Las células solares de próxima generación hechas de películas superdelgadas de material semiconductor son prometedoras porque son relativamente económicas y lo suficientemente flexibles como para aplicarse en cualquier lugar.

Los investigadores están trabajando para aumentar drásticamente la eficiencia con la que las células solares de película delgada convierten la luz solar en electricidad. Pero es un desafío difícil en parte porque el reino subterráneo de una célula solar, donde ocurre gran parte de la acción de conversión de energía, es inaccesible en tiempo real, Imágenes no destructivas. Es difícil mejorar los procesos que no puede ver.

Ahora, Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han desarrollado una forma de utilizar la microscopía óptica para mapear células solares de película delgada en 3-D a medida que absorben fotones.

El método, informó el 15 de noviembre en la revista Materiales avanzados , fue desarrollado en Molecular Foundry, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en Berkeley Lab. Imágenes de la dinámica optoelectrónica en materiales a escala micrométrica, o mucho más delgado que el diámetro de un cabello humano. Esto es lo suficientemente pequeño para ver los límites de grano individuales, interfaces de sustrato, y otros obstáculos internos que pueden atrapar electrones excitados y evitar que alcancen un electrodo, lo que mina la eficiencia de una célula solar.

Hasta aquí, Los científicos han utilizado la técnica para comprender mejor por qué la adición de una sustancia química específica a las células solares hechas de telururo de cadmio (CdTe), el material de película delgada más común, mejora el rendimiento de las células solares.

"Para lograr grandes ganancias en eficiencia fotovoltaica, Necesitamos ver qué está sucediendo en un material fotovoltaico en funcionamiento a una escala de micrones, tanto en la superficie como debajo, y nuestro nuevo enfoque nos permite hacerlo, "dice Edward Barnard, un asociado principal de ingeniería científica en Molecular Foundry. Lideró el esfuerzo con James Schuck, el director de la instalación de Imágenes y Manipulación de Nanoestructuras en Molecular Foundry.

El método de obtención de imágenes nace de una colaboración entre los científicos de Molecular Foundry y los usuarios de Foundry de PLANT PV Inc., una alameda, Compañía con sede en California. Mientras fabricaba nuevos materiales de células solares en Molecular Foundry, el equipo descubrió que las técnicas ópticas estándar no podían obtener imágenes del funcionamiento interno de los materiales, por lo que desarrollaron la nueva técnica para obtener esta vista. Próximo, Científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable llegaron a la Fundición Molecular y utilizaron el nuevo método para estudiar las células solares CdTe.

Para desarrollar el enfoque, Los científicos modificaron una técnica llamada microscopía de dos fotones (que utilizan los biólogos para ver el interior de muestras gruesas como tejido vivo) para que pueda aplicarse a materiales semiconductores a granel.

El método utiliza un rayo láser altamente enfocado de fotones infrarrojos que penetran dentro del material fotovoltaico. Cuando dos fotones de baja energía convergen en el mismo punto, hay suficiente energía para excitar electrones. Estos electrones se pueden rastrear para ver cuánto duran en su estado excitado, con electrones de larga duración que aparecen como puntos brillantes en las imágenes microscópicas. En una celda solar es más probable que los electrones de larga duración alcancen un electrodo.

Además, el rayo láser se puede reposicionar sistemáticamente a través de una celda solar del tamaño de prueba, creando un mapa tridimensional de toda la dinámica optoelectrónica de una célula solar.

El método ya ha arrojado luz sobre los beneficios de tratar las células solares de CdTe con cloruro de cadmio, que a menudo se agrega durante el proceso de fabricación.

Los científicos saben que el cloruro de cadmio mejora la eficiencia de las células solares CdTe, pero no se comprende bien su efecto sobre los electrones excitados a escala micrométrica. Los estudios han demostrado que los iones de cloro tienden a acumularse en los límites de los granos, pero no está claro cómo cambia esto la vida útil de los electrones excitados.

Gracias a la nueva técnica de imagen, los investigadores descubrieron que el tratamiento con cloruro de cadmio aumenta la vida útil de los electrones excitados en los límites de los granos, así como dentro de los propios granos. Esto se ve fácilmente en imágenes 3-D de células solares CdTe con y sin el tratamiento. La célula solar tratada se "ilumina" de forma mucho más uniforme en todo el material, tanto en los granos como en los espacios intermedios.

"Los científicos han sabido que la pasivación con cloruro de cadmio mejora la vida útil de los electrones en las células de CdTe, pero ahora hemos mapeado en la escala de micrones dónde ocurre esta mejora, "dice Barnard.

La nueva técnica de imágenes podría ayudar a los científicos a tomar decisiones más informadas sobre cómo mejorar una gran cantidad de materiales de células solares de película delgada además de CdTe. como perovskita y compuestos orgánicos.

"Los investigadores que intentan impulsar la eficiencia fotovoltaica podrían utilizar nuestra técnica para ver si sus estrategias funcionan a microescala, lo que les ayudará a diseñar mejores células solares a escala de prueba y, finalmente, células solares de tamaño completo para tejados y otras aplicaciones del mundo real, " él dice.