(Phys.org):por primera vez, un equipo de investigadores del HZB dirigido por el Dr. Roland Mainz y el Dr. Christian Kaufmann ha logrado observar el crecimiento de células solares de película delgada de calcopirita de alta eficiencia en tiempo real y estudiar la formación y degradación de defectos que comprometen la eficiencia.

Para tal fin, los científicos instalaron una nueva cámara de medición en el anillo de almacenamiento de electrones de Berlín BESSY II, lo que les permite combinar varios tipos diferentes de técnicas de medición. Sus resultados muestran durante qué etapas del proceso se puede acelerar el crecimiento y cuándo se requiere tiempo adicional para reducir los defectos. Su trabajo ahora se ha publicado en línea en Materiales energéticos avanzados .

Las células de película delgada de calcopirita de hoy basadas en seleniuro de cobre, indio, galio, ya están alcanzando eficiencias de más del 20 por ciento. Para la fabricación de capas policristalinas extremadamente delgadas, el proceso de coevaporación ha dado los mejores resultados hasta ahora:durante la coevaporación, dos elementos separados se evaporan simultáneamente, primero indio (o galio) y selenio, luego cobre y selenio, y, finalmente, indio (o galio) y selenio nuevamente. De esta manera, se forma una fina película de cristales, que presentan solo un pequeño número de defectos. "Hasta hace poco, no entendimos completamente qué sucede exactamente durante este proceso de coevaporación, ", dice el Dr. Roland Mainz del Instituto de Tecnología de HZB. El equipo de físicos trabajó durante tres años utilizando mediciones in situ y en tiempo real para encontrar una respuesta a esta pregunta.

Nueva cámara experimental construida

Para estas mediciones, construyeron un nuevo tipo de cámara experimental, que permite un análisis de la formación de película de calcopirita policristalina durante la coevaporación cuando se expone a la luz de sincrotrón en BESSY II. Además de las fuentes de evaporación de los elementos, esta cámara de vacío contiene elementos de calentamiento y enfriamiento para controlar el proceso de evaporación. Según Mainz, "uno de los principales desafíos fue ajustar la cámara, que pesa alrededor de 250 kilogramos, con una precisión de 10 micrómetros. "Debido a la expansión térmica durante la evaporación, la altura debe reajustarse automáticamente cada pocos segundos.

Combinación de difracción de rayos X y análisis de fluorescencia

Con esta configuración, por primera vez en todo el mundo pudieron observar el crecimiento de la película policristalina utilizando difracción de rayos X in situ y análisis de fluorescencia durante la coevaporación en tiempo real. "Ahora podemos ver cómo se forman y transforman las fases cristalinas y cuándo se forman los defectos durante las diferentes etapas de evaporación". Pero también podemos saber cuándo estos defectos desaparecen nuevamente. "Esto tiene lugar en la segunda etapa del proceso, cuando el cobre y el selenio se evaporan. Exceso de cobre, que se deposita en la superficie en forma de seleniuro de cobre ayuda a eliminar los defectos. "Esto ya se sabía antes de experimentos anteriores. Pero ahora, utilizando señales de fluorescencia y cálculos de modelos numéricos, podemos mostrar cómo el seleniuro de cobre penetra en la capa de seleniuro de indio y cobre, "Mainz explica. Aquí se hicieron evidentes diferencias claras entre las capas de seleniuro de cobre e indio y de cobre y seleniuro de galio:mientras que el cobre es capaz de penetrar la capa de cobre-indio-seleniuro, en el caso del seleniuro de cobre-galio, que por lo demás es bastante similar, permanece en la superficie. Esta podría ser una posible razón por la cual el uso de seleniuro de galio y cobre puro no produce células solares de alta eficiencia.

Pasos concretos para la optimización

"Ahora sabemos que para una mayor optimización del proceso es importante concentrarse en el punto de transición a la fase rica en cobre. Hasta ahora, el proceso se realizaba muy lentamente en todas las etapas para que los defectos tuvieran tiempo suficiente para desaparecer. Nuestros hallazgos sugieren que el proceso puede acelerarse en algunas etapas y que es suficiente ralentizarlo solo en los puntos donde los defectos se eliminan de manera eficiente, "explica Mainz. Mainz ya está esperando el futuro proyecto EMIL, que actualmente se está instalando en BESSY II. Aquí estarán disponibles herramientas aún más poderosas para el estudio de procesos complejos durante el crecimiento de nuevos tipos de células solares in situ y en tiempo real.