Gli scienziati dell'HZB hanno costruito un nuovo tipo di camera sperimentale, che consente l'analisi della formazione del film di calcopirite policristallina durante la coevaporazione quando esposto alla luce di sincrotrone presso BESSY I. Credito:Figura:R. Mainz/HZB
(Phys.org) — Per la prima volta, un team di ricercatori dell'HZB guidato dal Dr. Roland Mainz e dal Dr. Christian Kaufmann è riuscito a osservare in tempo reale la crescita di celle solari a film sottile di calcopirite ad alta efficienza e a studiare la formazione e la degradazione dei difetti che compromettono l'efficienza.
A tal fine, gli scienziati hanno allestito una nuova camera di misurazione presso l'anello di stoccaggio degli elettroni di Berlino BESSY II, che consente loro di combinare diversi tipi di tecniche di misurazione. I loro risultati mostrano durante quali fasi del processo la crescita può essere accelerata e quando è necessario più tempo per ridurre i difetti. Il loro lavoro è stato ora pubblicato online in Materiali energetici avanzati .
Le odierne celle a film sottile di calcopirite basate su seleniuro di gallio indio rame stanno già raggiungendo efficienze superiori al 20 percento. Per la fabbricazione degli strati policristallini estremamente sottili, il processo di coevaporazione ha portato finora ai migliori risultati:durante la coevaporazione, due elementi separati vengono evaporati contemporaneamente, primo indio (o gallio) e selenio, poi rame e selenio, e, finalmente, indio (o gallio) e ancora selenio. Per di qua, si forma una sottile pellicola di cristalli, che presentano solo un piccolo numero di difetti. "Fino a poco tempo fa, non abbiamo compreso appieno cosa accade esattamente durante questo processo di coevaporazione, " afferma il dottor Roland Mainz dell'Istituto di tecnologia dell'HZB. Il team di fisici ha lavorato per tre anni utilizzando misurazioni in loco e in tempo reale per trovare una risposta a questa domanda.
Questa è la crescita del film policristallino durante la coevaporazione in tempo reale utilizzando la diffrazione a raggi X in situ e l'analisi della fluorescenza. Credito:Figura:R. Mainz/C.Kaufmann/HZB
Nuova camera sperimentale costruita
Per queste misurazioni hanno costruito un nuovo tipo di camera sperimentale, che consente un'analisi della formazione del film di calcopirite policristallina durante la coevaporazione quando esposto alla luce di sincrotrone a BESSY II. Oltre alle fonti di evaporazione degli elementi, questa camera a vuoto contiene elementi di riscaldamento e raffreddamento per controllare il processo evaporativo. Secondo Magonza, "una delle sfide principali è stata la regolazione della camera, che pesa circa 250 chilogrammi, con una precisione di 10 micrometri." A causa dell'espansione termica durante l'evaporazione, l'altezza deve essere regolata automaticamente ogni pochi secondi.
Combinazione di diffrazione di raggi X e analisi di fluorescenza
Con questa configurazione, per la prima volta in tutto il mondo sono stati in grado di osservare la crescita del film policristallino utilizzando la diffrazione dei raggi X in situ e l'analisi della fluorescenza durante la coevaporazione in tempo reale. "Ora siamo in grado di vedere come si formano e trasformano le fasi cristalline e quando si formano i difetti durante le diverse fasi di evaporazione. "Ma siamo anche in grado di dire quando questi difetti scompaiono di nuovo". Questo avviene nella seconda fase del processo, quando il rame e il selenio sono evaporati. Eccesso di rame, che si deposita in superficie sotto forma di seleniuro di rame aiuta a rimuovere i difetti. "Questo era già noto prima da esperimenti precedenti. Ma ora, utilizzando segnali di fluorescenza e calcoli di modelli numerici, siamo in grado di mostrare come il seleniuro di rame penetra nello strato di seleniuro di rame indio, " Mainz spiega. Qui sono diventate evidenti differenze nette tra gli strati di seleniuro di rame-indio e di seleniuro di rame e gallio:mentre il rame è in grado di penetrare nello strato di rame-indio-seleniuro, nel caso del seleniuro di rame-gallio, che altrimenti è abbastanza simile, rimane in superficie. Questa potrebbe essere una possibile ragione per cui l'uso del seleniuro di gallio e rame puro non produce celle solari ad alta efficienza.
Passi concreti per l'ottimizzazione
"Ora sappiamo che per un'ulteriore ottimizzazione del processo è importante concentrarsi sul punto di transizione nella fase ricca di rame. Fino ad ora il processo è stato eseguito molto lentamente in tutte le fasi per dare ai difetti abbastanza tempo per scomparire. I nostri risultati suggeriscono che il processo può essere accelerato in alcune fasi e che è sufficiente rallentarlo solo nei punti in cui i difetti vengono eliminati efficacemente, " spiega Mainz. Mainz è già in attesa del futuro progetto EMIL, che è attualmente in fase di allestimento presso BESSY II. Qui saranno disponibili strumenti ancora più potenti per lo studio di processi complessi durante la crescita di nuovi tipi di celle solari in situ e in tempo reale.