Natuurkundigen van de Universiteit van Luxemburg hebben samen met internationale wetenschappers het oxidatieproces van zonnecelmaterialen onderzocht, waarvan de resultaten de huidige manier van produceren van zonnecellen zouden kunnen veranderen. De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie in juli 2020.

Fasegrenzen zijn kritische punten voor de eigenschappen van materialen. Het onderzoeksteam heeft zojuist ontdekt dat wanneer materialen die voor zonnecellen worden gebruikt zich in de buurt van een fasegrens bevinden, het oxidatieproces veroorzaakt veel meer schade dan alleen de oxidatie.

Deze publicatie is het resultaat van een vierjarig onderzoeksproject en een vruchtbare samenwerking binnen het Department of Physics and Materials Science (DPhyMS) tussen het Laboratory for Energy Materials (LEM) onder leiding van prof. Phillip Dale en het Laboratory for Photovoltaics (LPV) onder leiding van door prof. Susanne Siebentritt. Het project werd met succes uitgevoerd door Diego Colombara en Hossam Elanzeery, op dat moment postdoctoraal onderzoeker en doctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Luxemburg, respectievelijk.

Het team legt het project nader uit.

Wat is een fasegrens voor zonnecelmaterialen?

"Als ijs smelt en water wordt, het overschrijdt een fasegrens. In dit geval, het is de temperatuur die ervoor zorgt dat het materiaal de fasegrens overschrijdt. In samengestelde halfgeleiders, zoals koper-indiumselenide, die wordt gebruikt in zonnecellen, het is de samenstelling die ervoor zorgt dat het materiaal de fasegrens overschrijdt. In het ideale kristal, er is evenveel Cu als In, en wanneer er meer Cu is dan In, bevindt het materiaal zich in een andere fase dan wanneer er minder Cu is dan In."

Hoe beheers je deze verandering?

"We kunnen dit controleren door het depositieproces. Het is al lang bekend, dat wanneer het materiaal oxideert, bijvoorbeeld, als we het te lang in de lucht laten hangen, het vormt een indiumoxide. Wat we nu vonden is:wanneer het Cu-rijke materiaal oxideert, het vormt niet alleen indiumoxide maar het wordt ook te Cu-rijk. Dus, de Cu moet het materiaal verlaten. En daarbij, het neemt het selenium mee, nieuwe defecten vormen, de seleniumvacatures. En die zijn slecht voor de zonnecellen. Dit inzicht is niet alleen van belang voor de manier waarop we zonnecellen maken. Selenidematerialen hebben andere toepassingen in gegevensopslag, laseren en communiceren. De bevindingen zullen ook relevant zijn voor die andere seleniden of sulfiden die vergelijkbare fasegrenzen vertonen."

Hoe kunnen we betere zonnecellen bouwen?

"We kennen nu het wortelmechanisme voor het ontstaan ​​van deze schadelijke defecten in onze zonnecellen en hebben al ontdekt dat het mogelijk is om deze defecten gedeeltelijk af te roepen zodra ze zijn gevormd, door een teveel aan selenium van buitenaf te forceren. Voortbouwend op deze kennisbasis, we zullen fabricagemethoden ontwerpen die de vorming van defecten helemaal voorkomen, als onderdeel van onze roadmap voor een efficiëntere conversie van zonne-energie."