Effektiviteten hos solceller kan ökas genom tunnfilmskontakter utvecklade av forskare vid KAUST.

Att förbättra prestandan hos solceller kräver att man granskar varje aspekt av deras design. Först, detta innebär att förbättra den kristallina kvaliteten hos det absorberande materialet för att maximera omvandlingen av fotoner till negativt laddade elektroner och positivt laddade hål. Nästa, enhetens arkitektur måste optimeras för att säkerställa att dessa laddningsbärare kan röra sig effektivt genom materialet. Till sist, de elektriska kontakterna som drar ut bärarna från enheten och in i en extern krets måste fulländas.

Xinbo Yang och hans kollegor från KAUST Solar Center och KAUST Core Lab, tillsammans med kollegor från Australian National University, fokusera på detta tredje steg genom att utveckla elektronselektiva tantal-nitrid tunnfilmskontakter för kiselsolceller.

Gränssnittet mellan en kisel- och en metallkontakt kan skapa en högresistansbarriär som stör strömflödet. Dessutom, de metallinducerade elektroniska tillstånden vid kiselytan gör det möjligt för laddningsbäraren att rekombinera, vilket minskar konverteringseffektiviteten. Traditionellt, högkostnadsprocesser, såsom diffusion och kemisk ångavsättning av ytterligare skikt antogs för att minska kontaktmotståndet och bärarrekombinationen.

Yang och teamet bekämpar dessa problem genom att placera tantalnitrid på kisel med en metod som kallas atomskiktsdeposition:de gör detta genom att utsätta ytan för en gas, vilket gör att en tunn film av hög kvalitet bygger upp en atom i taget.

"Elektronselektiva tantal-nitridkontakter kan samtidigt minska laddningsbärarens rekombination och kontaktresistans, " förklarar Yang. "Detta kan förenkla komplexiteten i att tillverka enheten och sänka produktionskostnaden."

Genom att experimentellt undersöka de elektriska egenskaperna hos gränssnittet mellan tantalnitrid och kisel, forskarna visade att mellanskiktet av tantalnitrid kunde minska kontaktmotståndet mot flödet av elektroner från kisel- och metallkontakter gjorda av silver eller aluminium. Men, det blockerade samtidigt flödet av hål, reducering av bärarrekombinationen.

Teamet skapade en kiselsolcell som använde en elektronselektiv tantal-nitrid-metallkontakt. De visade att detta förbättrade effektomvandlingseffektiviteten – förhållandet mellan elektrisk effekt ut och optisk effekt in – med mer än 20 procent jämfört med en kontrollenhet byggd utan tantalnitrid. De fann också att det förenklade enhetens tillverkningssekvens, och kostnad, genom att eliminera dopning och kontaktöppningsprocesser.

"Vi undersöker också den potentiella tillämpningen av tantalnitrid-elektrontransportskikt för organiska och perovskitsolceller, " förklara KAUST-forskaren och huvudforskaren, Stefan De Wolf.