En ny måde at afbilde solceller i 3-D

Næste generation af solceller lavet af supertynde film af halvledende materiale lover, fordi de er relativt billige og fleksible nok til at blive anvendt stort set overalt.

Forskere arbejder på at dramatisk øge effektiviteten, hvor tyndfilmede solceller omdanner sollys til elektricitet. Men det er en svær udfordring, dels fordi en solcelles underjordiske verden - hvor meget af energiomdannelsen sker - er utilgængelig for realtid, ikke -destruktiv billeddannelse. Det er svært at forbedre processer, du ikke kan se.

Nu, forskere fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en måde at bruge optisk mikroskopi til at kortlægge tyndfilmede solceller i 3D, når de absorberer fotoner.

Metoden, rapporteret 15. november i journalen Avancerede materialer , blev udviklet på Molecular Foundry, en DOE Office of Science brugerfacilitet placeret på Berkeley Lab. Det afbilder optoelektronisk dynamik i materialer på mikron skala, eller meget tyndere end diameteren på et menneskehår. Dette er lille nok til at se individuelle korngrænser, substratgrænseflader, og andre interne forhindringer, der kan fange ophidsede elektroner og forhindre dem i at nå en elektrode, som undergraver en solcelles effektivitet.

Indtil nu, forskere har brugt teknikken til bedre at forstå, hvorfor tilføjelse af et specifikt kemikalie til solceller fremstillet af cadmiumtellurid (CdTe)-det mest almindelige tyndfilmsmateriale-forbedrer solcellernes ydeevne.

"For at opnå store gevinster i fotovoltaisk effektivitet, vi er nødt til at se, hvad der sker gennem et fungerende fotovoltaisk materiale i mikronskalaen, både på overfladen og under, og vores nye tilgang giver os mulighed for at gøre det, " siger Edward Barnard, en vigtig videnskabelig ingeniørmedarbejder ved Molecular Foundry. Han ledede indsatsen med James Schuck, direktør for Imaging and Manipulation of Nanostructures facilitet på Molecular Foundry.

Billedmetoden er født ud af et samarbejde mellem Molecular Foundry-forskere og Foundry-brugere fra PLANT PV Inc., en Alameda, Californien-baseret selskab. Mens man fremstiller nye solcellematerialer på Molecular Foundry, holdet fandt ud af, at standard optiske teknikker ikke kunne afbilde materialernes indre funktion, så de udviklede den nye teknik for at opnå dette syn. Næste, forskere fra National Renewable Energy Laboratory kom til Molecular Foundry og brugte den nye metode til at studere CdTe solceller.

For at udvikle tilgangen, forskerne ændrede en teknik kaldet to-fotonmikroskopi (som bruges af biologer til at se inde i tykke prøver, såsom levende væv), så den kan anvendes på bulk halvledermaterialer.

Metoden bruger en meget fokuseret laserstråle af infrarøde fotoner, der trænger ind i det solcellemateriale. Når to lavenergifotoner konvergerer på samme punkt, der er nok energi til at excitere elektroner. Disse elektroner kan spores for at se, hvor længe de holder i deres ophidsede tilstand, med elektroner med lang levetid, der fremstår som lyspunkter i mikroskopibilleder. I en solcelle, elektroner med lang levetid er mere tilbøjelige til at nå en elektrode.

Ud over, laserstrålen kan systematisk omplaceres gennem en solcelle i teststørrelse, oprette et 3D-kort over en solcelles hele optoelektroniske dynamik.

Metoden har allerede belyst fordelene ved behandling af CdTe -solceller med cadmiumchlorid, som ofte tilføjes under fremstillingsprocessen.

Forskere ved, at cadmiumchlorid forbedrer effektiviteten af ​​CdTe solceller, men dens virkning på exciterede elektroner i mikronskalaen er ikke godt forstået. Undersøgelser har vist, at chlorionerne har en tendens til at hobe sig op ved korngrænser, men hvordan dette ændrer ophidsede elektroners levetid er uklart.

Takket være den nye billedteknik, forskerne opdagede, at cadmiumchloridbehandlingen øger levetiden for ophidsede elektroner ved korngrænserne, såvel som i selve kornene. Dette ses let i 3D-billeder af CdTe-solceller med og uden behandling. Den behandlede solcelle "lyser op" meget mere ensartet i hele materialet, både i kornene og mellemrummene.

"Forskere har vidst, at passivering af cadmiumchlorid forbedrer levetiden for elektroner i CdTe-celler, men nu har vi kortlagt på mikronskalaen, hvor denne forbedring sker, «siger Barnard.

Den nye billeddannelsesteknik kan hjælpe forskere med at træffe mere informerede beslutninger om forbedring af et væld af tyndfilmede solcellematerialer ud over CdTe, såsom perovskit og organiske forbindelser.

"Forskere, der forsøger at skubbe til fotovoltaisk effektivitet, kunne bruge vores teknik til at se, om deres strategier virker i mikroskalaen, som vil hjælpe dem med at designe bedre solceller i testskala-og i sidste ende solceller i fuld størrelse til hustage og andre virkelige applikationer, " han siger.