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Tiefere Einblicke in das Innenleben von Solarzellen

Das neue Rasterelektronenmikroskop

ZSW nimmt neues Rasterelektronenmikroskop in Betrieb

Mit einem neuen Rasterelektronenmikroskop können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Solarzellen künftig besser erforschen. Das im Januar 2020 vollständig in Betrieb genommene Gerät kann Strukturen mit einer Größe von wenigen Nanometern sichtbar machen – eine doppelt so hohe Auflösung wie bisher. Zudem sind nun äußerst präzise geglättete Querschnitte von Schichten dank eines zugehörigen fokussierten Ionenstrahls möglich. Mit dem Fokus auf die Nanometerebene soll ein besseres Verständnis des Aufbaus und der Grenzflächen von Dünnschichtsolarzellen erreicht werden. Ziel der Forschenden ist es, Defekte genauer zu untersuchen. Für die Qualitätskontrolle in der Solarindustrie ist das von entscheidender Bedeutung ebenso wie für die weitere Effizienzsteigerung von Solarzellen. Effizientere Solarzellen können den ohnehin schon sehr geringen CO2-Fußabdruck der Photovoltaik weiter verkleinern und so ihren Beitrag zum Klimaschutz vergrößern.

Ein Video zeigt, wie das neue Rasterelektronenmikroskop mit dem fokussierten Ionenstrahl, abgekürzt FIB-SEM (FIB für Focussed Ion Beam und SEM für Scanning Electron Microscope), funktioniert: www.zsw-bw.de/mediathek/filme.html

Hochauflösende Rasterelektronenmikroskope sind exzellente Analytikinstrumente bei der Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS) sowie anderer Solarzellen wie Perowskiten. Die Geräte liefern Informationen etwa zu Schichtwachstum und Dicke, Morphologie oder chemischer Zusammensetzung. Sie nutzen einen Elektronenstrahl, um kleinste Oberflächenstrukturen abzutasten und dreidimensional abzubilden. So können beispielsweise unerwünschte Hohlräume und Fremdpartikel identifiziert werden.

Blick in die Nanoebene ermöglicht differenziertere Erkenntnisse

Das neue FIB-SEM am ZSW kann Bildpunkte kleiner als ein Nanometer erkennen. Solarzellstrukturen sind damit bis auf zehn Nanometer, also 0,00001 Millimeter, gut sichtbar. „Das Gerät eröffnet uns neue Möglichkeiten bei der Untersuchung von Dünnschichtsolarzellen“, erklärt Dr. Theresa Friedlmeier, Leiterin der Gruppe für Analytik und Simulation im ZSW-Fachgebiet Photovoltaik: Materialforschung. „Wir können nun die Form und Größe von Partikeln und Einschlüssen analysieren und zusätzlich Mikrobereiche mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) untersuchen.“

Mit dem neuen Gerät kann etwa die sehr dünne Grenzfläche zwischen CIGS und der darüber liegenden Pufferschicht aus Cadmiumsulfid, die den Solarzellenwirkungsgrad stark beeinflusst, genauer untersucht werden. Bislang war dies nicht in dieser Präzision möglich.

Verbessertes Vorpräparieren mit Ionenfeinstrahlanlage

Mit dem neuen Rasterelektronenmikroskop ist jetzt auch die Bearbeitung auf der Nanoebene gesichert. Möglich macht dies der fokussierte Ionenstrahl. „Damit können wir etwa für CIGS-Solarzellen auf flexiblem Substrat gute Querschnitte ohne eine Beschädigung oder Auftrennung der Einzelschichten präparieren, was bisher sehr schwierig war“, freut sich Friedlmeier. „So können wir unser Verständnis von Solarzellen weiter vertiefen und daraus verbesserte Prozesse mit letztlich höheren Wirkungsgraden und damit auch Kostensenkungen entwickeln.“ Das Land Baden-Württemberg hat die Neuanschaffung mit 650.000 Euro gefördert.

Die neuen Geräte dienen auch zur Vorbereitung der Proben für weitere Untersuchungen. Dazu gehören etwa die Elektronenrückstreubeugung, die Transmissionselektronenmikroskopie, die Atom-Probe-Tomographie und die energiedispersive Röntgenanalyse.

Über das ZSW
Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) gehört zu den führenden Instituten für angewandte Forschung auf den Gebieten Photovoltaik, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen sowie Energiesystemanalyse. An den drei ZSW-Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 260 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Hinzu kommen 90 wissenschaftliche und studentische Hilfskräfte. Das ZSW ist Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg (innBW), einem Zusammenschluss von 13 außeruniversitären, wirtschaftsnahen Forschungsinstituten.

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