Тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния считаются многообещающей альтернативой солнечным элементам на основе высокоочищенных кремниевых пластин, которые доминируют в производстве фотоэлектрической энергии. Основным преимуществом тонкопленочных фотоэлектрических элементов из аморфного кремния, в которых стеклянная подложка покрыта легким активным материалом толщиной менее одной тысячной миллиметра, является то, 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 электричество. Из-за неупорядоченной природы аморфного кремния солнечные элементы подвержены эффекту Стаблера-Вронски, который снижает эффективность солнечного элемента 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 вызывает дефекты в аморфной сетке, поэтому этот эффект не наблюдается в солнечных элементах с кристаллической пластиной. «Однако, где в материале образуются дефекты и играют ли во всем этом пустоты наноразмерного размера, не было понятно — то есть до сих пор», — говорит Маттиас Фер из Института кремниевой фотовольтаики, представитель HZB. Фер вместе со своими коллегами по HZB, учеными из Исследовательского центра Юлиха и Свободного университета Берлина сделали большие шаги к разгадке этой тайны.
Поскольку образующиеся дефекты проявляют парамагнитные свойства, они имеют характерный магнитный отпечаток, который зависит от микроскопического окружения. Берлинские исследователи смогли идентифицировать этот отпечаток пальца с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и электронного спинового эха (ЭСЭ). С помощью этих высокочувствительных методов они определили, что дефекты в аморфном кремнии на самом деле бывают двух типов: равномерно распределенные и сосредоточенные в кластерах на внутренних поверхностях небольших пустот, известных в научных кругах как микропустоты. которые образуются внутри материала в процессе производства солнечных элементов. «Мы предполагаем, что скопления дефектов образуются на внутренних стенках микропустот, которые имеют диаметр всего от одного до двух нанометров», — объясняет физик HZB Фер. «Наши результаты, кажется, предполагают, что микропустоты, скорее всего, способствуют индуцированной светом деградации тонкопленочных солнечных элементов из аморфного кремния. Для нас это был шаг вперед к лучшему пониманию микроскопического механизма деградации, индуцированной светом», — говорит Фер, который В 2013 году провел год, проводя исследования в США в качестве стипендиата Федора Линена из Фонда Александра Гумбольдта.
Новая серия экспериментов была разработана, чтобы позволить берлинским исследователям глубже проникнуть в суть атомных и электронных процессов эффекта Стаблера-Вронски, названного в честь двух ученых, которые первыми его открыли.Работа является частью сети EPR-Solar, финансируемой Федеральным министерством образования и исследований Германии и Берлинской совместной лабораторией EPR HZB и FUB. По словам руководителя проекта профессора доктора Клауса Липса, «это один из основных проектов одного из новейших исследовательских отделов HZB, который в настоящее время находится на стадии основания и чья миссия — фундаментальное физическое описание энергетических материалов. с целью внести важный вклад в энергетический переход ».