Le celle solari di nuova generazione realizzate con pellicole supersottili di materiale semiconduttore sono promettenti perché sono relativamente poco costose e abbastanza flessibili da essere applicate praticamente ovunque.

I ricercatori stanno lavorando per aumentare notevolmente l'efficienza con cui le celle solari a film sottile convertono la luce solare in elettricità. Ma è una sfida difficile, in parte perché il regno sotto la superficie di una cella solare, dove avviene gran parte dell'azione di conversione dell'energia, è inaccessibile al tempo reale, imaging non distruttivo. È difficile migliorare i processi che non puoi vedere.

Ora, gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno sviluppato un modo per utilizzare la microscopia ottica per mappare le celle solari a film sottile in 3-D mentre assorbono i fotoni.

Il metodo, riportato il 15 novembre sulla rivista Materiale avanzato , è stato sviluppato presso la Fonderia Molecolare, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE situata presso il Berkeley Lab. Rappresenta la dinamica optoelettronica nei materiali su scala micron, o molto più sottile del diametro di un capello umano. Questo è abbastanza piccolo da vedere i confini dei singoli grani, interfacce di substrato, e altri ostacoli interni che possono intrappolare gli elettroni eccitati e impedire loro di raggiungere un elettrodo, che indebolisce l'efficienza di una cella solare.

Finora, gli scienziati hanno utilizzato la tecnica per capire meglio perché l'aggiunta di una sostanza chimica specifica alle celle solari fatte di tellururo di cadmio (CdTe), il materiale a film sottile più comune, migliora le prestazioni delle celle solari.

"Per ottenere grandi guadagni di efficienza fotovoltaica, dobbiamo vedere cosa sta succedendo in un materiale fotovoltaico funzionante su scala micron, sia in superficie che sotto, e il nostro nuovo approccio ci permette di farlo, "dice Edward Barnard, uno dei principali associati di ingegneria scientifica presso la Fonderia Molecolare. Ha guidato lo sforzo con James Schuck, il direttore della struttura di Imaging and Manipulation of Nanostructures presso la Molecular Foundry.

Il metodo di imaging nasce da una collaborazione tra scienziati di Molecular Foundry e utenti Foundry di PLANT PV Inc., un Alameda, Azienda con sede in California. Durante la fabbricazione di nuovi materiali per celle solari presso la Molecular Foundry, il team ha scoperto che le tecniche ottiche standard non potevano immaginare i meccanismi interni dei materiali, così hanno sviluppato la nuova tecnica per ottenere questa vista. Prossimo, scienziati del National Renewable Energy Laboratory sono venuti alla Molecular Foundry e hanno utilizzato il nuovo metodo per studiare le celle solari CdTe.

Per sviluppare l'approccio, gli scienziati hanno modificato una tecnica chiamata microscopia a due fotoni (utilizzata dai biologi per vedere all'interno di campioni spessi come i tessuti viventi) in modo che possa essere applicata a materiali semiconduttori sfusi.

Il metodo utilizza un raggio laser altamente focalizzato di fotoni infrarossi che penetrano all'interno del materiale fotovoltaico. Quando due fotoni di bassa energia convergono nello stesso punto, c'è abbastanza energia per eccitare gli elettroni. Questi elettroni possono essere tracciati per vedere quanto tempo durano nel loro stato eccitato, con elettroni di lunga durata che appaiono come punti luminosi nelle immagini al microscopio. In una cella solare, gli elettroni di lunga durata hanno maggiori probabilità di raggiungere un elettrodo.

Inoltre, il raggio laser può essere sistematicamente riposizionato in una cella solare di dimensioni di prova, creazione di una mappa 3D dell'intera dinamica optoelettronica di una cella solare.

Il metodo ha già fatto luce sui vantaggi del trattamento delle celle solari CdTe con cloruro di cadmio, che viene spesso aggiunto durante il processo di fabbricazione.

Gli scienziati sanno che il cloruro di cadmio migliora l'efficienza delle celle solari CdTe, ma il suo effetto sugli elettroni eccitati su scala micron non è ben compreso. Gli studi hanno dimostrato che gli ioni cloro tendono ad accumularsi ai bordi dei grani, ma come questo cambia la vita degli elettroni eccitati non è chiaro.

Grazie alla nuova tecnica di imaging, i ricercatori hanno scoperto che il trattamento con cloruro di cadmio aumenta la durata degli elettroni eccitati ai bordi dei grani, così come all'interno dei grani stessi. Questo è facilmente visibile nelle immagini 3D delle celle solari CdTe con e senza il trattamento. La cella solare trattata "si illumina" in modo molto più uniforme in tutto il materiale, sia nei grani che negli spazi intermedi.

"Gli scienziati sanno che la passivazione con cloruro di cadmio migliora la durata degli elettroni nelle celle CdTe, ma ora abbiamo mappato su scala micron dove si verifica questo miglioramento, "dice Barnard.

La nuova tecnica di imaging potrebbe aiutare gli scienziati a prendere decisioni più informate sul miglioramento di una serie di materiali per celle solari a film sottile oltre al CdTe, come perovskite e composti organici.

"I ricercatori che cercano di spingere l'efficienza fotovoltaica potrebbero usare la nostra tecnica per vedere se le loro strategie funzionano su microscala, che li aiuterà a progettare migliori celle solari su scala di prova e infine celle solari a grandezza naturale per tetti e altre applicazioni del mondo reale, " lui dice.