Ontdekking van een nieuw concept in fotovoltaïsche cellen dat gebruik maakt van het vermogen van materialen om in verschillende kristallijne fasen te bestaan

Een team van onderzoekers van het Center for Integrated Physics and Photonic Materials aan de Technische Universiteit van Dresden en het Center for Advanced Electronics in Dresden hebben een nieuw zonnecelconcept gedemonstreerd dat gebruik maakt van het vermogen van materialen om in verschillende kristallijne fasen te bestaan. Het gerelateerde onderzoek is nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature Energy.

Het doel van een fotovoltaïsche cel is om zonlicht om te zetten in elektriciteit. Door zonlicht te absorberen, worden paren ladingsdragers gegenereerd, die vervolgens naar tegenoverliggende zijden van de fotovoltaïsche diode moeten worden gericht om een ​​elektrische stroom op te wekken. Om dit proces te vergemakkelijken, bevatten de meeste zonnecellen een heterojunctie die een gunstig energielandschap biedt om de ladingsscheiding te stimuleren.

Siliciumzonnecellen vormen bijvoorbeeld heterojuncties door elke zijde van het apparaat elektrisch te doteren, wat resulteert in een pn-overgang. Organische zonnecellen daarentegen zijn afhankelijk van het mengen van verschillende soorten materialen (donor en acceptor) om heterojuncties in bulk te vormen. Deze concepten zijn echter meestal niet van toepassing op opkomende klassen van nieuwe fotovoltaïsche materialen.

Het onderzoeksteam van het project heeft nu een nieuw concept gedemonstreerd voor de vorming van fotovoltaïsche heterojuncties. Om dit te doen, hebben de onderzoekers geprofiteerd van het feit dat materialen vaak in verschillende structurele vormen kunnen voorkomen, kristallijne fasen genoemd.

Dit fenomeen, bekend als polymorfisme, betekent dat hetzelfde materiaal verschillende eigenschappen kan vertonen, afhankelijk van de specifieke rangschikking van atomen en moleculen in zijn structuur. Door twee kristallijne fasen van hetzelfde materiaal met elkaar te verbinden, hebben de onderzoekers voor het eerst de vorming van een heterojunctie-zonnecel aangetoond. Concreet kozen de onderzoekers een cesiumjodide-loodchalcogenide - een efficiënt zonnecelabsorberend materiaal in de bèta- en gammafase - voor hun nieuwe concept.

De onderzoekers legden uit: "De optische en elektronische eigenschappen van cesiumloodjodide in de en fasen verschillen van elkaar, en door chalcogenide bovenop chalcogenide te plaatsen, waren we in staat om een ​​fase-heterojunctie zonnecel te creëren die aanzienlijk efficiënter is dan zonnecellen. cellen op basis van enkelfasige chalcogenide." In hun studie toonden de onderzoekers aan dat de bovenste laag van de fase op een aantal manieren invloed heeft op de prestaties van de zonnecel.

Geavanceerde spectroscopische analyse toonde aan dat de verbeterde prestaties verband hielden met een verhoogde lichtabsorptie en de vorming van een gunstige energie-uitlijning tussen de twee fasen, aldus de onderzoekers.

Belangrijk is dat de onderzoekers bevestigden dat de fase-heterojunctie stabiel bleef tijdens de werking van de zonnecel en zelfs de ionenmigratie in de zonnecelabsorber onderdrukte, waardoor een veelvoorkomend probleem met chalcogenidematerialen werd opgelost.

Om het fase-heterojunctieconcept te realiseren, gebruikten de onderzoekers twee verschillende fabricageprocessen voor de bovenste en onderste laag. De onderzoekers zeggen dat ze hopen dat dit nieuwe concept, gecombineerd met een eenvoudige fabricageroute voor fase-heterojuncties, ook toepasbaar zal zijn op een breed scala aan materiaalsystemen in een reeks elektronische en opto-elektronische apparaten.

Aangezien veel halfgeleiderklassen polymorfisme vertonen, zou dit concept de weg kunnen effenen voor geheel nieuwe toepassingen op basis van fase-heterojuncties, die uit één enkel materiaal kunnen worden gemaakt met behulp van een eenvoudig en goedkoop fabricageproces.