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Phillip Dale erforscht Halbleiter-Materialien und deren Anwendungsmöglichkeiten in der Photovoltaik-Industrie.

2008 kam Phillip Dale als erster Research Fellow überhaupt über das ATTRACT Programm des Fonds National de la Recherche nach Luxembourg. Die Anziehung des Landes war offensichtlich erheblich, denn auch nachdem seine ATTRACT-Förderung ausgelaufen ist, blieb der gebürtige Brite in Luxemburg.

An der hiesigen Universität erforscht der Materialwissenschaftler als Leiter des Laboratory for Energy Materials (LEM) am Fachbereich Physik und Materialwissenschaft, Halbleiter-Materialien und deren Anwendungsmöglichkeiten in der Photovoltaik-Industrie. 2010 etablierte Dale mit Hilfe des INTER Förderprogramms des FNR eine Kooperation mit der US-amerikanischen University of Utah.

Ziel des dabei geförderten Projekts „LASER“ (Laser-annealing-of-semiconductor-electrodeposited-reactants) war die Verbesserung der Qualität und des Herstellungsprozesses von Dünnschicht-Solarzellen. Das Projekt, dessen Förderphase im Oktober 2013 endete, war ein voller Erfolg, so Dale: „Als erster Forschergruppe weltweit ist es uns gelungen, den Synthetisierungsprozess für den entscheidenden Halbleiter auf weniger als eine Sekunde zu verkürzen“, erläutert Dale. „Mit Blick auf die industrielle Fertigung bedeutet Schnelligkeit grundsätzlich eine Kostenersparnis.“

Backen mit dem Impulslaser

Dünnschicht-Solarzellen sind etwa 100 Mal dünner als herkömmliche, Silizium-basierte Solarzellen. Ihre Vorteile bestehen unter anderem darin, dass für ihre Herstellung weniger Halbleiter-Materialien und weniger Energie eingesetzt werden müssen. Für die Synthese des Halbleiters werden die Elemente – meist Kupfer, Indium und Selen – zunächst auf ein Trägermaterial elektrolytisch abgeschieden. Bei hoher Temperatur wird diese Vorläufer-Schicht anschließend in einer mit Selendampf-gesättigten Atmosphäre „gebacken“.

Die Luxemburger Wissenschaftler wollten diesen auch als Annealing bezeichneten Vorgang drastisch abkürzen. Dazu bestrahlten sie den Halbleiter mit einem Impulslaser – eine Technik, die an der Universität Utah etabliert ist und im Rahmen des LASER-Projekts von der Universität Luxemburg genutzt werden konnte. Auf diese Weise erreichten sie eine sehr hohe Temperatur von 800 bis 900 Grad Celsius und damit die extreme Beschleunigung des Reaktionsvorgangs.

Mike Scarpulla in Utah, ein Experte im Bereich der Impulslaser-Bearbeitung von Halbleiter-Materialien, untersuchte derweil mit seinem Team, wie sich mit Hilfe der Laserbestrahlung strukturelle und elektronische Mängel in bereits fertigen Halbleitern beseitigen lassen. „So können wir die Qualität der Halbleiter auf relativ einfache Weise erheblich verbessern“, sagt Dale.

Mehr Druck, bessere Qualität

Zur Zeit ist die Effizienz bei der Umwandlung des Sonnenlichts in Energie mit etwa 1,5 bis 2 Prozent noch zu gering für eine industrielle Produktion. Die Forscher aus Utah und Luxemburg planen deshalb ein Nachfolge-Projekt, in dem sie vorrangig untersuchen wollen, wie sich der Wirkungsgrad optimieren lässt. „Wir wissen genau, was dazu tun ist, wir müssen nur die Versuche machen“, sagt Dale. Eine der Ideen der Wissenschaftler ist es, den Selendampfdruck während des Annealings zu erhöhen. Erste Versuche haben gezeigt, dass durch die Erhöhung des Dampfdrucks die Qualität der Halbleiter linear steigt.

Nicht nur wissenschaftlich habe er durch das Projekt eine Menge gelernt, sagt Dale. Vor allem die Zusammenarbeit mit Forschern aus einer anderen Kultur habe er als besonders bereichernd empfunden: „Die Kollegen in den USA haben eine ganz andere Sicht darauf, wie man Dinge angeht. Das war für mich sehr spannend“, so Dale.

Autor: Hannes Schlender/scienceRELATIONS
Photo: scienceRELATIONS

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