Исследователи из Центра Гельмгольца в Берлине (HZB) сделали шаг вперед к более глубокому пониманию нежелательного эффекта в тонкопленочных солнечных элементах на основе аморфного кремния, который озадачивал научное сообщество в течение последних 40 лет. Исследователи смогли продемонстрировать, что крошечные пустоты в кремниевой сети частично ответственны за снижение эффективности солнечных элементов примерно на 10-15 процентов, как только вы начинаете их использовать..
Тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния считаются многообещающей альтернативой солнечным элементам на основе высокоочищенных кремниевых пластин, которые доминировали в фотоэлектрической энергетике. Основное преимущество тонкопленочных фотоэлектрических элементов из аморфного кремния, в которых стеклянная подложка покрыта светоактивным материалом толщиной менее одной тысячной миллиметра, заключается в том, что изготовление элемента значительно проще и намного дешевле, чем в случае обычного кристаллического кремния. солнечные батареи. С другой стороны, потенциальным недостатком является низкая эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую. Из-за неупорядоченной природы аморфного кремния солнечные элементы подвержены эффекту Стеблера-Вронски, который снижает эффективность солнечных элементов до 15 процентов в течение первых 1000 часов..
Этот нежелательный эффект вызывается внутренней аннигиляцией - известной в физике как рекомбинация - заряда, который не был извлечен из солнечного элемента. Высвобождаемая энергия рекомбинации индуцирует дефекты в аморфной сетке, поэтому этот эффект не наблюдается в кристаллических пластинчатых солнечных элементах. «Однако, где возникают дефекты в материале и играют ли во всем этом роль пустоты наноразмера, не было понятно - до сих пор, то есть», - говорит Матиас Фер из HZB из Института кремниевой фотоэлектричества. Фер вместе со своими коллегами из HZB, учеными из Юлихского исследовательского центра и Свободного университета Берлина добился значительных успехов в разгадке этой тайны.
Поскольку образующиеся дефекты проявляют парамагнитные свойства, они имеют характерный магнитный отпечаток, который зависит от их микроскопического окружения. Берлинские исследователи смогли идентифицировать этот отпечаток пальца с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и экспериментов с электронным спиновым эхом (ЭСЭ). С помощью этих высокочувствительных методов они определили, что дефекты в аморфном кремнии на самом деле бывают двух типов: те, которые распределены равномерно, и те, которые сосредоточены в кластерах на внутренних поверхностях небольших пустот, известных в научных кругах как микропустоты, которые образуют внутри материала в процессе производства солнечных элементов. «Наше предположение состоит в том, что скопления дефектов образуются на внутренних стенках микропустот, диаметр которых составляет всего один-два нанометра», - объясняет физик HZB Фер.«Наши результаты позволяют предположить, что микропоры, скорее всего, способствуют индуцированной светом деградации тонкопленочных солнечных элементов из аморфного кремния. Для нас это был скачок вперед к лучшему пониманию микроскопического механизма фотодеградации», - говорит Фер., в 2013 году провел год, проводя исследования в США в качестве стипендиата Феодора Линена Фонда Александра Гумбольдта. Новая серия экспериментов была разработана, чтобы позволить берлинским исследователям лучше понять атомные и электронные процессы эффекта Штеблера-Вронского, названного в честь двух ученых, которые первыми открыли его.
Работа является частью сети EPR-Solar, финансируемой Федеральным министерством образования и исследований Германии, а также Берлинской объединенной лабораторией EPR HZB и FUB. По словам руководителя проекта, профессора доктора Клауса Липса, «это один из крупных проектов одного из новейших исследовательских отделов HZB, который в настоящее время находится на стадии основания и чьей миссией является фундаментальная физическая характеристика энергетических материалов. с целью внести важный вклад в энергетический переход."