CIGSe-zonnecellen zijn gemaakt van een dunne chalcopyrietlaag bestaande uit koper, indium, gallium en selenium en kunnen hoge efficiënties bereiken. Aangezien indium schaars en duur wordt, het is interessant om de actieve CIGSe-laag te verminderen, wat echter de efficiëntie behoorlijk sterk vermindert. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van Helmholtz-Zentrum Berlin hebben ultradunne CIGSe-lagen van hoge kwaliteit geproduceerd en hun efficiëntie verhoogd door een reeks kleine nanodeeltjes tussen het rugcontact en de actieve laag.

Nanodeeltjes met afmetingen in de orde van een golflengte interageren op specifieke manieren met licht. Een jonge onderzoeksgroep in Helmholtz-Zentrum Berlijn, onder leiding van professor Martina Schmid, onderzoekt hoe arrangementen van dergelijke nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om zonnecellen en andere opto-elektronische apparaten te verbeteren. Nu rapporteren de wetenschappers in ACS Nano een groot succes met ultradunne CIGSe-zonnecellen.

Problemen tellen op tot minder dan 1 micrometer

CIGSe-zonnecellen hebben bewezen hoge efficiënties en zijn gevestigde dunne-filmapparaten met actieve lagen van enkele micrometers dik. Maar aangezien indium een ​​zeldzaam element is, de actieve laag moet zo dun mogelijk zijn. Dit vermindert de efficiëntie, omdat er minder licht wordt geabsorbeerd. En als de actieve laag dunner is dan een micrometer, er ontstaat een bijkomend probleem:steeds meer ladingdragers ontmoeten elkaar en recombineren bij het achtercontact, verdwalen".

Ultradunne CIGSe-cel met efficiëntie van 11,1%

"Het kostte me meer dan een jaar om ultradunne lagen van slechts 0,46 micrometer of 460 nanometer te produceren die nog steeds redelijke efficiënties bereiken tot 11,1%, Guanchao Yin vertelt over zijn promotieproject. Hij begon toen te onderzoeken hoe nanodeeltjes tussen verschillende lagen van de zonnecel te implementeren. Zijn promotor Martina Schmid besprak dit met prof. Albert Polman, een van de pioniers op het gebied van nanofotonica, bij het Centrum voor Nanooptica, Amsterdam, met wie ze al een tijdje contact had. Ze stelden voor om arrays van diëlektrische nanodeeltjes te produceren door middel van nano-imprinting-technologieën.

Geen groot effect door nanodeeltjes bovenop

In een eerste stap, de collega's in Amsterdam implementeerden een patroon van diëlektrische TiO2-nanodeeltjes bovenop de ultradunne zonnecellen van Yin; het idee was dat ze zouden fungeren als lichtvangers en de absorptie in de CIGSe-laag zouden verhogen. Maar dit verhoogde de efficiëntie niet zo veel als bewezen in op Si-gebaseerde zonnecellen. Yin ging toen verder met testen en ontdekte uiteindelijk wat het beste werkte:een nanodeeltjes-array niet bovenop maar aan de achterkant van de cel!

Nanodeeltjes bij het rugcontact:efficiëntie stijgt tot 12,3%

De collega's uit Amsterdam produceerden een reeks SiO2-nanodeeltjes, direct op het molybdeensubstraat wat overeenkomt met het achtercontact van de zonnecel. Bovenop dit gestructureerde substraat werd de ultradunne CIGSe-laag gegroeid door Yin, en vervolgens alle andere lagen en contacten die nodig zijn voor de zonnecel. Met deze configuratie, het rendement steeg van 11,1 % naar 12,3 %, en de kortsluitstroomdichtheid van de ultradunne CIGSe-cellen nam toe met meer dan 2 mA/cm2. Met extra antireflecterende nanodeeltjes aan de voorkant is de efficiëntie zelfs verhoogd tot 13,1%.

Lichtvangen en voorkomen van verlies van ladingdragers

"Dit leidt tot efficiënte lichtvangst en verslechtert de cel niet, " legt Yin uit. Verdere studies geven aan dat de nanoarray van diëlektrische SiO2-nanodeeltjes aan de achterkant ook de efficiëntie zou kunnen verhogen door de kans op recombinatie van ladingsdragers te verkleinen. "Dit werk is slechts een begin, we hebben nu nieuwe ideeën voor verdere ontwerpen om de absorptie te verbeteren en recombinatie te verminderen, dus de efficiëntie verhogen door gebruik te maken van optische en elektrische voordelen van de nanodeeltjes, ' zegt Martina Schmid.