1. Cadmiumtellurid-Dünnschicht-Solarzellen
CdTe ist ein Verbindungshalbleiter mit einer Bandlücke (Eg) von 1,45 eV. CdTe hat sich aufgrund seiner hohen Lichtabsorptionsfähigkeit und der großflächigen Abscheidung von CdTe-Filmen zu einem neuen Dünnschicht-Solarzellenmaterial mit guten Anwendungsaussichten entwickelt. Aufgrund des Selbstkompensationseffekts von CdTe ist es jedoch schwierig, eine Homojunktion mit hoher Leitfähigkeit herzustellen, weshalb die tatsächlichen Solarzellen meist Heterojunktions-Dünnschichtzellen sind. CdS und CdTe unterscheiden sich kaum in den Gitterkonstanten und sind üblicherweise die besten Fensterwerkstoffe, die in CdTe-Dünnschicht-Solarzellen verwendet werden. Die Herstellungsverfahren für CdTe-Dünnschichten umfassen hauptsächlich Flüssigphasenepitaxie (LPE), Nahraum-Sublimation, Dampftransportabscheidung, Sputtern, elektrochemische Abscheidung und Sprüh-Thermolyse.
Die hohe Effizienz von CdTe-Dünnschicht- Solarzellen verschafft ihnen einen gewissen Marktanteil im Photovoltaikmarkt, und CdTe-Dünnschicht-Solarzellen können flexibel und transparent hergestellt werden, was ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Automobil- und Bauindustrie erhöht. Allerdings sind sowohl Cd als auch Te giftige Elemente, was die Verbreitung und Anwendung von CdTe-Dünnschicht-Solarzellen bis zu einem gewissen Grad einschränkt. Daher sollte sich die zukünftige Forschung darauf konzentrieren, den Gehalt an giftigen Elementen zu reduzieren und gleichzeitig die Effizienz zu verbessern oder die Stabilität der Zelle selbst zu erhöhen und das Risiko eines Austretens giftiger Elemente zu verringern.
2. GaAs-Dünnschicht-Solarzellen
GaAs ist ein direkter Bandlücken-Halbleiter (Eg=1,43 eV) aus der Gruppe III-V. Die Herstellungsverfahren für GaAs-Dünnschicht-Solarzellen haben sich von Diffusionsmethoden über LPE bis hin zur metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) entwickelt.
GaAs-Dünnschicht-Solarzellen bieten viele Vorteile, wie hohe Umwandlungseffizienz, gute Strahlenresistenz und Hitzebeständigkeit. Sie können als Heterosubstrat-Solarzellen und Mehrfachsolarzellen hergestellt werden, was die Anwendungsmöglichkeiten von GaAs-Solarzellen in der Luft- und Raumfahrt erhöht. Allerdings sind die Produktionskosten von GaAs-Dünnschichtzellen sehr hoch, und die giftigen Eigenschaften von Arsen (As) begrenzen den Einsatz solcher Zellen im zivilen Bereich. Daher sollte sich die zukünftige Forschung darauf konzentrieren, den Herstellungsprozess zu vereinfachen und reichlich vorhandene, ungiftige Elemente als Ersatz für Arsen zu finden, um den Anwendungsbereich dieser Solarzellen zu erweitern.
3. Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Dünnschicht-Solarzellen
CIGS-Dünnschicht-Solarzellen werden aus Kupfer-Indium-Selenid-Dünnschicht-Solarzellen (CIS) hergestellt, indem ein Teil des Indiums (In) durch Gallium (Ga) ersetzt wird. Die typische Struktur von CIGS-Dünnschicht-Solarzellen ist TCO/ZnO/CdS/CIGS/Rückelektrode/Substrat. Die Hauptherstellungsverfahren für CIGS-Dünnschicht-Solarzellen sind Sputtern, MOCVD, Flüssigspritzen, Sprühpyrolyse, Siebdruck und Elektroabscheidung.
CIGS-Dünnschicht-Solarzellen zeichnen sich durch hohe Effizienz, lange Lebensdauer, keinen Photodegradationseffekt aus und können auf flexiblen Polymer- und Metallsubstraten abgeschieden werden. Allerdings haben CIGS-Dünnschicht-Solarzellen auch einige Nachteile, wie viele synthetische Materialien, komplexe Syntheseprozesse sowie seltene Elemente wie In und giftige Elemente wie Cd in den synthetischen Materialien, was nicht nur die Kosten der Zellen erhöht, sondern auch zu ernsthafter Umweltverschmutzung führt. Um die Nachteile seltener oder giftiger Elemente zu umgehen, werden kostengünstige Elemente wie Zn und Sn verwendet, um das teure In und Ga zu ersetzen und so Cu2ZnSn(S, Se)4 (CZTSSe)-Dünnschicht-Solarzellen zu erhalten, die den CIGS-Zellen ähneln. CZTSSe-Dünnschicht-Solarzellen sind nicht nur umweltfreundlich, sondern CZTSSe ist auch ein Direktbandlückenmaterial mit hohem Absorptionskoeffizienten. Durch die Verringerung der Dicke der Dünnschichtzelle kann somit der Materialverbrauch reduziert und damit die Gesamtkosten dieser Zellart gesenkt werden.
