Nästa generations solceller gjorda av supertunna filmer av halvledande material håller löften eftersom de är relativt billiga och flexibla nog att appliceras nästan var som helst.

Forskare arbetar för att dramatiskt öka effektiviteten vid vilken tunnfilms solceller omvandlar solljus till elektricitet. Men det är en tuff utmaning, dels för att en solcells underjordiska område-där mycket av energiomvandlingsåtgärden sker-är otillgängligt för realtid, icke -destruktiv avbildning. Det är svårt att förbättra processer som du inte kan se.

Nu, forskare från Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat ett sätt att använda optisk mikroskopi för att kartlägga tunnfilms solceller i 3D när de absorberar fotoner.

Metoden, rapporterade 15 november i tidningen Avancerade material , utvecklades på Molecular Foundry, en användaranläggning för DOE Office of Science på Berkeley Lab. Den avbildar optoelektronisk dynamik i material i mikronskala, eller mycket tunnare än diametern på ett människohår. Detta är tillräckligt litet för att se individuella spannmålsgränser, substratgränssnitt, och andra inre hinder som kan fånga upphetsade elektroner och hindra dem från att nå en elektrod, som förstör en solcells effektivitet.

Än så länge, forskare har använt tekniken för att bättre förstå varför tillförsel av en specifik kemikalie till solceller av kadmiumtellurid (CdTe)-det vanligaste tunnfilmsmaterialet-förbättrar solcellernas prestanda.

"För att göra stora vinster i solcellseffektivitet, vi måste se vad som händer i ett fungerande fotovoltaiskt material i mikronskala, både på ytan och under, och vårt nya tillvägagångssätt låter oss göra det, säger Edward Barnard, en viktig vetenskaplig ingenjörsassistent vid Molecular Foundry. Han ledde ansträngningen med James Schuck, chef för anläggningen Imaging and Manipulation of Nanostructures på Molecular Foundry.

Bildmetoden är född ur ett samarbete mellan forskare från Molecular Foundry och Foundry -användare från PLANT PV Inc., en Alameda, Kalifornienbaserat företag. Medan vi tillverkade nya solcellsmaterial på Molecular Foundry, teamet fann att standardoptiska tekniker inte kunde avbilda materialets inre funktion, så de utvecklade den nya tekniken för att få denna uppfattning. Nästa, forskare från National Renewable Energy Laboratory kom till Molecular Foundry och använde den nya metoden för att studera CdTe -solceller.

För att utveckla tillvägagångssättet, forskarna modifierade en teknik som kallas tvåfotonmikroskopi (som används av biologer för att se inuti tjocka prover som levande vävnad) så att den kan appliceras på halvledarmaterial i bulk.

Metoden använder en mycket fokuserad laserstråle av infraröda fotoner som tränger in i det fotovoltaiska materialet. När två lågenergifotoner konvergerar vid samma punkt, det finns tillräckligt med energi för att excitera elektroner. Dessa elektroner kan spåras för att se hur länge de håller i sitt upphetsade tillstånd, med elektroner med lång livslängd som visas som ljuspunkter i mikroskopibilder. I en solcell, elektroner med lång livslängd är mer benägna att nå en elektrod.

Dessutom, laserstrålen kan systematiskt omplaceras genom en solcell med teststorlek, skapa en 3D-karta över en solcells hela optoelektroniska dynamik.

Metoden har redan belyst fördelarna med att behandla CdTe -solceller med kadmiumklorid, som ofta läggs till under tillverkningsprocessen.

Forskare vet att kadmiumklorid förbättrar effektiviteten hos CdTe -solceller, men dess effekt på exciterade elektroner i mikronskalan är inte väl förstådd. Studier har visat att klorjonerna tenderar att hopa sig vid korngränser, men hur detta förändrar livslängden för upphetsade elektroner är oklart.

Tack vare den nya bildtekniken, forskarna upptäckte att kadmiumkloridbehandlingen ökar livslängden för upphetsade elektroner vid spannmålsgränserna, liksom inom själva kornen. Detta syns lätt på 3D-bilder av CdTe-solceller med och utan behandling. Den behandlade solcellen "lyser upp" mycket mer enhetligt i hela materialet, både i kornen och mellanrummen däremellan.

"Forskare har vetat att kadmiumkloridpassivering förbättrar elektronernas livstid i CdTe -celler, men nu har vi kartlagt i mikronskalan där denna förbättring sker, säger Barnard.

Den nya bildtekniken kan hjälpa forskare att fatta mer välgrundade beslut om att förbättra en mängd tunnfilms solcellsmaterial utöver CdTe, såsom perovskit och organiska föreningar.

"Forskare som försöker öka solcellseffektiviteten kan använda vår teknik för att se om deras strategier fungerar i mikroskala, vilket hjälper dem att designa bättre solceller i testskala-och så småningom fullstora solceller för hustak och andra verkliga applikationer, " han säger.