen erwähnt: Appl. Phys. Lett. 92, 161906 (2008) und WO 2009/103286 A2 betreffend die elektrochemische Deposition sowie Chem. Mater. 2005, 17, 1001–1006, wo weitere Möglichkeiten für das Aufwachsen von Nanostäben genannt sind.
  • Die Erfindung soll in folgendem Ausführungsbeispiel anhand der Figuren näher beschrieben werden.
  • Dabei zeigen
  • 1: eine SEM-Aufnahme einer ZnO-Nanstäbchen-Anordnung auf einer ZnO-Al-Oberfläche im Querschnitt;
  • 2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung ebenfalls im Querschnitt.
  • Die ZnO-Nanostäbchen in der in 1 gezeigten Aufnahme wurden mittels eines Elektrodepositionsverfahrens – wie bereits in der erwähnten WO 2009/103286 A2 beschrieben – erzeugt, wobei die Herstellung von nanostrukturiertem ZnO mit einer hohen inneren Quanteneffizienz (IQE) ohne zusätzlichen Temperschritt erfolgt. Bei diesem Elektrodepositionsverfahren wird eine wässrige Lösung aus einem Zn-Salz, beispielsweise Zn(NO3)2, und einem Dotiermittel, beispielsweise HNO3 oder NH4NO3, verwendet.
  • Eine in 1 gezeigte Anordnung von ZnO-Nanostäben im Querschnitt dient als Basis für die Herstellung der erfindungsgemäßen Superstrat-Solarzellen-Anordnung im Querschnitt, wie sie in 2 gezeigt ist.
  • Dabei ist auf einem Glassubstrat 1 eine leitende transparente Schicht 2, hier ZnO:Al mit einer Dicke von 800 nm, angeordnet. Auf dieser Schicht 2 befinden sich ZnO-Nanostäbe 3 mit einer Länge von 400 nm, die – wie oben beschrieben – erzeugt wurden. Diese ZnO-Nanostäbe 3 weisen einen sich in Richtung Metallkontakt 5 verjüngenden (von 300 nm auf 40 nm) Querschnitt auf. Die ZnO-Nanostäbe 3 sind vollständig mit einer Si-Schicht 4 bedeckt, die eine Dicke von 500 nm aufweist.
  • Der Reflexionsindex der texturierten Si-Absorberschicht 4 ändert sich in dieser Superstrat-Anordnung von etwa 2 an der Grenzfläche ZnO:Al-Schicht 2 und Si-Absorberschicht 4 auf ca. 3,2 an der Grenzfläche Si-Absorberschicht 4 und Metallkontakt 5.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2009/116018 A2 [0006]
    • US 2009/0242029 A1 [0007]
    • WO 2009/103286 A2 [0016, 0021]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Applied Physics Letters 93, 053113 (208) [0002]
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    • Appl. Phys. Lett. 96, 073115 (2010) [0004]
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Claims (8)

  1. Superstrat-Solarzelle mit Nanostrukturen, mindestens aufweisend ein Glassubstrat, auf dem eine leitende transparente Schicht angeordnet ist, auf der sich die Absorberschicht befindet, die mit einem Metallkontakt versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der leitenden transparenten Schicht (2) Metalloxid-Nanostäbe (3) mit in Richtung Metallkontakt (5) sich verjüngendem Querschnitt angeordnet sind und die Absorberschicht (4) die Nanostäbe (5) vollständig in ihrer Höhe bedeckt.
  2. Superstrat-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxid-Nanostäbe (3) aus ZnO oder TiO2 oder MgO gebildet sind.
  3. Superstrat-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende transparente Schicht (2) gebildet ist aus einem der folgenden Materialien FTO oder ITO oder AZO.
  4. Superstrat-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (4) gebildet ist aus Si oder einem Chalkogenidhalbleitermateial oder einem organischen Material.
  5. Superstrat-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in Richtung Metallkontakt (5) verjüngende Querschnitt der Nanostäbe (3) kontinuierlich verändert.
  6. Superstrat-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in Richtung Metallkontakt (5) verjüngende Querschnitt der Nanostäbe (3) stufenförmig verändert.
  7. Superstrat-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostäbe (3) eine Länge von einigen Hundert nm bis einige μm, einen Durchmesser von einigen Zehn nm bis einige Hundert nm und einen Abstand zueinander von 50 bis 2.000 nm aufweisen.
  8. Superstrat-Solarzelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der leitenden transparenten Schicht (2) eine Keimschicht für das Aufbringen der ZnO-Nanostäbe (3) befindet.
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