AgOₓ-Benetzungsschicht verbessert Metalloxid-Elektroden für hocheffiziente CIGS-Solarzellen

Zusammenfassung

Oxid/Metall/Oxid (OMO) Schichtstapel ersetzen transparente leitfähige Oxide (TCO) als Frontkontakt von Dünnschichtsolarzellen. Diese Mehrschichtstrukturen reduzieren nicht nur die Gesamtdicke des Kontakts, sondern ermöglichen durch Interferenzeffekte auch die Farbgebung der Zellen. Allerdings müssen Schichtwiderstand und parasitäre Absorption – beides stark von der Metallschicht abhängig – weiter gesenkt werden, um höhere Zellenwirkungsgrade zu erreichen. In dieser Veröffentlichung wurden AgOₓ-Benetzungsschichten (Wetting Layers, WL) auf OMO-Elektroden angewendet, um die Leistung von Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) Dünnschichtsolarzellen zu verbessern. Wir zeigen, dass eine AgOₓ-WL die Transmission und Leitfähigkeit der Mehrschichtelektrode effektiv erhöht. Mit diesem Ansatz steigerten wir die Kurzschlussstromdichte um 18 % von 28,8 auf 33,9 mA/cm² bei einer Metallschichtdicke (Ag) von nur 6 nm. Die Ergebnisse belegen, dass OMO-Elektroden konventionelle TCOs wie aluminiumdotiertes Zinkoxid (AZO) an Dünnschichtsolarzellen effektiv ersetzen können.

Einleitung

OMO-Elektroden können TCOs wie Indium-Zinn-Oxid oder AZO substituieren, die typischerweise als Elektroden in LEDs, Displays, Touchscreens und Photovoltaikmodulen dienen. Vorteile OMO: reduzierte Dicke → kürzere Abscheidezeit, bessere mechanische Flexibilität → günstigere Produktion, robuste Alternative zu TCOs bei äquivalenten oder überlegenen optischen/elektrischen Eigenschaften. Vergleichbare oder bessere Ergebnisse als AZO an amorphen Si-Dünnschichtsolarzellen bereits demonstriert. Niedrige Abscheidetemperatur macht OMO für temperaturempfindliche Geräte (organische PV, Polymersubstrate) geeignet.

Besonders interessant: OMO-Elektroden wirken als optische Kavitäten durch Interferenz an Schichtgrenzen. Dies erlaubt Design mit breitem Transmissionspeak trotz hochreflektierender Metallschicht. Metall mit niedrigem Brechungsindex/hoher Reflektivität erhöht Kavitätsgüte (Finesse) und Transmission im Resonanzbereich. Spektrale Positionen von Transmissions-/Reflexionspeaks werden durch optische Dicke der Oxidschichten bestimmt, elektrische Leitfähigkeit hauptsächlich durch Metallfilm. Optische und elektrische Eigenschaften lassen sich somit unabhängig abstimmen. Dies ermöglicht nicht nur Design nach elektrischen/optischen Anforderungen verschiedener Photovoltaik-Absorber/Zelltechnologien, sondern auch multifunktionale Nutzung (z. B. Farbgebung von PV-Modulen). OMO-Elektroden mit integrierter Farbgebung auf CIGS-Zellen für gebäudeintegrierte PV bereits gezeigt.

Herausforderung: Abscheidung ultradünner Metallschicht (<15 nm) zwischen den Oxidschichten. Typischerweise Silber (Ag) wegen geringstem Widerstand. Ideal: Ag so dünn wie möglich für höchste Transmission bei minimalen Absorptionsverlusten. Theoretische Untergrenze nur durch gewünschte Leitfähigkeit gesetzt. Aber: signifikantes Entbenetzen von Ag → 3D-Volmer-Weber-Inselwachstum unter Perkolationsschwelle (d_pt ≈ 10 nm). Transmission bei diesen Dicken stark begrenzt durch Absorption/Streuung an Oberflächenplasmonenresonanzen der Metallcluster. Inselbildung erhöht Widerstand. Übergang zu geschlossenem, kontinuierlichem Film oberhalb d_pt → reduzierter Widerstand, erhöhter Transmissionspeak, aber Transmission sinkt wieder für d > d_pt. d_pt hängt von Oberflächenfreienenergien ab. Strategien zur d_pt-Reduktion: Legierungen, Gaszugabe während Ag-Abscheidung, Benetzungsschichten (Ge, AgOₓ, Cu). Ge beste Benetzbarkeit, aber starke Absorption → ungeeignet für Optik. AgOₓ vielversprechend: Zhao et al. fanden d_pt 6 nm (mit) vs. 8 nm (ohne) AgOₓ-WL in OMO; vergleichbare Ergebnisse mit vollen AgOₓ-Filmen. Vorteil AgOₓ-WL: einfache Implementierung im OMO-Prozess durch Sauerstoff als Reaktionsgas. AgOₓ-WL besser als volle AgOₓ-Schicht, da höherer Brechungsindex von AgOₓ vs. Ag die optische Kavität schwächen würde (kleinerer Brechungsindexunterschied zu AZO). OMO-Elektroden an CIGS-Zellen bereits genutzt, aber WL-Effekt auf OMO/CIGS noch nicht untersucht. Hier demonstrieren wir Einfluss von AgOₓ-WL auf OMO als transparente Frontlektrode von CIGS-Zellen: Photostrom und Wirkungsgrad signifikant gesteigert vs. konventionelle OMO-Stapel (Abb. 1).

Materialien und Methoden

Referenz-OMO-Elektroden via DC-Magnetronsputtern bei Raumtemperatur wie zuvor beschrieben. Untere/obere AZO-Schichten: 20 nm / 63 nm, Sauerstofffluss 0 / 5 sccm. OWLMO-Elektroden (Oxid/WL/Metall/Oxid, Abb. 1) durch zusätzliche AgOₓ-WL nach erster Oxidschicht: Sputtern von Ag mit 45 sccm Ar + 10 sccm O₂ bei 0,8 Pa, 200 W, RT, 1 Sekunde. Abscheiderate AgOₓ ≈ oder leicht niedriger als reines Ag (reaktives Sputtern). WL-Dicke geschätzt 1 nm; WL + z. B. 6 nm reines Ag = 7 nm Gesamtdicke. Abscheideraten via Veeco Dektak 150 Profilometer: Ag 1,03 ± 0,08 nm/s; AZO 0 sccm O₂: 1,41 ± 0,02 nm/s; AZO 5 sccm O₂: 1,38 ± 0,01 nm/s. CIGS-Zellen: State-of-the-Art, Cd-freie CIGS-Prozesse von AVANCIS (bis 19 % Apertur-Wirkungsgrad auf kleinen Modulen). Für alternativen Frontkontakt: Standard-AZO nicht vollständig entfernt, sondern auf ~200 nm reduziert → optimiertes Interface beibehalten, erhöhte Stabilität/Schutz beim Transport, bessere Reproduzierbarkeit. CIGS-Proben 2,5 × 2,5 cm², neun 0,25 cm² Zellen durch mechanisches Ritzen. Reflexionsspektren: UV-VIS Cary 5000 mit Integrationskugel. Schichtwiderstand: Jandel RM3-AR Vierpunktmessung. Wegen Sprödigkeit CIGS: Median statt Mittelwert (15–20 Messungen pro Sample). Strom-Spannung: WACOM Dual-Lampen-Solarsimulator (STC: AM1.5G, 1000 W/m², 25 °C). Relativer Wirkungsgradfehler 1,13 %. Externe Quantenausbeute (EQE): RR-2100 (LOT Oriel).

Ergebnisse und Diskussion

Elektrische Leistung via Widerstandscharakteristik (Abb. 2). Vor OMO-Abscheidung: 56 ± 3 Ω/□ (partieller Frontkontakt). Erwartungsgemäß sinkt Schichtwiderstand mit steigender Ag-Dicke für OMO und OWLMO, aber OWLMO zeigt insgesamt niedrigeren Widerstand. Vergleich mit konstantem Widerstand (gestrichelte Linien): nur OWLMO folgt erwartetem Trend. OMO-Widerstand steigt bei dünnen Ag-Schichten stärker als erwartet → Ag-Schichten <8 nm nicht vollständig geschlossen (Volmer-Weber-Inselwachstum), während AgOₓ-WL in OWLMO dieses Entbenetzen unterdrückt. OWLMO erreicht fast konstanten Widerstand ~8,2 µΩcm für alle Dicken → hohe Abdeckung der Ag-Schicht schon bei 6 nm (WL+Ag). Schichtwiderstand 13,9 (10,3) Ω/□ bei 6 (8) nm WL+Ag stimmt mit Zhao et al. (12,5 Ω/□ auf PET) überein. Auf CIGS: Kang et al. 104 Ω/□ für bestes OMO mit Cu-Mo-Metallschicht. Weitere Verbesserung möglich (Bulk-Ag: 1,6 µΩcm).

Strom-Spannung-Kennlinien (Abb. 3): Proben mit WL zeigen bis zu 5 mA/cm² höhere Stromdichte vs. Referenz-OMO. OWLMO: Stromdichte sinkt mit steigender Ag-Dicke; OMO: konstant bei 6–8 nm Ag. Kurzschlussstromdichte J_SC über Dicke (Abb. 4): gleicher Trend, keine klare Auswirkung auf Leerlaufspannung oder Füllfaktor. Abnahme von J_SC mit dickerem Ag erwartet (erhöhte Reflexion). Kleine Zellfläche (0,25 cm²) → kein signifikanter Schichtwiderstandseinfluss auf J_SC. EQE und Reflexion (Abb. 5): OWLMO und OMO klar unterscheidbar. WL verbessert Quantenausbeute bis 17 % (400–1200 nm). Leichter Reflexionsrückgang ~2 % bei 710 nm, reicht nicht für EQE-Anstieg. Reflexion und EQE steigen >800 nm mit WL → Transparenz von OWLMO durch reduzierte Absorption in Ag-Schicht verbessert. J_SC aus integrierter EQE stimmt mit JV-Messung überein (Tabelle 1).

Abb. 4 zeigt: J_SC bei OMO ohne WL unbeeinflusst von Ag-Dicke. EQE (Abb. 5): Abnahme im Langwelligen durch Zunahme im Sichtbaren kompensiert. Grund: effektiv verbesserte Ag-Schichtqualität mit zunehmender Dicke (bessere Abdeckung/Reflektivität) erhöht Finesse der optischen Kavität (abgestimmt auf sichtbares Transmissionsmaximum). Gleiches Argument: Reflexion >800 nm steigt mit Ag-Dicke → reduzierte EQE dort. Bei OWLMO: Effekt höherer Reflexion >800 nm und reduzierter Absorption 400–1200 nm noch stärker → günstigere Ag-Morphologie durch WL.

Nicht-strahlende Rekombinationsverluste und parasitäre Absorption (Abb. 6): WL reduziert parasitäre Absorption des Frontkontakts deutlich. Begründung: verbesserte Homogenität/Abdeckung, verringerte Perkolationsdicke und Rauheit der Ag-Schicht → geringere Absorption (konsistent mit Literatur auf anderen Substraten).

Trotz Verbesserung: Wirkungsgrad ~13 % in dieser Studie unter State-of-the-Art CIGS-Modul von Avancis (19 %). Da OMO primär Stromerzeugung beeinflusst, ist J_SC-Vergleich aussagekräftiger: 34 mA/cm² (hier) vs. 36,3 mA/cm² (Literatur) → OMO-Technologie wettbewerbsfähig sogar vor Gesamtzellstapel-Optimierung.

Fazit

AgOₓ-Benetzungsschichten in OMO-Frontkontakten an CIGS-Solarzellen untersucht bezüglich Kurzschlussstromdichte und Gesamtwirkungsgrad. Senkung des Schichtwiderstands von 22,71 auf 13,89 Ω/□ und Steigerung von J_SC von 28,8 auf 33,9 mA/cm² bei 6 nm Ag-Dicke erreicht. Ergebnisse zeigen signifikante Absenkung der Perkolationsschwelle der Ag-Filme durch WL → geringere parasitäre Absorption. Erhöhte Ag-Filmqualität (höhere Transmission und Leitfähigkeit) stimmt mit Literatur überein. WL erfolgreich für OMO-Elektroden an CIGS-Dünnschichtsolarzellen implementiert. Benetzungsschichten sind wertvolle Ergänzung zur Verbesserung von OMO-Kontakten für Solarzellenanwendungen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Datensätze auf Anfrage beim korrespondierenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

OMO:

Oxid/Metall/Oxid

CIGS:

Cu(In,Ga)Se₂

AZO:

Aluminiumdotiertes Zinkoxid

TCO:

Transparentes leitfähiges Oxid

d_pt:

Perkolationsschwelle

WL:

Benetzungsschicht (Wetting Layer)

OWLMO:

Oxid/Benetzungsschicht/Metall/Oxid

EQE:

Externe Quantenausbeute