Zonnecellen gemaakt van kristallijn silicium bereiken maximale efficiëntie, vooral in combinatie met selectieve contacten van amorf silicium (a-Si:H). Echter, hun efficiëntie wordt beperkt door verliezen in deze contactlagen. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, een team van Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) en de University of Utah, VS, heeft experimenteel aangetoond hoe dergelijke contactlagen verliesstromen op nanometerschaal genereren en wat hun fysieke oorsprong is.

Silicium zonnecellen zijn nu zo goedkoop en efficiënt dat ze elektriciteit kunnen opwekken tegen prijzen van minder dan 2 cent/kWh. De meest efficiënte siliciumzonnecellen van vandaag zijn gemaakt met minder dan 10 nanometer dunne selectieve amorfe silicium (a-Si:H) contactlagen, die verantwoordelijk zijn voor het scheiden van de door licht gegenereerde ladingen. Rendementen van meer dan 24% worden bij HZB bereikt met dergelijke silicium heterojunctie-zonnecellen en maken ook deel uit van een tandemzonnecel die heeft geleid tot een recent gerapporteerd rendementsrecord van 29,15% (A. Al-Ashouri, et al. Wetenschap 370, (2020)). Ook het huidige wereldrecord uit Japan voor een single junction siliciumzonnecel is gebaseerd op dit heterocontact (26,6%:K. Yoshikawa, et al. Natuur Energie 2, (2017)).

Er is nog steeds een aanzienlijk efficiëntiepotentieel met betrekking tot dergelijke heterocontactsystemen, echter, het is nog niet in detail begrepen hoe deze lagen scheiding van ladingsdragers mogelijk maken en wat hun nanoscopische verliesmechanismen zijn. De a-Si:H contactlagen worden gekenmerkt door hun intrinsieke wanorde, die enerzijds een uitstekende coating van het siliciumoppervlak mogelijk maakt en zo het aantal grensvlakdefecten minimaliseert, maar heeft anderzijds ook een klein nadeel:het kan leiden tot lokale recombinatiestromen en tot de vorming van transportbarrières.

Voor de eerste keer, een team van HZB en de Universiteit van Utah heeft op atomair niveau experimenteel gemeten hoe dergelijke lekstromen ontstaan ​​tussen c-Si en a-Si:H, en hoe ze de prestaties van de zonnecel beïnvloeden. In een gezamenlijke inspanning, een team onder leiding van Prof. Christoph Boehme aan de Universiteit van Utah, en door Prof. Dr. Klaus Lips van de HZB, ze waren in staat om het verliesmechanisme op het grensvlak van het bovengenoemde siliciumheterocontact op nanometerschaal op te lossen met behulp van ultrahoog vacuüm geleidende atoomkrachtmicroscopie (cAFM).

De natuurkundigen konden met bijna atomaire resolutie bepalen waar de lekstroom het selectieve a-Si:H-contact binnendringt en een verliesproces in de zonnecel veroorzaakt. In cAFM verschijnen deze verliesstromen als stroomkanalen ter grootte van een nanometer en zijn ze de vingerafdruk van defecten die verband houden met de wanorde van het amorfe siliciumnetwerk. "Deze defecten fungeren als opstapjes voor ladingen om het selectieve contact binnen te dringen en recombinatie te veroorzaken, we noemen dit "trap-assisted kwantummechanische tunneling", legt Lips uit. "Dit is de eerste keer dat dergelijke toestanden zichtbaar zijn gemaakt in a-Si:H en dat we het verliesmechanisme onder werkomstandigheden van een zonnecel van de hoogste kwaliteit hebben kunnen ontrafelen, ’ meldt de natuurkundige enthousiast.

Het team van Utah/Berlijn kon ook aantonen dat de gekanaliseerde donkerstroom in de loop van de tijd stochastisch fluctueert. De resultaten geven aan dat er een kortstondige stroomblokkade aanwezig is, die wordt veroorzaakt door lokale lading die vastzit in naburige defecten die de energetische positionering van de tunnelende toestanden (stapstenen) verandert. Deze ingesloten lading kan er ook voor zorgen dat de lokale fotospanning op een stroomkanaal stijgt tot boven 1V, dat is ver boven wat men zou kunnen gebruiken met een macroscopisch contact. "Bij deze overgang van de nano- naar de macrowereld vinden we de opwindende fysica van heterojuncties en de sleutel om de efficiëntie van siliciumzonnecellen op een nog meer gerichte manier verder te verbeteren, " zegt dr. Bernd Stannowski, die bij de HZB verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van industriële silicium heterojunctie zonnecellen.