Harald Köstenbauer im PLANSEE Beschichtungslabor
Gegen alle Widerstände: Neue Erkenntnisse zur elektrischen Leitfähigkeit von Molybdänschichten
Erstellt von PLANSEE Hochleistungswerkstoffe. am 13.06.2012
Die Leitfähigkeit des Molybdän-Rückkontakts beeinflusst den Wirkungsgrad der gesamten CIGS-Solarzelle. Gemeinsam mit der TU Bergakademie Freiberg hat PLANSEE diese Materialeigenschaft genau unter die Lupe genommen und erste Ergebnisse bei der ICMCTF-Konferenz präsentiert.
In den letzten Monaten untersuchten Forscher von PLANSEE und der TU Bergakademie Freiberg Defekte in Molybdänschichten und ihre Wirkung auf die elektrische Leitfähigkeit. Bei der ICMCTF-Konferenz in Kalifornien verriet Dr. Harald Köstenbauer, Entwickler von Dünnschichtmaterialien bei PLANSEE, was Molybdänschichten vom Leiten abhält. Die größten Störenfriede: Verunreinigungen und die falsche Prozesstemperatur beim Sputtern.
Den größten Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit von Molybdän-Schichten in CIGS-Zellen haben substitutionelle Verunreinigungen wie Eisen, Nickel oder Chrom. Bei stärkerer Verunreinigung können eingelagerte Atome dieser Metalle die elektrische Leitfähigkeit der Molybdänschicht um über 40 % verringern. Die gute Nachricht: Mit besonders reinen Sputtertargets können CIGS-Hersteller diesen Effekt ganz einfach vermeiden.
Den zweitgrößten Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit von Molybdänschichten haben sogenannte Versetzungen. Das sind Fehler im Kristallgitter. Sie machen Metalle erst verformbar. Leider verursachen sie gleichzeitig Verzerrungen im Molybdän-Gitter, die die elektrische Leitfähigkeit um bis zu 14 % reduzieren. Auch hier die gute Nachricht aus den Testergebnissen: Mit einer Prozesstemperatur von 150 °C statt Raumtemperatur können CIGS-Hersteller den Effekt einfach halbieren.
Den drittgrößten Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit von Molybdänschichten haben Einlagerungen von kleinen Fremdatomen im Molybdän-Gitter. Diese interstitiellen Verunreinigungen aus Stickstoff, Sauerstoff und Argon reduzieren die elektrische Leitfähigkeit der Molybdänschicht um bis zu 12 %. Dass geringe Mengen dieser Atome im Beschichtungsprozess vorhanden sind, lässt sich nicht verhindern. Doch wie sieht es mit ihrer Einlagerung im Molybdängitter aus? Wieder spielt die Prozesstemperatur bei der Einlagerung dieser Atome die Hauptrolle. Und wieder sind es exakt 150 °C. Bei dieser Temperatur haben die kleinen beweglichen Atome bereits genügend Energie, um aus dem Molybdän-Gitter zu entweichen. Bei 150 °C sind beinahe keine Zwischengitteratome in der Molybdänschicht zu finden.
Das Testverfahren.
PLANSEE erzeugte die zu testenden Schichten mit den PVD-Verfahren DC-, gepulstes DC- und Hochfrequenzsputtern auf Kalk-Natron-Glas, übernahm die Grundcharakterisierung der Schicht und die Messung des elektrischen Widerstands. Die Gruppe um Prof. Dr. David Rafaja vom Institut für Werkstoffwissenschaft an der TU Bergakademie Freiberg führte die Untersuchungen an der Mikrostruktur der Molybdänschichten durch. Dabei kamen hochauflösende Verfahren wie Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) und Röntgenbeugung (GAXRD) zum Einsatz. Anhand der Messergebnisse erstellte Prof. Rafaja ein mathematisches Modell, mit dessen Hilfe der Effekt der einzelnenEinflussgrößen auf die Leitfähigkeit vom Molybdänschichten quantitativ berechnet werden kann.
Sie wollen mehr wissen? Ab Herbst sind die Forschungsergebnisse unter dem Titel „Effect of the deposition process and substrate temperature on the microstructure defects and electrical conductivity of molybdenum thin films“ in einem Sonderband der Zeitschrift „Thin Solid Films“ erhältlich. Die Zusammenarbeit mit der TU Bergakademie Freiberg ist eines von mehreren Forschungsprojekten, in denen PLANSEE sich für noch leistungsstärkere Dünnschichten engagiert. Als Experte für metallische und keramische Beschichtungsmaterialien arbeitet PLANSEE mit Anlagenherstellern und Forschungseinrichtungen eng zusammen. Sei es Korrosionsbeständigkeit oder elektronische Leitfähigkeit: Immer wieder entstehen aus der gemeinsamen Arbeit Materialien und Schichten mit verbesserten Eigenschaften. Für Rückkontakte in Dünnschichtsolarzellen liefert PLANSEE hochreine Sputtertargets aus Molybdän, Wolfram, MoNa und MoTa. Für CIGS Absorberschichten stellt PLANSEE CuIn und CuInGa-Targets her.
Den größten Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit von Molybdän-Schichten in CIGS-Zellen haben substitutionelle Verunreinigungen wie Eisen, Nickel oder Chrom. Bei stärkerer Verunreinigung können eingelagerte Atome dieser Metalle die elektrische Leitfähigkeit der Molybdänschicht um über 40 % verringern. Die gute Nachricht: Mit besonders reinen Sputtertargets können CIGS-Hersteller diesen Effekt ganz einfach vermeiden.
Den zweitgrößten Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit von Molybdänschichten haben sogenannte Versetzungen. Das sind Fehler im Kristallgitter. Sie machen Metalle erst verformbar. Leider verursachen sie gleichzeitig Verzerrungen im Molybdän-Gitter, die die elektrische Leitfähigkeit um bis zu 14 % reduzieren. Auch hier die gute Nachricht aus den Testergebnissen: Mit einer Prozesstemperatur von 150 °C statt Raumtemperatur können CIGS-Hersteller den Effekt einfach halbieren.
Den drittgrößten Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit von Molybdänschichten haben Einlagerungen von kleinen Fremdatomen im Molybdän-Gitter. Diese interstitiellen Verunreinigungen aus Stickstoff, Sauerstoff und Argon reduzieren die elektrische Leitfähigkeit der Molybdänschicht um bis zu 12 %. Dass geringe Mengen dieser Atome im Beschichtungsprozess vorhanden sind, lässt sich nicht verhindern. Doch wie sieht es mit ihrer Einlagerung im Molybdängitter aus? Wieder spielt die Prozesstemperatur bei der Einlagerung dieser Atome die Hauptrolle. Und wieder sind es exakt 150 °C. Bei dieser Temperatur haben die kleinen beweglichen Atome bereits genügend Energie, um aus dem Molybdän-Gitter zu entweichen. Bei 150 °C sind beinahe keine Zwischengitteratome in der Molybdänschicht zu finden.
Das Testverfahren.
PLANSEE erzeugte die zu testenden Schichten mit den PVD-Verfahren DC-, gepulstes DC- und Hochfrequenzsputtern auf Kalk-Natron-Glas, übernahm die Grundcharakterisierung der Schicht und die Messung des elektrischen Widerstands. Die Gruppe um Prof. Dr. David Rafaja vom Institut für Werkstoffwissenschaft an der TU Bergakademie Freiberg führte die Untersuchungen an der Mikrostruktur der Molybdänschichten durch. Dabei kamen hochauflösende Verfahren wie Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) und Röntgenbeugung (GAXRD) zum Einsatz. Anhand der Messergebnisse erstellte Prof. Rafaja ein mathematisches Modell, mit dessen Hilfe der Effekt der einzelnenEinflussgrößen auf die Leitfähigkeit vom Molybdänschichten quantitativ berechnet werden kann.
Sie wollen mehr wissen? Ab Herbst sind die Forschungsergebnisse unter dem Titel „Effect of the deposition process and substrate temperature on the microstructure defects and electrical conductivity of molybdenum thin films“ in einem Sonderband der Zeitschrift „Thin Solid Films“ erhältlich. Die Zusammenarbeit mit der TU Bergakademie Freiberg ist eines von mehreren Forschungsprojekten, in denen PLANSEE sich für noch leistungsstärkere Dünnschichten engagiert. Als Experte für metallische und keramische Beschichtungsmaterialien arbeitet PLANSEE mit Anlagenherstellern und Forschungseinrichtungen eng zusammen. Sei es Korrosionsbeständigkeit oder elektronische Leitfähigkeit: Immer wieder entstehen aus der gemeinsamen Arbeit Materialien und Schichten mit verbesserten Eigenschaften. Für Rückkontakte in Dünnschichtsolarzellen liefert PLANSEE hochreine Sputtertargets aus Molybdän, Wolfram, MoNa und MoTa. Für CIGS Absorberschichten stellt PLANSEE CuIn und CuInGa-Targets her.
Weitere Informationen und Angaben finden Sie unter http://www.prseiten.de/pressefach/plansee/news/315 sowie http://www.plansee.com.
Über PLANSEE SE:
PLANSEE gehört zu den weltweit führenden Konzernen in der Pulvermetallurgie. Das österreichische Privatunternehmen, das 1921 gegründet wurde, ist Experte für die hochschmelzenden Metalle Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob und Chrom. Wo herkömmliche Materialen versagen, kommt PLANSEE mit seinen Werkstoffen, deren Legierungen und Verbundwerkstoffen ins Spiel. PLANSEE deckt den gesamten Produktionsprozess, vom Pulver übers Halbzeug bis hin zum fertigen Endprodukt, ab.
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6600 Reutte
Österreich
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