Ladungsträger in Solarzellen können tatsächlich tunneln

Die Korngrenzen in bestimmten Dünnschicht-Materialien sind für Ladungsträger kein Hindernis. Vielmehr helfen sie dabei, Verluste beim Ladungstransport zu verringern.

Berlin - Das Prinzip einer Solarzelle ist einfach: Das auftreffende Sonnenlicht setzt Ladungsträger im Inneren des lichtaktiven Materials frei, die Ladungsträger bewegen sich zu den angeschlossenen Kontakten. Allerdings müssen die Ladungsträger auf ihrem Weg mehrere Hindernisse überwinden. Diese aus dem Weg zu räumen ist ein zentrales Anliegen der Photovoltaik-Forschung. Wissenschaftler vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) haben nun ein wichtiges physikalisches Grundproblem gelöst, das beim Konzipieren moderner Dünnschichtsolarzellen auftritt.

Dünnschichtsolarzellen lassen sich aus bestimmten Kupfer-Mineralien, den sogenannten Chalkopyriten, herstellen. Diese sind halbleitend und haben zudem eine sehr hohe Lichtabsorption. Im Gegensatz zu Silizium reichen bereits Materialschichten von nur wenigen Mikrometern Dicke aus, um das gesamte Sonnenlicht einzufangen.

Frühere Beobachtungen hatten gezeigt, dass Chalkopyrite in polykristalliner Form den Strom effektiver leiten als Einkristalle. Das erscheint widersprüchlich, denn Polykristalle haben keine gleichmäßig ideale Gitterstruktur, stattdessen sind die Atompositionen in den einzelnen Kristallen verschoben. Durch den Symmetriebruch entstehen Korngrenzen, an denen die Leitfähigkeit deutlich geringer ist als an anderen Stellen der Struktur.

„Dass in den Chalkopyriten eine solche Barriere existieren muss, hat eine amerikanische Forschergruppe bereits 2003 mithilfe von Computersimulationen vorhergesagt. Wir haben nun im Experiment gezeigt, dass die Barriere tatsächlich existiert“, erläutert Sascha Sadewasser vom HZB. Zusammen mit seinem Kollegen Michael Hafemeister sowie Susanne Siebenritt von der Universität Luxemburg hat er außerdem nachgewiesen, warum Solarzellen aus diesem Material trotzdem funktionieren: Aufgrund ihrer quantenmechanischen Eigenschaften können die Ladungsträger die elektrischen Barrieren an den Korngrenzen durchtunneln.

Dies gelang mit einem experimentellen Trick: Die Wissenschaftler haben einen Chalkopyrit-Kristall (Kupfer-Gallium-Diselenid) im Doppelpack gezüchtet, genauer gesagt: ein Kristallpaar, das zusammen wächst. Sie verwendeten dazu einen aus zwei großen Körnern bestehenden Gallium-Arsenid-Kristall als Unterlage und dampften eine Schicht aus Chalkopyrit auf. Die wachsende Schicht übernimmt dabei die Struktur des Gallium-Arsenid-Kristalls mit der Folge, dass man ein Modellsystem mit einer definierten Korngrenze erhält. Mit verschiedenen Messtechniken untersuchten die Physiker die Grenze und das Verhalten der elektrischen Ladungsträger an dieser Grenze. Unter anderem haben sie zum ersten Mal den elektrischen Widerstand zwischen den Kristalliten gemessen und dabei herausgefunden, dass die Barriere den Stromfluss mit rund einem halben Elektronenvolt gewaltig bremst.

Diese Messung brachte schließlich den entscheidenden Hinweis: "Ohne die Barriere hätte der elektrische Widerstand laut den physikalischen Gegebenheiten geringer sein müssen", sagt Sascha Sadewasser. Das heißt, für die Stromleitung ist die Barriere zwar ein Hindernis, doch zugleich sorgt sie dafür, dass an der Stelle nicht so viele Ladungsträger – negativ geladene Elektronen und positiv geladene Atomrümpfe (Löcher) – rekombinieren können. "In den Chalkopyriten sind natürlicherweise viele positive Ladungsträger vorhanden. Die Barriere sorgt dafür, dass sie sich nicht in der Nähe der Grenze aufhalten. Damit wird verhindert, dass die heranströmenden freien Elektronen, die durch den Lichteinfall erzeugt wurden, weggefangen werden", erläutert Sadewasser. Die Elektronen können so ungestört durch die Barriere tunneln.