Corrente indotta da fascio di elettroni (rosso) sovrapposta a un microscopio elettronico a scansione (grigio). Il contrasto luminoso in prossimità dei bordi dei grani indica che queste regioni hanno una maggiore efficienza di raccolta del vettore rispetto agli interni dei grani. L'uso della corrente indotta da fasci di elettroni per visualizzare il comportamento delle celle fotovoltaiche su queste scale di lunghezza fornisce uno strumento prezioso per comprendere sia i meccanismi di perdita all'interno dei materiali fotovoltaici sia le strutture interne all'interno di questi materiali che possono portare a maggiori efficienze complessive delle celle.
(Phys.org) — I ricercatori del NIST Center for Nanoscale Science and Technology (CNST) hanno dimostrato una nuova tecnica del fascio di elettroni a bassa energia e l'hanno usata per sondare le proprietà elettroniche su nanoscala dei bordi e degli interni dei grani nel tellururo di cadmio (CdTe) solare cellule. I loro risultati suggeriscono che il controllo delle proprietà dei materiali vicino ai bordi dei grani potrebbe fornire un percorso per aumentare l'efficienza di tali celle solari.
Tra le celle solari fotovoltaiche a film sottile, quelli a base di tellururo di cadmio sono tra i più riusciti sul mercato. Però, l'efficienza delle celle commerciali è ancora inferiore alla metà del massimo teorico, e i meccanismi alla base della carenza non sono ben compresi. Si ritiene che le cellule CdTe perdano corrente ai bordi dei grani materiali; però, è stato anche suggerito che questi bordi di grano abbiano proprietà che potrebbero effettivamente migliorare la raccolta dei portatori se fossero meglio compresi.
Le tecniche di caratterizzazione che utilizzano fasci di elettroni focalizzati per indurre correnti sono sempre più utilizzate per studiare le proprietà delle celle solari a film sottile. Le misurazioni sono più facili utilizzando elettroni ad alta energia, ma la maggiore energia riduce la risoluzione spaziale. I ricercatori hanno esteso le tradizionali misurazioni della corrente indotta dal fascio di elettroni utilizzando fasci a bassa energia per eccitare localmente il CdTe e creare corrente. Questi fasci hanno una risoluzione spaziale di circa 20 nm, abbastanza piccolo da mappare la risposta fotocorrente all'interno degli interni del grano o ai bordi del grano.
Le misurazioni sono state eseguite su frammenti estratti da una cella solare a film sottile commerciale. Sono stati preparati contatti elettrici in nanoscala con dimensioni paragonabili a un singolo o pochi grani, confinando il percorso corrente a dimensioni rilevanti per comprendere la produzione e la perdita correnti.
Le misurazioni mostrano che una grande frazione dei bordi del grano mostra una maggiore raccolta di corrente rispetto agli interni del grano, apparentemente migliorando le prestazioni del dispositivo. Però, utilizzando simulazioni di elementi finiti 2D, i ricercatori hanno dimostrato che questi bordi di grano creano anche un ampio percorso per la corrente di dispersione, che annulla completamente i guadagni di efficienza dalla raccolta di fotocorrente migliorata.
I ricercatori ritengono che la loro tecnica fornisca uno strumento prezioso per visualizzare il comportamento delle celle fotovoltaiche alle scale di lunghezza necessarie per comprendere sia i meccanismi di perdita all'interno dei materiali fotovoltaici sia le strutture interne all'interno di questi materiali che possono portare a maggiori efficienze complessive delle celle.
