Karakteriserende solceller med nanoskala præcision

(Phys.org) – Forskere fra NIST Center for Nanoscale Science and Technology (CNST) har demonstreret en ny lavenergi elektronstråleteknik og brugt den til at undersøge nanoskala elektroniske egenskaber af korngrænser og korninteriør i cadmiumtellurid (CdTe) solenergi celler. Deres resultater tyder på, at styring af materialeegenskaber nær korngrænserne kunne give en vej til at øge effektiviteten af ​​sådanne solceller.

Blandt tyndfilm fotovoltaiske solceller, dem fremstillet af cadmiumtellurid er nogle af de mest succesrige på markedet. Imidlertid, effektiviteten af ​​kommercielle celler er stadig mindre end halvdelen af ​​det teoretiske maksimum, og de underliggende mekanismer for manglen er ikke godt forstået. CdTe-celler menes at miste strøm ved deres materielle korngrænser; imidlertid, Det er også blevet foreslået, at disse korngrænser har egenskaber, der rent faktisk kunne forbedre bærerindsamlingen, hvis de blev bedre forstået.

Karakteriseringsteknikker, der bruger fokuserede elektronstråler til at inducere strømme, bruges i stigende grad til at undersøge egenskaberne af tyndfilmsolceller. Målingerne er nemmere ved at bruge højenergielektroner, men jo højere energi reducerer den rumlige opløsning. Forskerne udvidede traditionelle elektronstråle-inducerede strømmålinger ved at bruge lavenergistråler til lokalt at excitere CdTe og skabe strøm. Disse stråler har en rumlig opløsning på omkring 20 nm, lille nok til at kortlægge fotostrømresponsen inde i kornets indre eller ved korngrænserne.

Målingerne blev udført på fragmenter udvundet fra en kommerciel tyndfilmsolcelle. Elektriske kontakter i nanoskala blev forberedt med størrelser sammenlignelige med et enkelt eller få korn, begrænse den nuværende vej til størrelser, der er relevante for at forstå nuværende produktion og tab.

Målingerne viser, at en stor del af korngrænserne udviser højere strømopsamling end korninteriøret, tilsyneladende forbedre enhedens ydeevne. Imidlertid, ved hjælp af 2D finite element simuleringer, forskerne viste, at disse korngrænser også skaber en stor vej for lækstrøm, hvilket fuldstændig negerer effektivitetsgevinsterne ved den forbedrede fotostrømopsamling.

Forskerne mener, at deres teknik giver et værdifuldt værktøj til at visualisere opførselen af ​​fotovoltaiske celler i de længdeskalaer, der er nødvendige for at forstå både tabsmekanismer inden for fotovoltaiske materialer såvel som interne strukturer i disse materialer, der kan føre til højere overordnet celleeffektivitet.