At se solceller vokse

(Phys.org) – For første gang, et team af forskere ved HZB ledet af Dr. Roland Mainz og Dr. Christian Kaufmann har formået at observere væksten af ​​højeffektive kalkopyrtyndfilmsolceller i realtid og at studere dannelsen og nedbrydningen af ​​defekter, der kompromitterer effektiviteten.

Til denne ende, forskerne oprettede et nyt målekammer ved Berlins elektronlagerring BESSY II, som giver dem mulighed for at kombinere flere forskellige slags måleteknikker. Deres resultater viser, i hvilke procesfaser væksten kan fremskyndes, og hvornår der kræves yderligere tid for at reducere defekter. Deres arbejde er nu blevet offentliggjort online i Avancerede energimaterialer .

Nutidens kalkpyrit tyndfilmceller baseret på kobberindiumgalliumselenid er allerede nået til en effektivitet på mere end 20 procent. Til fremstilling af de ekstremt tynde polykrystallinske lag, processen med co-evaporation har ført til de bedste resultater hidtil:Under co-evaporation, to separate elementer fordampes samtidigt, første indium (eller gallium) og selen, derefter kobber og selen, og, endelig, indium (eller gallium) og selen igen. Denne måde, der dannes en tynd film af krystaller, som kun udviser et lille antal mangler. "Indtil for nylig, vi forstod ikke helt, hvad der præcist sker under denne co-evaporation proces, " siger Dr. Roland Mainz fra HZB's Institute of Technology. Holdet af fysikere arbejdede i tre år ved at bruge målinger på stedet og i realtid for at finde et svar på dette spørgsmål.

Nyt eksperimentelt kammer konstrueret

Til disse målinger konstruerede de en ny slags forsøgskammer, som muliggør en analyse af polykrystallinsk chalcopyritfilmdannelse under co-evaporation, når den udsættes for synkrotronlys ved BESSY II. Ud over fordampningskilderne til grundstofferne, dette vakuumkammer indeholder varme- og køleelementer til at styre fordampningsprocessen. Ifølge Mainz, "en af ​​hovedudfordringerne var at justere kammeret, som vejer omkring 250 kg, med en nøjagtighed på 10 mikrometer." På grund af termisk udvidelse under fordampning, højden skal justeres automatisk med få sekunders mellemrum.

Kombination af røntgendiffraktion og fluorescensanalyse

Med denne opsætning, for første gang på verdensplan var de i stand til at observere polykrystallinsk filmvækst ved hjælp af in situ røntgendiffraktion og fluorescensanalyse under co-evaporation i realtid. "Vi er nu i stand til at se, hvordan krystallinske faser dannes og transformeres, og hvornår defekter dannes under de forskellige fordampningsstadier. "Men vi er også i stand til at fortælle, hvornår disse defekter forsvinder igen." Dette finder sted i det andet procestrin, når kobber og selen fordampes. overskydende kobber, som aflejres ved overfladen i form af kobberselenid er med til at fjerne defekter. "Dette var allerede kendt før fra tidligere eksperimenter. Men nu, ved hjælp af fluorescenssignaler og numeriske modelberegninger, vi er i stand til at vise, hvordan kobberselenid trænger ind i kobberindiumselenidlaget, Mainz forklarer. Her blev tydelige forskelle mellem kobber-indium-selenid og kobber-gallium-selenid-lag tydelige:Mens kobber er i stand til at trænge ind i kobber-indium-selenid-laget, i tilfælde af kobber-gallium-selenid, som ellers er ret ens, det bliver ved overfladen. Dette kunne være en mulig årsag til, at brugen af ​​ren kobber galliumselenid ikke giver højeffektive solceller.

Konkrete trin til optimering

"Vi ved nu, at det for yderligere optimering af processen er vigtigt at koncentrere sig om overgangspunktet til den kobberrige fase. Indtil nu er processen udført meget langsomt gennem alle stadier for at give defekter tid nok til at forsvinde. Vores resultater tyder på at processen kan fremskyndes på nogle trin, og at det er tilstrækkeligt kun at bremse den på steder, hvor defekter effektivt elimineres, " forklarer Mainz. Mainz ser allerede frem til det fremtidige projekt EMIL, som i øjeblikket er ved at blive oprettet på BESSY II. Her vil endnu mere kraftfulde værktøjer blive tilgængelige til undersøgelse af komplekse processer under vækst af nye typer solceller in situ og i realtid.