CIGS steht für Kupfer-Indium-Gallium-Selenid, ein Halbleitermaterial, das in der Dünnschichtphotovoltaik verwendet wird. Es ist bekannt für seine hohe Absorptionsfähigkeit und Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. CIGS-Solarzellen bieten eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Silizium-basierten Solarzellen.
Eigenschaften von CIGS
- Materialzusammensetzung:
- Kupfer (Cu): Trägt zur Leitfähigkeit und Absorptionsfähigkeit bei.
- Indium (In): Erhöht die Effizienz durch Verbesserung der Kristallstruktur.
- Gallium (Ga): Ersetzt teilweise Indium und verbessert die Bandlückenanpassung.
- Selen (Se): Notwendig für die Bildung der Chalcopyrit-Struktur, die für die Halbleitereigenschaften entscheidend ist.
- Bandlücke:
- Die Bandlücke von CIGS liegt bei etwa 1,0 bis 1,7 eV, was ideal für die Absorption des sichtbaren Lichtspektrums ist.
- Absorptionsfähigkeit:
- CIGS hat eine hohe Absorptionskoeffizienz, sodass nur eine dünne Schicht von etwa 1-2 Mikrometer erforderlich ist, um das meiste Sonnenlicht zu absorbieren.
Herstellung von CIGS-Solarzellen
- Substratvorbereitung:
- Verwendung von Substraten wie Glas, Edelstahl oder flexiblen Folien.
- Schichtaufbau:
- Molybdän (Mo): Dünne Molybdänschicht als Rückkontakt.
- CIGS-Schicht: Absorptionsschicht aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen.
- Cadmiumsulfid (CdS): Pufferschicht, die zwischen der CIGS-Schicht und dem vorderen Kontakt liegt.
- Zinkoxid (ZnO): Transparent leitende Schicht als vorderer Kontakt.
- Depositionsverfahren:
- Ko-Evaporation: Gleichzeitige Verdampfung der Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen.
- Selenisierung: Reaktion von Kupfer-Indium-Gallium-Schichten mit gasförmigem Selen.
- Sputtering: Abscheidung der Elemente auf das Substrat durch physikalische Dampfabscheidung.
Vorteile von CIGS-Solarzellen
- Hohe Effizienz:
- CIGS-Solarzellen haben Laborwirkungsgrade von über 20% erreicht und kommerzielle Module erreichen typischerweise Effizienzen von 12-16%.
- Flexibilität:
- CIGS kann auf flexiblen Substraten wie Kunststoff oder Metallfolie hergestellt werden, was neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.
- Geringe Materialkosten:
- Die Dünnschichttechnologie benötigt weniger Halbleitermaterial als traditionelle Silizium-Solarzellen.
- Ästhetik:
- CIGS-Module können in verschiedenen Farben und Designs hergestellt werden, was sie für die Gebäudeintegration attraktiv macht.
Herausforderungen und Lösungen
- Herstellungskomplexität:
- Die Herstellung von CIGS-Solarzellen erfordert präzise Kontrolle der Materialzusammensetzung und -struktur.
- Lösung: Fortschritte in der Fertigungstechnologie und Prozessoptimierung.
- Rohstoffverfügbarkeit:
- Elemente wie Indium und Gallium sind relativ selten und teuer.
- Lösung: Entwicklung alternativer Materialkombinationen und Recyclingstrategien.
- Langzeitstabilität:
- CIGS-Solarzellen können empfindlich auf Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit reagieren.
- Lösung: Verbesserte Verkapselungstechniken und Schutzschichten.
Anwendungen von CIGS-Solarzellen
- Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV):
- Integration von CIGS-Modulen in Fassaden, Dächer und Fenster.
- Tragbare Geräte:
- Verwendung in tragbaren Solarladegeräten und anderen mobilen Anwendungen aufgrund der Flexibilität.
- Solarkraftwerke:
- Einsatz in großen Photovoltaikanlagen zur Energieerzeugung.
Fazit
CIGS-Solarzellen bieten eine vielversprechende Alternative zu traditionellen Silizium-basierten Solarzellen, insbesondere aufgrund ihrer hohen Effizienz und Flexibilität. Trotz der Herausforderungen in der Herstellung und Materialverfügbarkeit gibt es bedeutende Fortschritte, die CIGS zu einer attraktiven Option für verschiedene Anwendungen machen. Mit weiteren technologischen Entwicklungen könnte CIGS eine wichtige Rolle in der zukünftigen Solarenergieerzeugung spielen.
