Solceller gjorda av kristallint kisel uppnår maximal effektivitet, speciellt i kombination med selektiva kontakter gjorda av amorft kisel (a-Si:H). Dock, deras effektivitet begränsas av förluster i dessa kontaktskikt. Nu, för första gången, ett team vid Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) och University of Utah, USA, har experimentellt visat hur sådana kontaktlager genererar förlustströmmar på nanometerskalan och vad deras fysiska ursprung är.

Silikonsolceller är nu så billiga och effektiva att de kan generera el till priser på mindre än 2 cent/kWh. De mest effektiva kiselsolcellerna idag är tillverkade med mindre än 10 nanometer tunna selektiva amorft kisel (a-Si:H) kontaktlager, som är ansvariga för att separera de ljusgenererade laddningarna. Verkningsgrader på över 24 % uppnås vid HZB med sådana heterojunction-solceller av kisel och är också en del av en tandemsolcell som leder till ett nyligen rapporterat effektivitetsrekord på 29,15 % (A. Al-Ashouri, et al. Vetenskap 370, (2020)). Det nuvarande världsrekordet från Japan för en solcell av kisel med en enda korsning är också baserat på denna heterokontakt (26,6 %:K. Yoshikawa, et al. Naturenergi 2, (2017)).

Det finns fortfarande en betydande effektivitetspotential relaterad till sådana heterokontaktsystem, dock, det är ännu inte förstått i detalj hur dessa lager möjliggör separation av laddningsbärare och vilka deras nanoskopiska förlustmekanismer är. a-Si:H-kontaktskikten kännetecknas av sin inneboende störning, som å ena sidan möjliggör utmärkt beläggning av kiselytan och därmed minimerar antalet gränssnittsdefekter, men har å andra sidan också en liten nackdel:det kan leda till lokala rekombinationsströmmar och till bildandet av transportbarriärer.

För första gången, ett team vid HZB och University of Utah har experimentellt mätt på atomnivå hur sådana läckströmmar bildas mellan c-Si och a-Si:H, och hur de påverkar solcellens prestanda. I en gemensam ansträngning, ett team ledd av professor Christoph Boehme vid University of Utah, och av Prof. Dr. Klaus Lips vid HZB, de kunde lösa förlustmekanismen vid gränssnittet för den ovan nämnda kiselheterokontakten på nanometerskala med hjälp av ultrahögvakuum konduktiv atomkraftsmikroskopi (cAFM).

Fysikerna kunde med nära atomär upplösning bestämma var läckströmmen penetrerar den selektiva a-Si:H-kontakten och skapar en förlustprocess i solcellen. I cAFM visas dessa förlustströmmar som nanometerstora strömkanaler och är fingeravtrycket av defekter som är associerade med störningen i det amorfa kiselnätverket. "Dessa defekter fungerar som språngbrädor för laddningar för att penetrera den selektiva kontakten och inducera rekombination, vi hänvisar till detta" som fällassisterad kvantmekanisk tunnling", förklarar Lips. "Detta är första gången som sådana tillstånd har gjorts synliga i a-Si:H och att vi kunde reda ut förlustmekanismen under arbetsförhållanden för en solcell av högsta kvalitet, " rapporterar fysikern entusiastiskt.

Utah/Berlin-teamet kunde också visa att den kanaliserade mörka strömmen fluktuerar stokastiskt över tiden. Resultaten indikerar att en kortvarig strömblockad är närvarande, som orsakas av lokal laddning som är fångad i närliggande defekter som ändrar den energiska positioneringen av tunnlingstillstånden (stegstenar). Denna instängda laddning kan också få den lokala fotospänningen vid en strömkanal att stiga till över 1V, vilket är långt över vad man skulle kunna använda med en makroskopisk kontakt. "Vid den här övergången från nano- till makrovärlden hittar vi den spännande fysiken med heterojunctions och nyckeln till hur man ytterligare kan förbättra effektiviteten hos kiselsolceller på ett ännu mer riktat sätt, " säger Dr Bernd Stannowski, som ansvarar för utvecklingen av industriella heterojunctionsolceller av kisel vid HZB.