Elektronstråleinducerad ström (röd) överlagrad på en svepelektronmikrofotografi (grå). Ljus kontrast i närheten av spannmålsgränser indikerar att dessa regioner har högre bärarsamlingseffektivitet än spannmålsinteriören. Användningen av elektronstråleinducerad ström för att visualisera beteendet hos fotovoltaiska celler vid dessa längdskalor ger ett värdefullt verktyg för att förstå både förlustmekanismer inom fotovoltaiska material såväl som interna strukturer inom dessa material som kan leda till högre total celleffektivitet.
(Phys.org) – Forskare från NIST Center for Nanoscale Science and Technology (CNST) har demonstrerat en ny lågenergielektronstråleteknik och använt den för att undersöka de elektroniska egenskaperna i nanoskala hos korngränser och korninteriörer i kadmiumtellurid (CdTe) solenergi celler. Deras resultat tyder på att kontroll av materialegenskaper nära korngränserna kan ge en väg för att öka effektiviteten hos sådana solceller.
Bland fotovoltaiska solceller med tunn film, de gjorda av kadmiumtellurid är några av de mest framgångsrika på marknaden. Dock, kommersiella cellers effektivitet är fortfarande mindre än hälften av det teoretiska maxvärdet, och de underliggande mekanismerna för bristen är inte väl förstådda. CdTe-celler tros förlora ström vid sina materiella korngränser; dock, Det har också föreslagits att dessa korngränser har egenskaper som faktiskt skulle kunna förbättra insamlingen av bärare om de var bättre förstått.
Karakteriseringstekniker som använder fokuserade elektronstrålar för att inducera strömmar används allt oftare för att undersöka egenskaperna hos tunnfilmssolceller. Mätningarna är enklare med högenergielektroner, men den högre energin minskar den rumsliga upplösningen. Forskarna utökade traditionella elektronstråleinducerade strömmätningar genom att använda lågenergistrålar för att lokalt excitera CdTe och skapa ström. Dessa strålar har en rumslig upplösning på cirka 20 nm, tillräckligt liten för att kartlägga fotoströmsvaret inuti korninteriörerna eller vid korngränserna.
Mätningarna utfördes på fragment extraherade från en kommersiell tunnfilmssolcell. Elektriska kontakter i nanoskala förbereddes med storlekar jämförbara med en enda eller några få korn, begränsa den nuvarande vägen till storlekar som är relevanta för att förstå nuvarande produktion och förlust.
Mätningarna visar att en stor del av korngränserna uppvisar högre strömupptagning än korninteriörerna, till synes förbättrar enhetens prestanda. Dock, med hjälp av 2D -begränsade elementsimuleringar, forskarna visade att dessa korngränser också skapar en stor väg för läckström, vilket fullständigt förnekar effektivitetsvinsterna från den förbättrade fotoströmssamlingen.
Forskarna tror att deras teknik ger ett värdefullt verktyg för att visualisera beteendet hos fotovoltaiska celler i de längdskalor som behövs för att förstå både förlustmekanismer inom solcellsmaterial såväl som interna strukturer inom dessa material som kan leda till högre övergripande celleffektivitet.
