Zonnecellen: Verliezen zichtbaar gemaakt op nanoschaal

Zonnecellen van kristallijn silicium bereiken piekrendementen, vooral in combinatie met selectieve contacten van amorf silicium (a-Si: H). Hun efficiëntie wordt echter beperkt door verliezen in deze contactlagen. Nu heeft een team van Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) en de Universiteit van Utah, VS, voor het eerst experimenteel aangetoond hoe dergelijke contactlagen verliesstromen genereren op nanometerschaal en wat hun fysieke oorsprong is.

Siliciumzonnecellen zijn nu zo goedkoop en efficiënt dat ze elektriciteit kunnen opwekken tegen prijzen van minder dan 2 cent / kWh. De meest efficiënte silicium zonnecellen van vandaag zijn gemaakt met minder dan 10 nanometer dunne selectieve amorf silicium (a-Si: H) contactlagen, die verantwoordelijk zijn voor het scheiden van de door licht gegenereerde ladingen. Efficiënties van meer dan 24% worden behaald bij HZB met dergelijke silicium heterojunctie zonnecellen en maken ook deel uit van een tandem zonnecel die leidt tot een recent gerapporteerd efficiëntierecord van 29,15% (A. Al-Ashouri, et al. Wetenschap 370, (2020)). Het huidige wereldrecord uit Japan voor een siliciumzonnecel met enkele junctie is ook gebaseerd op dit heterocontact (26,6%: K. Yoshikawa, et al. Natuur energie 2, (2017)).

Er is nog steeds een aanzienlijk efficiëntiepotentieel gerelateerd aan dergelijke heterocontactsystemen, maar 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 anderzijds ook een klein nadeel heeft: het kan leiden op lokale recombinatiestromen en op de vorming van transportbarrières.

Voor het eerst heeft een team van HZB en de Universiteit van Utah experimenteel op atomair niveau gemeten hoe dergelijke lekstromen ontstaan ​​tussen c-Si en a-Si: H, en hoe ze de prestaties van de zonnecel beïnvloeden. Een team onder leiding van prof.Christoph Boehme van de Universiteit van Utah en prof.dr.Klaus Lips van de HZB slaagden er gezamenlijk in om het verliesmechanisme op het grensvlak van de bovengenoemde siliciumheterocontact op de nanometer op te lossen. schaal met behulp van ultrahoog vacuüm geleidende atoomkrachtmicroscopie (cAFM).

De natuurkundigen waren in staat om met bijna atomaire resolutie te 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 van nanometergrootte en zijn ze de vingerafdruk van defecten die verband houden met de wanorde van het amorfe siliciumnetwerk. “Deze defecten fungeren als springplank voor ladingen om het selectieve contact te penetreren en recombinatie te induceren, we noemen dit” trap-geassisteerde kwantummechanische tunneling “, legt Lips uit.” Dit is de eerste keer dat dergelijke toestanden zichtbaar worden gemaakt in een -Si: H en dat we in staat waren om het verliesmechanisme te ontrafelen onder werkomstandigheden van de a zonnecel van de hoogste kwaliteit ”, meldt de natuurkundige enthousiast.

Het team van Utah / Berlijn kon ook aantonen dat de gekanaliseerde donkerstroom stochastisch fluctueert in de tijd. De resultaten geven aan dat er een kortstondige stroomblokkade aanwezig is, die wordt veroorzaakt door lokale lading die vastzit in naburige defecten, waardoor de energetische positionering van de tunnelstaten (stapstenen) verandert. Deze ingesloten lading kan er ook voor zorgen dat de lokale fotospanning op een huidig ​​kanaal stijgt tot boven 1V, wat 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 nog gerichter te verbeteren”, zegt Dr. Bernd Stannowski, die verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van industriële silicium heterojunctie zonnecellen bij HZB.