Dr. Nikolaus Weinberger
Dünnschichttechnologie
Unsere Forschungsgruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Photovoltaik Technologien, wobei unser Schwerpunkt auf der Dünnschicht-Technologie (eng. Thin-Film Photovoltaics) liegt. Dünnschichtsolarzellen sind dünner als ein menschliches Haar und etwa 100-mal dünner als herkömmliche (Silizium basierte) Solarzellen. Vorteile sind: geringer Materialverbrauch, geringer Energieverbrauch in der Herstellung, niedriges Gewicht, und Flexibilität. Die Fertigung auf Folie (flexibel) eröffnet eine breitere Anwendungspalette und erleichtert die Integration von Photovoltaik, z.B. in Fahrzeugen, Gebäuden und Flugzeugen. Zudem können für die Herstellung sogenannte Rolle-zu-Rolle Verfahren eingesetzt werden. Unsere Forschungsgruppe führt umfassende Materialanalysen durch, um fundamentale Zusammenhänge zwischen Herstellung und Performance zu beschreiben. Neben der Entwicklung neuer Materialien und Herstellungsprozesse testen wir diese an unserem Photovoltaik Outdoorteststand.
Links: Flexible Dünnschichtsolarzelle, hergestellt im Zuge des Projektes NoFrontiers; Rechts: Elektronenmikroskop Aufnahme des Schichtaufbaus der Solarzelle (im Querschnitt).
Ein Spezialgebiet unserer Forschungsgruppe ist die Untersuchung der unterschiedlichen Schichten mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM). Diese Technologie ermöglicht Aufnahmen mit enormer Vergrößerung (bis zu 1 000 000-fach), wodurch wir die teils nur Nanometer dicke Schichten abbilden können. Mithilfe von REM basierten Methoden wie Kathodolumineszenz (CL), Energiedispersive- Röntgen-Spektroskopie (EDX) und Elektron-Beam-Induced-Current (EBIC) Messungen können wir die Bandübergänge, die elementare Zusammensetzung und die Stromsammlung in der Solarzelle mit einer lateralen Auflösung von weniger als 10 Nanometer untersuchen. Zusammen mit klassischen Analysemethoden lassen sich dadurch fundamentale Zusammenhänge beschreiben. Die Untersuchung von sogenannten Microcells mittels hochvakuumtauglichen Minirobotern ermöglicht es uns den Zusammenhang zwischen morphologischen Defekten und der Device Performance zu erforschen.
Micro-Solarzellen zur Untersuchung der Einflüsse von Inhomogenitäten mittels Minirobotern integriert in einem Elektronenmikroskop.
Querschnitte des Schichtaufbaus einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle: polierter Querschnitt inklusive Substrat (rechts); gebrochener Querschnitt des Schichtaufbaus (links oben); Plasma polierter Querschnitt des Schichtaufbaus (links unten).
Aufnahmen von Kupferselenid Whiskers auf CIGS Absorbern, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop.
Vakuumkammer für Magnetron Sputtering von dotierten substöchiometrischen Metall Oxid Schichten (links), Plasma während TiO2-x Beschichtung.
Im Allgemeinen beschäftigen wir uns mit dem Magnetron Sputtern von dotierten substöchiometrischen Metall-Oxid Schichten (Cu:NiOx, Nb:TiO2-x, Nb:Nb2O5-x, …), aber auch mit rein metallischen und tribologische Schichten. Zusätzlich entwickeln wir neue Absorberschichten für Dünnschichtsolarzellen. Derzeit gibt es in der Photovoltaikforschung eine intensive Dynamik im Bereich der Tandemzellen. Dabei werden zwei Solarzellen mit angepassten Bandlücken kombiniert. Wir entwickeln hierfür eine Loch-selektive Schicht zwischen den Solarzellen auf Basis von Cu:NiO.
Wir beschäftigen uns mit der Prozessentwicklung von Rolle-zu-Rolle Verfahren, wobei der Fokus auf der Homogenität und der Bewältigung von Herausforderungen für ein industrielles Hochskalieren liegt. Die Thin-Film Technologie ermöglicht es, Solarzellen auf Folien abzuscheiden. In diesem Bereich kooperieren wir seit über 10 Jahren mit der Firma Sunplugged. Besonders bei der Herstellung von polykristallinen, mehrkomponentigen Absorberschichten im Rolle-zu-Rolle Verfahren ergeben sich komplexe Zusammenhänge zwischen Maschinenparametern und den resultierenden Schichteigenschaften bzw. der Performance der Solarzellen.
Schematische Darstellung des industriellen Rolle-zu-Rolle Hybrid CIGS Prozesses bei der Firma Sunplugged.