CIGSe solceller är gjorda av ett tunt kalkopyritskikt bestående av koppar, indium, gallium och selen och kan uppnå hög effektivitet. Eftersom indium blir knappt och dyrt, det är intressant att minska det aktiva CIGSe -lagret, vilket dock minskar effektiviteten ganska kraftigt. Nu, forskare vid Helmholtz-Zentrum Berlin har producerat högkvalitativa ultratunna CIGSe-lager och ökat deras effektivitet med en rad små nanopartiklar mellan ryggkontakten och det aktiva skiktet.

Nanopartiklar med storlekar i storleksordningen för en våglängd interagerar med ljus på specifika sätt. En ung utredargrupp vid Helmholtz-Zentrum Berlin, ledd av professor Martina Schmid, frågar hur man använder arrangemang av sådana nanopartiklar för att förbättra solceller och andra opto-elektroniska enheter. Nu rapporterar forskarna in ACS Nano en stor framgång med ultratunna CIGSe -solceller.

Problem lägger till under 1 mikrometer

CIGSe solceller har bevisat hög effektivitet och är etablerade tunnfilmsenheter med aktiva lager med några mikrometer tjocklek. Men eftersom Indium är ett sällsynt element, det aktiva lagret ska vara så tunt som möjligt. Detta minskar effektiviteten, eftersom mindre ljus absorberas. Och om det aktiva lagret är tunnare än en mikrometer, ett ytterligare problem uppstår:fler och fler laddningsbärare möts och rekombineras vid bakkontakten, gå vilse".

Ultratunna CIGSe -celler med effektivitet på 11,1%

"Det tog mig mer än ett år att kunna producera ultratunna lager på endast 0,46 mikrometer eller 460 nanometer som fortfarande uppnår rimliga effektiviteter upp till 11,1 %, "Guanchao Yin säger om sitt doktorandprojekt. Sedan började han fråga hur man implementerar nanopartiklar mellan olika lager av solcellen. Hans handledare Martina Schmid diskuterade detta med professor Albert Polman, en av pionjärerna inom området nanofotonik, på Center for Nanooptics, Amsterdam, som hon hade kontakt med ett tag redan. De föreslog att producera matriser av dielektriska nanopartiklar genom nanoimprinting -teknik.

Ingen stor effekt av nanopartiklar ovanpå

I ett första steg, kollegorna i Amsterdam implementerade ett mönster av dielektriska TiO2-nanopartiklar ovanpå Yins ultratunna solceller; tanken var att de skulle fungera som ljusfällor och öka absorptionen i CIGSe -lagret. Men detta ökade inte effektiviteten så mycket som visat sig i Si-baserade solceller. Yin fortsatte sedan med att testa och fick slutligen reda på vad som fungerade bäst:en nanopartikelmassa inte ovanpå utan vid cellens bakre kontakt!

Nanopartiklar vid ryggkontakten:effektiviteten ökar till 12,3%

Kollegorna från Amsterdam producerade en rad SiO2 -nanopartiklar, direkt på Molybden -substratet som motsvarar solcellens bakkontakt. Ovanpå detta strukturerade substrat odlades det ultratunna CIGSe -skiktet av Yin, och därefter alla andra lager och kontakter som behövs för solcellen. Med denna konfiguration, effektiviteten ökade från 11,1 % till 12,3 %, och kortslutningsströmtätheten för de ultratunna CIGSe -cellerna ökade med mer än 2 mA/cm2. Med ytterligare antireflekterande nanopartiklar på framsidan ökade effektiviteten till 13,1%.

Lätt fångst och förhindrande av förlust av laddningsbärare

"Detta leder till effektiv ljusinfångning och försämrar inte cellen, "Yin förklarar. Ytterligare studier tyder på att nanoarrayen av dielektriska SiO2 -nanopartiklar på baksidan också kan öka effektiviteten genom att minska chanserna för rekombination av laddningsbärare." Detta arbete är bara en början, vi har nu nya idéer för ytterligare konstruktioner för att förbättra absorption och minska rekombination, vilket ökar effektiviteten genom att använda sig av optiska och elektriska fördelar med nanopartiklarna, "Säger Martina Schmid.