(Phys.org) —Voor de eerste keer, een team van onderzoekers van de HZB onder leiding van Dr. Roland Mainz en Dr. Christian Kaufmann is erin geslaagd om de groei van zeer efficiënte chalcopyriet dunne-film zonnecellen in realtime te observeren en de vorming en degradatie van defecten te bestuderen die de efficiëntie in gevaar brengen.

Hiertoe, de wetenschappers zetten een nieuwe meetkamer op in de Berlijnse elektronenopslagring BESSY II, waardoor ze verschillende soorten meettechnieken kunnen combineren. Hun resultaten laten zien tijdens welke procesfasen de groei kan worden versneld en wanneer er extra tijd nodig is om defecten te verminderen. Hun werk is nu online gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen .

De huidige dunne-filmcellen van chalcopyriet op basis van koper-indium-galliumselenide bereiken al een efficiëntie van meer dan 20 procent. Voor de fabricage van de extreem dunne polykristallijne lagen, het proces van coevaporatie heeft tot nu toe tot de beste resultaten geleid:tijdens coevaporatie, twee afzonderlijke elementen worden gelijktijdig verdampt, eerste indium (of gallium) en selenium, dan koper en selenium, en, Tenslotte, indium (of gallium) en weer selenium. Op deze manier, vormt zich een dunne film van kristallen, die slechts een klein aantal gebreken vertonen. "Tot voor kort, we begrepen niet helemaal wat er precies gebeurt tijdens dit coevaporatieproces, ", zegt dr. Roland Mainz van het HZB's Institute of Technology. Het team van natuurkundigen heeft drie jaar lang met on-site en realtime metingen gewerkt om een ​​antwoord op deze vraag te vinden.

Nieuwe experimentele kamer gebouwd

Voor deze metingen bouwden ze een nieuw soort experimentele kamer, wat een analyse mogelijk maakt van polykristallijne chalcopyrietfilmvorming tijdens co-evaporatie bij blootstelling aan synchrotronlicht bij BESSY II. Naast de verdampingsbronnen voor de elementen, deze vacuümkamer bevat verwarmings- en koelelementen om het verdampingsproces te regelen. Volgens Mainz, "een van de grootste uitdagingen was het aanpassen van de kamer, die ongeveer 250 kilogram weegt, met een nauwkeurigheid van 10 micrometer." Door thermische uitzetting tijdens verdamping, de hoogte moet om de paar seconden automatisch worden aangepast.

Combinatie van röntgendiffractie en fluorescentieanalyse

Met deze opstelling, voor het eerst wereldwijd waren ze in staat om polykristallijne filmgroei te observeren met behulp van in situ röntgendiffractie en fluorescentie-analyse tijdens co-evaporatie in realtime. "We kunnen nu zien hoe kristallijne fasen zich vormen en transformeren en wanneer defecten ontstaan ​​tijdens de verschillende stadia van verdamping. Maar we kunnen ook zien wanneer deze defecten weer verdwijnen." Dit gebeurt in de tweede procesfase, wanneer koper en selenium verdampen. overtollig koper, die zich aan het oppervlak afzet in de vorm van koperselenide, helpt defecten te verwijderen. "Dit was al eerder bekend van eerdere experimenten. Maar nu, met behulp van fluorescentiesignalen en numerieke modelberekeningen, we kunnen laten zien hoe koperselenide de koper-indiumselenidelaag binnendringt, " legt Mainz uit. Hier werden duidelijke verschillen tussen koper-indiumselenide- en koper-galliumselenidelagen duidelijk:terwijl koper in staat is om de koper-indium-selenidelaag te penetreren, in het geval van koper-gallium-selenide, die verder vrij gelijkaardig is, het blijft aan de oppervlakte. Dit zou een mogelijke reden kunnen zijn waarom het gebruik van puur koper-galliumselenide geen hoogrenderende zonnecellen oplevert.

Concrete stappen voor optimalisatie

"We weten nu dat het voor verdere optimalisatie van het proces belangrijk is om ons te concentreren op het overgangspunt naar de koperrijke fase. Tot nu toe werd het proces in alle fasen heel langzaam uitgevoerd om defecten voldoende tijd te geven om te verdwijnen. Onze bevindingen suggereren dat het proces in sommige stadia kan worden versneld en dat het alleen voldoende is om het te vertragen op punten waar defecten efficiënt worden geëlimineerd, " legt Mainz uit. Mainz kijkt nu al uit naar toekomstig project EMIL, die momenteel wordt opgezet bij BESSY II. Hier komen nog krachtigere tools beschikbaar voor het bestuderen van complexe processen tijdens de groei van nieuwe typen zonnecellen in situ en in realtime.