Le celle solari in silicio cristallino raggiungono le massime efficienze, soprattutto in combinazione con contatti selettivi in ​​silicio amorfo (a-Si:H). Però, la loro efficienza è limitata dalle perdite in questi strati di contatto. Ora, per la prima volta, un team dell'Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) e dell'Università dello Utah, STATI UNITI D'AMERICA, ha mostrato sperimentalmente come tali strati di contatto generino correnti di perdita su scala nanometrica e quale sia la loro origine fisica.

Le celle solari al silicio sono ora così economiche ed efficienti da poter generare elettricità a prezzi inferiori a 2 cent/kWh. Le celle solari al silicio più efficienti oggi sono realizzate con strati di contatto di silicio amorfo selettivo (a-Si:H) sottili meno di 10 nanometri, che sono responsabili della separazione delle cariche generate dalla luce. A HZB si ottengono efficienze superiori al 24% con tali celle solari a eterogiunzione di silicio e fanno anche parte di una cella solare tandem che ha portato a un record di efficienza recentemente riportato del 29,15% (A. Al-Ashouri, et al. Scienza 370, (2020)). Anche l'attuale record mondiale del Giappone per una cella solare al silicio a giunzione singola si basa su questo eterocontatto (26,6%:K. Yoshikawa, et al. Energia della natura 2, (2017)).

Esiste ancora un notevole potenziale di efficienza relativo a tali sistemi di eterocontatto, però, non è ancora chiaro in dettaglio come questi strati consentano la separazione dei portatori di carica e quali siano i loro meccanismi di perdita nanoscopica. Gli strati di contatto a-Si:H sono caratterizzati dal loro disordine intrinseco, che da un lato consente un eccellente rivestimento della superficie di silicio e quindi riduce al minimo il numero di difetti interfacciali, ma d'altra parte ha anche un piccolo svantaggio:può portare a correnti di ricombinazione locali e alla formazione di barriere di trasporto.

Per la prima volta, un team dell'HZB e dell'Università dello Utah ha misurato sperimentalmente a livello atomico come si formano tali correnti di dispersione tra c-Si e a-Si:H, e come influenzano le prestazioni delle celle solari. In uno sforzo congiunto, un team guidato dal Prof. Christoph Boehme presso l'Università dello Utah, e dal Prof. Dr. Klaus Lips presso HZB, sono stati in grado di risolvere il meccanismo di perdita all'interfaccia del summenzionato eterocontatto di silicio su scala nanometrica utilizzando la microscopia a forza atomica conduttiva in vuoto ultraelevato (cAFM).

I fisici sono stati in grado di determinare con una risoluzione quasi atomica dove la corrente di dispersione penetra nel contatto selettivo a-Si:H e crea un processo di perdita nella cella solare. In cAFM queste correnti di perdita appaiono come canali di corrente di dimensioni nanometriche e sono l'impronta digitale dei difetti associati al disordine della rete di silicio amorfo. "Questi difetti fungono da trampolino di lancio affinché le cariche penetrino nel contatto selettivo e inducano la ricombinazione, ci riferiamo a questo "tunneling meccanico quantistico assistito da trap", spiega Labbra. "Questa è la prima volta che tali stati sono stati resi visibili in a-Si:H e che siamo stati in grado di svelare il meccanismo di perdita in condizioni di lavoro di una cella solare di altissima qualità, "riferisce entusiasta il fisico.

Il team Utah/Berlino è stato anche in grado di dimostrare che la corrente oscura incanalata fluttua stocasticamente nel tempo. I risultati indicano che è presente un blocco di corrente a breve termine, che è causato dalla carica locale che è intrappolata nei difetti vicini che cambia il posizionamento energetico degli stati di tunneling (trampolini di lancio). Questa carica intrappolata può anche far aumentare la fototensione locale su un canale di corrente oltre 1V, che è molto al di sopra di quello che si potrebbe usare con un contatto macroscopico. "In questa transizione dal nano al macro mondo troviamo l'eccitante fisica delle eterogiunzioni e la chiave su come migliorare ulteriormente l'efficienza delle celle solari al silicio in un modo ancora più mirato, " dice il dottor Bernd Stannowski, responsabile dello sviluppo di celle solari industriali a eterogiunzione di silicio presso HZB.