Paul van Gerven
22 September 2011

Onderzoekers van het Zwitserse Empa hebben uitgedokterd hoe het komt dat Cigs-zonnecellen die bij lage temperatuur zijn gefabriceerd, zoveel slechter presteren dan wanneer de oven op heet stond. De oorzaak is een sub-optimale verdeling van elementen in de dunne film, in het bijzonder van gallium. Met een paar aanpassingen bleek het daarna wel degelijk mogelijk een productieproces te gebruiken bij een temperatuur die laag genoeg is om een plastic substraat te verdragen. De Zwitsers haalden 18,7 procent rendement, een record voor een zonnecel op een flexibel substraat.

Cigs_Empa
Er mag best wat gallium in de middenlaag zitten als je Cigs-cellen bij een lage temperatuur maakt.

De meestgebruikte methode om de elementen koper (Cu), indium (In), gallium (Ga) en seleen (Se) te combineren tot een dunnefilmzonnecel, is een driestaps co-evaporatieproces. Eerst worden In, Ga en Se op het substraat (typisch glas) neergelegd, dan Cu en Se en ten slotte opnieuw In, Ga en Se. Deze volgorde levert een relatief gallium-arme middenlaag op, hetgeen bijzonder belangrijk is voor de prestaties van Cigs-cellen.

Bij lagere temperatuur (minder dan 450 graden Celsius) pakt deze strategie echter niet goed uit: het rendement zakt fors in. Waarom, dat was niet bekend.

Die handschoen pakten de Empa-onderzoekers op. Ze onderzochten hoe parameters als depositiesnelheid en het relatieve aandeel van de drie stappen in de totale filmdikte de galliumgradiënt en het rendement beïnvloeden, gegeven dat de temperatuur laag genoeg moest zijn om polyimide als ondergrond te kunnen gebruiken. En wat blijkt? Juist een proces dat een relatief galliumrijke middenlaag oplevert, presteert het beste. Volgens de Zwitsers resulteren scherpere galliumovergangen in een sterke elektronenbarrière en dus tot meer recombinatieverliezen.

Het resultaat van het onderzoek mag er zijn. Niet alleen werd nog nooit een Cigs-cel gemaakt met een rendement van 18,7 procent, ook evenaart dat getal het rendement van Cigs op glas (18,8 procent bij Empa) en komt het aardig in de buurt van silicium (ruim 20 procent voor de beste commerciële cellen). Temperatuur noch substraat zijn derhalve beperkende factoren in de productie van Cigs-zonnecellen. Een nadeel is wel dat de productie nog altijd een vacuüm vereist.