Zonnecellen van de volgende generatie, gemaakt van superdunne films van halfgeleidend materiaal, zijn veelbelovend omdat ze relatief goedkoop en flexibel genoeg zijn om vrijwel overal te worden toegepast.

Onderzoekers werken aan een drastische verhoging van de efficiëntie waarmee dunnefilmzonnecellen zonlicht omzetten in elektriciteit. Maar het is een zware uitdaging, gedeeltelijk omdat het ondergrondse rijk van een zonnecel - waar veel van de energieomzettingsactie plaatsvindt - ontoegankelijk is voor realtime, niet-destructieve beeldvorming. Het is moeilijk om processen te verbeteren die u niet kunt zien.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben een manier ontwikkeld om optische microscopie te gebruiken om dunnefilmzonnecellen in 3D in kaart te brengen terwijl ze fotonen absorberen.

De methode, meldde 15 november in het tijdschrift Geavanceerde materialen , werd ontwikkeld in de Molecular Foundry, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Berkeley Lab. Het beeldt opto-elektronische dynamiek in materialen af ​​op micronschaal, of veel dunner dan de diameter van een mensenhaar. Dit is klein genoeg om individuele korrelgrenzen te zien, substraatinterfaces, en andere interne obstakels die geëxciteerde elektronen kunnen vangen en voorkomen dat ze een elektrode bereiken, die de efficiëntie van een zonnecel ondermijnt.

Tot dusver, wetenschappers hebben de techniek gebruikt om beter te begrijpen waarom het toevoegen van een specifieke chemische stof aan zonnecellen gemaakt van cadmiumtelluride (CdTe) - het meest voorkomende dunnefilmmateriaal - de prestaties van de zonnecellen verbetert.

"Om grote winsten te maken op het gebied van fotovoltaïsche efficiëntie, we moeten zien wat er gebeurt in een werkend fotovoltaïsch materiaal op micronschaal, zowel aan de oppervlakte als eronder, en onze nieuwe aanpak stelt ons in staat om dat te doen, " zegt Edward Barnard, een van de belangrijkste wetenschappelijke ingenieurs bij de Molecular Foundry. Hij leidde de inspanning met James Schuck, de directeur van de Imaging and Manipulation of Nanostructures-faciliteit bij de Molecular Foundry.

De beeldvormingsmethode is ontstaan ​​uit een samenwerking tussen Molecular Foundry-wetenschappers en Foundry-gebruikers van PLANT PV Inc., een Alameda, in Californië gevestigd bedrijf. Tijdens het fabriceren van nieuwe zonnecelmaterialen in de Molecular Foundry, het team ontdekte dat standaard optische technieken de innerlijke werking van de materialen niet konden weergeven, dus ontwikkelden ze de nieuwe techniek om dit beeld te verkrijgen. Volgende, wetenschappers van het National Renewable Energy Laboratory kwamen naar de Molecular Foundry en gebruikten de nieuwe methode om CdTe-zonnecellen te bestuderen.

Om de aanpak te ontwikkelen, de wetenschappers hebben een techniek aangepast die twee-fotonmicroscopie wordt genoemd (die door biologen wordt gebruikt om in dikke monsters zoals levend weefsel te kijken), zodat deze kan worden toegepast op bulkhalfgeleidermaterialen.

De methode maakt gebruik van een zeer gerichte laserstraal van infraroodfotonen die het fotovoltaïsche materiaal binnendringen. Wanneer twee laagenergetische fotonen op hetzelfde punt samenkomen, er is genoeg energie om elektronen op te wekken. Deze elektronen kunnen worden gevolgd om te zien hoe lang ze in hun aangeslagen toestand meegaan, met elektronen met een lange levensduur die verschijnen als heldere vlekken in microscopiebeelden. In een zonnecel, elektronen met een lange levensduur hebben meer kans om een ​​elektrode te bereiken.

In aanvulling, de laserstraal kan systematisch worden verplaatst door een zonnecel op testformaat, het creëren van een 3D-kaart van de volledige opto-elektronische dynamiek van een zonnecel.

De methode heeft al licht geworpen op de voordelen van het behandelen van CdTe-zonnecellen met cadmiumchloride, die vaak wordt toegevoegd tijdens het fabricageproces.

Wetenschappers weten dat cadmiumchloride de efficiëntie van CdTe-zonnecellen verbetert, maar het effect ervan op aangeslagen elektronen op micronschaal is niet goed begrepen. Studies hebben aangetoond dat de chloorionen de neiging hebben zich op te stapelen aan de korrelgrenzen, maar hoe dit de levensduur van aangeslagen elektronen verandert, is onduidelijk.

Dankzij de nieuwe beeldvormingstechniek de onderzoekers ontdekten dat de cadmiumchloridebehandeling de levensduur van geëxciteerde elektronen aan de korrelgrenzen verlengt, evenals in de korrels zelf. Dit is goed te zien in 3D-beelden van CdTe-zonnecellen met en zonder de behandeling. De behandelde zonnecel "licht" veel gelijkmatiger op in het materiaal, zowel in de korrels als de tussenruimtes.

"Wetenschappers weten dat de passivering van cadmiumchloride de levensduur van elektronen in CdTe-cellen verbetert, maar nu hebben we op micronschaal in kaart gebracht waar deze verbetering optreedt, ' zegt Barnard.

De nieuwe beeldvormingstechniek zou wetenschappers kunnen helpen beter geïnformeerde beslissingen te nemen over het verbeteren van een groot aantal dunne-film zonnecelmaterialen naast CdTe, zoals perovskiet en organische verbindingen.

"Onderzoekers die fotovoltaïsche efficiëntie proberen te stimuleren, kunnen onze techniek gebruiken om te zien of hun strategieën op microschaal werken, waarmee ze betere zonnecellen op testschaal kunnen ontwerpen - en uiteindelijk zonnecellen op ware grootte voor daken en andere toepassingen in de echte wereld, " hij zegt.