Forskere demonstrerer, hvordan man kan forbedre ultratynde CIGSe-solceller ved hjælp af nanopartikler

CIGSe solceller er lavet af et tyndt chalcopyritlag bestående af kobber, indium, gallium og selen og kan nå høj effektivitet. Da indium bliver sjældent og dyrt, det er interessant at reducere det aktive CIGSe-lag, hvilket dog reducerer effektiviteten ret kraftigt. Nu, forskere ved Helmholtz-Zentrum Berlin har produceret ultratynde CIGSe-lag af høj kvalitet og øget deres effektivitet med en række små nanopartikler mellem bagkontakten og det aktive lag.

Nanopartikler med størrelser af størrelsesordenen en bølgelængde interagerer med lys på bestemte måder. En ung efterforskergruppe ved Helmholtz-Zentrum Berlin, ledet af professor Martina Schmid, spørger, hvordan man kan bruge arrangementer af sådanne nanopartikler til at forbedre solceller og andre opto-elektroniske enheder. Nu rapporterer forskerne ind ACS Nano en betydelig succes med ultratynde CIGSe solceller.

Problemer summerer til under 1 mikrometer

CIGSe solceller har bevist høj effektivitet og er etablerede tyndfilmsapparater med aktive lag på få mikrometers tykkelse. Men da indium er et sjældent grundstof, det aktive lag skal være så tyndt som muligt. Dette reducerer effektiviteten, da mindre lys absorberes. Og hvis det aktive lag er tyndere end en mikrometer, der opstår et yderligere problem:flere og flere ladningsbærere mødes og rekombinerer ved bagkontakten, fare vild".

Ultratynd CIGSe-celle med effektivitet på 11,1 %

"Det tog mig mere end et år at være i stand til at producere ultratynde lag på kun 0,46 mikrometer eller 460 nanometer, som stadig når rimelige effektiviteter op til 11,1 %, Guanchao Yin siger om sit ph.d.-projekt. Han begyndte derefter at spørge, hvordan man implementerer nanopartikler mellem forskellige lag af solcellen. Hans vejleder Martina Schmid diskuterede dette med prof. Albert Polman, en af ​​pionererne inden for nanofotonik, på Center for Nanooptik, Amsterdam, som hun allerede var i kontakt med i et stykke tid. De foreslog at producere arrays af dielektriske nanopartikler ved hjælp af nanoimprinting-teknologier.

Ingen stor effekt af nanopartikler på toppen

I et første skridt, kollegerne i Amsterdam implementerede et mønster af dielektriske TiO2-nanopartikler oven på Yins ultratynde solceller; tanken var, at de skulle fungere som lysfælder og øge absorptionen i CIGSe-laget. Men dette øgede ikke effektiviteten så meget som bevist i Si-baserede solceller. Yin fortsatte derefter med at teste og fandt i sidste ende ud af, hvad der virkede bedst:et nanopartikel-array ikke på toppen, men ved den bagerste kontakt af cellen!

Nanopartikler ved rygkontakt:effektivitet øges til 12,3 %

Kollegerne fra Amsterdam producerede en række SiO2 nanopartikler, direkte på molybdænsubstratet som svarer til solcellens bagkontakt. Ovenpå dette strukturerede substrat blev det ultratynde CIGSe-lag dyrket af Yin, og efterfølgende alle de andre lag og kontakter, der er nødvendige for solcellen. Med denne konfiguration, effektiviteten steg fra 11,1 % til 12,3 %, og kortslutningsstrømtætheden af ​​de ultratynde CIGSe-celler steg med mere end 2 mA/cm2. Med yderligere anti-reflekterende nanopartikler foran er effektiviteten hævet endda til 13,1%.

Lysindfangning og forebyggelse af tab af ladningsbærer

"Dette fører til effektiv lysindfangning og forringer ikke cellen, " Yin forklarer. Yderligere undersøgelser viser, at nanoarrayet af dielektriske SiO2 nanopartikler på bagsiden også kan øge effektiviteten ved at reducere chancerne for ladningsbærer-rekombination. "Dette arbejde er kun en begyndelse, vi har nu nye ideer til yderligere design for at forbedre absorption og reducere rekombination, dermed øge effektiviteten ved at gøre brug af optiske og elektriske fordele ved nanopartiklerne, siger Martina Schmid.