CZTS — solceller från vanliga grundämnen
I solceller används ofta grundämnen som är relativt ovanliga och därför svåra att få tag på, till exempel indium för CIGS och tellurium för CdTe. Det råder tveksamheter om den långsiktiga tillgången på dessa material och därför potentialen för de motsvarande solcellerna i massproduktion. CZTS är en förkortning för Cu2ZnSn(S,Se)4, ett material som bara består av vanliga och ofarliga grundämnen, och har alltså fördelen med lägre kostnad och långsiktig tillgång på råmaterial. De är också mer miljövänliga eftersom det är lättare att få tag på materialen.
Vi började arbeta med CZTS som alternativt material till CIGS 2010 och är nu runt 10 personer i gruppen. Projektet innefattar utveckling av två vakuumbaserade tekniker; sputtring och värmebehandling av sputtrade filmer, vilka båda används vid tillverkningen av solcellerna och därmed har stor inverkan på solcellens egenskaper. Dessa visas på bilden nedan. I den reaktiva sputterprocessen sker sputtring i Ar/H2S-plasma från metaller eller föreningar som deponeras på substratet. Genom kontroll av substrattemperatur, tryck och effekt kan vi deponera filmer med olika grad av kristallinitet, metallsammansättning och svavelinnehåll. För värmebehandlingen av CZTS kontruerades en specialbyggd ugn i början av projektet. Den är baserad på en kvarts-tub där proverna förflyttas mellan en kall och varm zon med kontrollerad atmosfär. I den process som vi använder idag har vi en grafitlåda med extra tillförsel av svavel för att undvika oönskade reaktioner vid ytan och bakkontakten vid de höga temperaturerna.
Genom stora forskningsanslag från Stiftelsen för Strategisk Forskning (SSF) och Wallenbergstiftelsen har vi nyligen utökat vårt laboratorium med en ny sputter och ugn. Sputtern är en CMS-18 från Lesker. Den har sex källor, vilket ger möjlighet att testa fler materialkombinationer. Ugnen från DSE Tech är specialdesignad med separat styrning av tryck, temperatur och tillförsel av svavel och selen. Detta ger bättre möjligheter att styra den känsliga värmebehandlingen. Vi använder också omfattande materialkarakterisering, tillverkning och opto-elektrisk karakterisering av solceller samt modellering.
Eftersom detta är en ganska ny typ av solceller har de inte utvecklats under så lång tid och verkningsgraden är därför fortfarande lägre än exempelvis CIGS och CdTe. Vår forskning syftar till att öka solcellernas prestanda genom att optimera tillverkningsprocessen och materialen. Bland annat studeras bandgapsvariationer, det vill säga energinivåerna i materialen, och hur detta påverkar solcellens egenskaper.
Kontakt: Charlotte Platzer-Björkman
Vill du läsa mer om forskningen på CZTS-solceller? Här kan du läsa sammanfattningar av några av våra vetenskapliga artiklar på svenska.