(Phys.org) – För första gången, ett team av forskare vid HZB under ledning av Dr. Roland Mainz och Dr. Christian Kaufmann har lyckats observera tillväxten av högeffektiva tunnfilmssolceller av kalkopirit i realtid och att studera bildandet och nedbrytningen av defekter som äventyrar effektiviteten.

För detta ändamål, forskarna satte upp en ny mätkammare vid Berlins elektronlagringsring BESSY II, vilket gör att de kan kombinera flera olika typer av mättekniker. Deras resultat visar under vilka processsteg tillväxten kan påskyndas och när ytterligare tid krävs för att minska defekter. Deras arbete har nu publicerats online i Avancerade energimaterial .

Dagens tunnfilmsceller av kalkopirit baserade på kopparindiumgalliumselenid når redan effektivitetsvinster på mer än 20 procent. För tillverkning av de extremt tunna polykristallina skikten, processen med samförångning har lett till de bästa resultaten hittills:Under samförångning, två separata element förångas samtidigt, första indium (eller gallium) och selen, sedan koppar och selen, och, till sist, indium (eller gallium) och selen igen. Den här vägen, en tunn film av kristaller bildas, som endast uppvisar ett litet antal defekter. "Tills nyligen, vi förstod inte helt exakt vad som händer under denna samförångningsprocess, " säger Dr. Roland Mainz från HZB:s Institute of Technology. Teamet av fysiker arbetade i tre år med hjälp av mätningar på plats och i realtid för att hitta ett svar på denna fråga.

Ny experimentkammare konstruerad

För dessa mätningar konstruerade de en ny typ av experimentkammare, vilket möjliggör en analys av polykristallin kopparpyritfilmbildning under samförångning när den exponeras för synkrotronljus vid BESSY II. Förutom förångningskällorna för elementen, denna vakuumkammare innehåller värme- och kylelement för att styra förångningsprocessen. Enligt Mainz, "en av de största utmaningarna var att justera kammaren, som väger cirka 250 kg, med en noggrannhet på 10 mikrometer." På grund av termisk expansion under avdunstning, höjden måste justeras automatiskt med några sekunders mellanrum.

Kombination av röntgendiffraktion och fluorescensanalys

Med denna inställning, för första gången över hela världen kunde de observera polykristallin filmtillväxt med hjälp av in situ röntgendiffraktion och fluorescensanalys under samförångning i realtid. "Vi kan nu se hur kristallina faser bildas och transformeras och när defekter bildas under de olika stadierna av avdunstning. "Men vi kan också säga när dessa defekter försvinner igen." Detta sker i det andra processsteget, när koppar och selen förångas. Överskott av koppar, som avlagringar vid ytan i form av kopparselenid hjälper till att ta bort defekter. "Detta var redan känt tidigare från tidigare experiment. Men nu, använda fluorescenssignaler och numeriska modellberäkningar, vi kan visa hur kopparselenid penetrerar kopparindiumselenidskiktet, Mainz förklarar. Här blev tydliga skillnader mellan kopparindiumselenid- och koppargalliumselenidskikt uppenbara:Även om koppar kan penetrera koppar-indium-selenidskiktet, i fallet med koppar-gallium-selenid, som annars är ganska lika, den ligger kvar på ytan. Detta kan vara en möjlig orsak till varför användningen av ren koppargalliumselenid inte ger högeffektiva solceller.

Konkreta steg för optimering

"Vi vet nu att för ytterligare optimering av processen är det viktigt att koncentrera sig på övergångspunkten till den kopparrika fasen. Hittills har processen utförts mycket långsamt genom alla stadier för att ge defekter tillräckligt med tid att försvinna. Våra resultat tyder på att processen kan påskyndas i vissa skeden och att det är tillräckligt att sakta ner den endast vid punkter där defekter effektivt elimineras, " förklarar Mainz. Mainz ser redan fram emot framtida projekt EMIL, som för närvarande upprättas på BESSY II. Här kommer ännu mer kraftfulla verktyg att bli tillgängliga för att studera komplexa processer under tillväxt av nya typer av solceller på plats och i realtid.