Solceller:Tab synliggjort på nanoskala

Solceller lavet af krystallinsk silicium opnår maksimal effektivitet, især i kombination med selektive kontakter lavet af amorft silicium (a-Si:H). Imidlertid, deres effektivitet er begrænset af tab i disse kontaktlag. Nu, for første gang, et team på Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) og University of Utah, USA, har eksperimentelt vist, hvordan sådanne kontaktlag genererer tabsstrømme på nanometerskalaen, og hvad deres fysiske oprindelse er.

Siliciumsolceller er nu så billige og effektive, at de kan producere strøm til priser på under 2 cent/kWh. De mest effektive siliciumsolceller i dag er lavet med mindre end 10 nanometer tynde selektive amorft silicium (a-Si:H) kontaktlag, som er ansvarlige for at adskille de lysgenererede ladninger. Effektiviteter på over 24 % opnås ved HZB med sådanne silicium heterojunction solceller og er også en del af en tandem solcelle, der førte til en nylig rapporteret effektivitetsrekord på 29,15 % (A. Al-Ashouri, et al. Videnskab 370, (2020)). Den nuværende verdensrekord fra Japan for en siliciumsolcelle med enkelt kryds er også baseret på denne heterokontakt (26,6 %:K. Yoshikawa, et al. Naturenergi 2, (2017)).

Der er stadig et betydeligt effektivitetspotentiale relateret til sådanne heterokontaktsystemer, imidlertid, det er endnu ikke forstået i detaljer, hvordan disse lag muliggør separation af ladningsbærere, og hvad deres nanoskopiske tabsmekanismer er. a-Si:H kontaktlagene er karakteriseret ved deres iboende lidelse, som på den ene side muliggør fremragende belægning af siliciumoverfladen og dermed minimerer antallet af grænsefladedefekter, men har på den anden side også en lille ulempe:det kan føre til lokale rekombinationsstrømme og til dannelse af transportbarrierer.

For første gang, et hold ved HZB og University of Utah har eksperimentelt målt på atomniveau, hvordan sådanne lækstrømme dannes mellem c-Si og a-Si:H, og hvordan de påvirker solcellens ydeevne. I en fælles indsats, et team ledet af prof. Christoph Boehme ved University of Utah, og af Prof. Dr. Klaus Lips ved HZB, de var i stand til at løse tabsmekanismen ved grænsefladen af ​​den ovennævnte siliciumheterokontakt på nanometerskalaen ved hjælp af ultrahøjvakuum ledende atomkraftmikroskopi (cAFM).

Fysikerne var i stand til med næsten atomar opløsning at bestemme, hvor lækstrømmen trænger ind i den selektive a-Si:H-kontakt og skaber en tabsproces i solcellen. I cAFM vises disse tabsstrømme som strømkanaler på nanometerstørrelse og er fingeraftrykket af defekter forbundet med forstyrrelsen af ​​det amorfe siliciumnetværk. "Disse defekter fungerer som trædesten for ladninger til at trænge igennem den selektive kontakt og inducere rekombination, vi omtaler dette" som fælde-assisteret kvantemekanisk tunneling", forklarer Lips. "Dette er første gang, at sådanne tilstande er blevet gjort synlige i a-Si:H, og at vi var i stand til at optrevle tabsmekanismen under arbejdsforhold for en solcelle af højeste kvalitet, " rapporterer fysikeren entusiastisk.

Utah/Berlin-holdet var også i stand til at vise, at den kanaliserede mørkestrøm svinger stokastisk over tid. Resultaterne indikerer, at en kortvarig nuværende blokade er til stede, som er forårsaget af lokal ladning, der er fanget i tilstødende defekter, som ændrer den energiske positionering af tunneltilstandene (trædesten). Denne indespærrede ladning kan også få den lokale fotospænding ved en strømkanal til at stige til over 1V, hvilket er langt over hvad man ville kunne bruge med en makroskopisk kontakt. "Ved denne overgang fra nano- til makroverdenen finder vi den spændende fysik af heterojunctions og nøglen til, hvordan man yderligere kan forbedre effektiviteten af ​​siliciumsolceller på en endnu mere målrettet måde, " siger Dr. Bernd Stannowski, der er ansvarlig for udviklingen af ​​industrielle silicium heterojunction solceller på HZB.